Przetwornice transformatorowe (transformer-isolated

Energoelektronika
POLITECHNIKA ŁÓDZKA
Katedra Mikroelektroniki i Technik
Informatycznych
Al. Politechniki 11, 93-590 Łódź
dr inż. Tomasz Poźniak
[email protected]
Cz. II.
Przetwornice tranzystorowe
Bibliografia
1. Erickson R. W., Maksimović D.: Fundamentals of Power
Electronics. Kluver Academic Publishers; ISBN: 0792372700; 2nd
edition (February 2001)
2. Krein P. T.: Elements of Power Electronics, Oxford University
Press, 1998
3. Christophe P. Basso: Switch-Mode Power Supply SPICE Cookbook.
McGraw-Hill Professional; ISBN: 0071375090; Bk&Cd-Rom edition
(March 19, 2001)
4. Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. WNT,
Warszawa, 1998.
5. Frąckowiak L.: Energoelektronika, część 2, Przekształtniki i
łączniki energoelektroniczne o komutacji zewnętrznej. Wyd. 3,
WPP, Poznań, 1998.
6. Tunia H., Winiarski B.: Energoelektronika. WNT, Warszawa,
1994.
7. Borkowski A.: Zasilanie urządzeń elektronicznych. WKiŁ,
Warszawa, 1990.
8. Ferenczi Ö.: Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze
impulsowe. WNT, Warszawa, 1989.
Biblioteka Główna Politechniki Łódzkiej
http://bg.p.lodz.pl
Sygnał sterujący tranzystorem
ti
D
Ti
Przetwornica dławikowa obniżająca napięcie
(Buck or Step-Down converter)
iL 
U we  U wy
L
 ti
pierwszy takt pracy - tranzystor Q przewodzi
iL 
U wy
L
 Ti  ti 
drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)
U we  U wy
L
U
we
 ti 
U wy
L
 Ti  ti 
 U wy  ti  U wy  Ti  ti 
U we  ti  U wy  ti  U wyTi  U wy ti
U we  ti  U wyTi
ti
D
Ti
U wy
ti
 U we
Ti
U wy  U we  D
Uwy
U wy  U we  D
U wy
U we
1
io
Fig. 5: Output Voltage vs Current
Przykład
Dane:
f = 10 kHz
Uwe = 192 V
Uwy = 48 V
Ro = 1 Ω
L = 200 μH
1. Obliczyć czas włączenia klucza ti oraz współczynnik wypełnienia D
i średni prąd obciążenia Io AV.
2. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce uL(t) i prąd cewki iL(t).
3. Obliczyć średnie i skuteczne wartości prądu diody i tranzystora.
4. Obliczyć prąd skuteczny kondensatora IC RMS.
Buck converter
Buck converter
Przetwornica dławikowa podwyższająca napięcie
(Boost or Step-Up converter)
U we
iL 
 ti
L
pierwszy takt pracy - tranzystor Q przewodzi
iL 
U wy  U we
L
 Ti  ti 
drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)
U wy  U we
U we
 ti 
 Ti  ti 
L
L
U we  ti  U wy  U we   Ti  ti 
U we  ti  U wyTi  U wy ti  U weTi  U we ti
U wyTi  U wy ti  U weTi
U wy
U wy  U we
Ti
 U we
Ti  ti
ti
D
Ti
U wy
1
ti
1
Ti
1
 U we
1 D
Uwe
U wy
1
 U we
1 D
Iwe
Przykład
Dane:
Uwe = 50 V
ti = 50 ms
Uwy = 75 V
Ro = 2,5 Ω
L = 250 μH
1. Obliczyć częstotliwość pracy fi oraz czas wyłączenia klucza Ti-ti
zakładając tryb pracy CCM.
2. Obliczyć średni prąd wejściowy IL AV i prąd obciążenia Io AV.
3. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce, uL(t) i prąd cewki, iL(t).
