Przetwornice napięcia stałego

III. Przetwornice napięcia stałego
III.1. Wstęp
Przetwornice: dostarczanie pożądanej wartości
napięcia stałego u0 kosztem energii ze źródła
napięcia
zwiększania,
uG.
Możliwość
odwracania
zmniejszania,
polaryzacji
kształtowanie pożądanego przebiegu u0(t).
lub
Wcześniejsze rozwiązania – stabilizatory lub
regulatory
sprawności.
o
działaniu
ciągłym
–
małe
Typowe
rozwiązanie:
PWM,
rzadziej
–
przetwornice rezonansowe. Jeden z podziałów:
transformatorowe
(z
i beztransformatorowe.
izolacją
galwaniczną)
Ogólna struktura: blok mocy (blok główny) i blok
sterujący (analogowy lub cyfrowy) do sterowania
pracą kluczy w bloku głównym.
Tryb pracy z ciągłym prądem cewki (continuous
current mode - CCM) lub z nieciągłym prądem
cewki (DCM).
III.2. Uproszczony opis podstawowych
przetwornic PWM w trybie CCM.
III.2.1. Uwagi ogólne
Podstawowe
układy
beztransformatorowe
PWM: BUCK, BOOST, BUCK-BOOST. Blok
główny:
klucz
kondensator.
(tranzystor),
dioda,
cewka,
Obciążenie: R0. Przełączanie z częstotliwością
fS = 1/TS (najczęściej kilka kHz do kilku MHz).
TS
t ON
t OFF ;
t ON
d A TS
Napięcie uK kontrolujące stan klucza
dA
tON
tON tOFF
tON
TS
Cewka: rezerwuar energii w trakcie jednego
okresu, kondensator: „wygładzanie” napięcia na
obciążeniu, dioda: przejmowanie prądu w stanie
rozwarcia klucza. Blok sterujący – reguluje czas
tON stanu włączenia (zwarcia) klucza.
W każdej z faz kluczowania, napięcie uL na
cewce w przybliżeniu stałe.
iL (t ) iL (t0 )
1
L
t
u L dt
t0
uL
iL (t0 )
(t t0 )
L
III.2.2. Przetwornica BUCK (obniżająca
napięcie)
Założenie: napięcie na przewodzącym kluczu –
pomijalnie małe.
Prąd cewki nie może zmieniać się skokowo.
Rozważamy stan ustalony.
Przebiegi napięcia i prądu cewki:
t = 0 : początek fazy ON (zwarcie klucza)
i LON (t )
iLOFF
i L (0)
uG
u0
L
t
u0 uD
iL (tON )
(t tON )
L
Zakładamy dalej:
uD
u0
Wartości w chwilach tON i TS
i L (t ON )
i L (0)
uG
u0
L
t ON
u0
iL (TS ) iL (0) iL (tON )
TS tON
L
Stąd:
u0
Praktycznie:
d A uG
0.1 d A
0.9
W stanie ustalonym, zakres zmian prądu iL:
2
iL
uG
u0
L
d A TS
Bezpośrednio
po
włączeniu
uG
;
warunki
początkowe zerowe; warunek
i L (TS )
i L (0)
nie jest spełniony. Przy założonym dA (określone
tON), przyrost iL w fazie ON większy niż spadek
w fazie OFF.
III.2.3. Przetwornica BOOST (podwyższająca napięcie).
Założenia – jak poprzednio.
uL
Faza ON:
i LON (t )
Faza OFF:
uL
i LOFF (t )
uG
i L (0)
uG
i L (t ON )
uG
t
L
u0
uG
u0
L
(t t ON )
W chwilach tON i TS:
i L (t ON )
i L (0)
uG
t ON
L
uG u 0
iL (0) iL (tON )
(TS
L
tON )
Stąd:
u0
uG
TS
TS t ON
Jak widać, oczywiście dA<1.
uG
1 dA
III.2.4. Przetwornica BUCK-BOOST
(odwracająca napięcie)
Faza ON:
i L (t )
i L (0)
uG
t
L
Faza OFF:
i L (t )
i L (t ON )
u0
(t t ON )
L
W chwilach tON i TS:
i L (t ON )
i L (0)
i L (0)
i L (t ON )
uG
t ON
L
u0
(TS
L
t ON )
Stąd:
u0
uG t ON
TS t ON
Ujemne u0. u0
od uG.
uG d A
1 dA
może być mniejszy lub większy
Stany przejściowe po zmianie uG lub R –
regulacja dA (i tON) przez blok sterujący (zasada
PWM).
III.3. Praca z nieciągłym prądem cewki.
Prąd cewki narasta w fazie ON i maleje w fazie
OFF. Zmiana iL określona przez nachylenie
zależności iL(t), (zależne od uL) i przez czas
trwania fazy.
W pewnych warunkach, iL spada do zera przed
końcem
fazy
OFF
–
jest
to
tryb
pracy
z nieciągłym prądem cewki (DCM w odróżnieniu
od CCM).
Granica CCM i DCM:
iL
IL
IL – wartość średnia iL (składowa stała).
BUCK:
UG U0
DA TS
2 L
Jednocześnie:
IL
U0
R
iL
IL zależy od obciążenia (R),
iL – nie. Przy
wzroście R – przejście w stan DCM.
Z powyższych zależności – wartość krytyczna
RC (BUCK)
RC