4. Obliczyć średnie wartości prądu diody i tranzystora.
5. Obliczyć wartość skuteczną prądu kondensatora IC RMS.
PFC – application of Boost converter
Przetwornica dławikowa odwracająca napięcie
(Up-Down Invert converter)
U we
iL 
 ti
L
pierwszy takt pracy - tranzystor Q przewodzi
iL  
U wy
L
 Ti  ti 
drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)
U wy
U we
 ti  
 Ti  ti 
L
L
U we  ti  U wy  Ti  ti 
U wy
ti
 U we 
Ti  ti
ti
D
Ti
U wy  U we 
U wy
ti
Ti
ti
1
Ti
D
 U we 
1 D
U wy
D
 U we 
1 D
Przykład
Dane:
Uwe = 50 V
ti = 60 ms
Uwy = -75 V
Ro = 2,5 Ω
L = 250 μH
1. Obliczyć częstotliwość pracy, fi , wypełnienie D oraz czas
wyłączenia klucza, Ti-ti , zakładając tryb pracy CCM.
2. Obliczyć średni prąd wejściowy IQ AV i prąd obciążenia Io AV.
3. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce, uL(t) i prąd cewki, iL(t).
4. Obliczyć średnie wartości prądu diody i tranzystora.
5. Obliczyć wartość skuteczną prądu kondensatora IC RMS.
Przetwornice transformatorowe
(transformer-isolated converters)
• Izolacja galwaniczna obwodu wyjściowego od
obwodu wejściowego (bezpieczeństwo pracy)
• Możliwość zmniejszenia/zwiększenia
współczynnika przetwarzania napięcia przez
odpowiedni dobór przekładni transformatora
• Możliwość otrzymania wielu napięć
wyjściowych przez zastosowanie wielu
uzwojeń wtórnych
+
–
–
przepustowa (forward)
+
+
+
–
–
tranzystor zwykle sterowany względem masy
+
+
+
+
–
–
–
–
ten układ nie ma znaczenia praktycznego
+
–
–
+
zaporowa (flyback)
odwracająca napięcie
(buck-boost)
podwyższająca napięcie
(boost)
obniżająca napięcie
(buck)
Najprostsze transformatorowe odpowiedniki układów dławikowych
+
–
–
+
tranzystor zwykle sterowany względem masy
1:n
Przetwornica zaporowa
The Flyback Converter
U wy
D
 U we 
n
1 D
(CCM)
(DCM)
Przetwornica przepustowa
The Forward Converter
1:1:n
U wy  U we  D  n
(CCM)
Przetwornica przepustowa transformatorowa
The Forward Converter
D = 0.5
D < 0.5
2Uwe
uS
Uwe
2Uwe
uS
Uwe
t
iS
iS
ti
iD3
t
ti
Ti
t
iL
t
Iwy
Ti
iD3
iL
t
im
t
t
Iwy
t
im
t
t
Wpływ magnesowania rdzenia
Energia gromadzona w polu cewki
(=przekazywana do obciążenia) w
przetwornicy zaporowej:
WL  Lm im
2
Więcej energii  większy prąd
Duże prądy  niebezpieczeństwo
nasycenia
Rozwiązanie: rdzeń ze szczeliną
W przetwornicy przepustowej
prąd magnesujący jest niepożądany
 rdzenie bez szczeliny
Przetwornica przeciwsobna
The Push Pull Converter
U wy  2 U we  D  n
2Uwe
Uwe
uQ1
t
iQ2
iQ1
Przetwornica przeciwsobna
The Push Pull Converter
t
ti
Ti
iD2
D  0.5
t
iD1
U wy  2 U we  D  n
t
iL
Iwy
t
im
F
t
Fig. 5: Output Voltage vs Current
Przetwornica półmostkowa
The Half Bridge Converter
U wy  U we  D  n
Przetwornica pełnomostkowa
The Full Bridge Converter
U wy  2 U we  D  n
Przetwornica pełnomostkowa – przebiegi
The Full Bridge Converter
Zastosowanie przetwornic z izolacją galwaniczną
w zależności od mocy i napięcia wyjściowego
3000
V
1000
IV
Przetwornice przepustowe i przeciwsobne
Przetwornice przepustowe
300
P [W]
Przetwornice przeciwsobne
III
100
30
Przetwornice zaporowe
II
10
I
3
1
1
3
10
30
Uwy [V]
100
300
1000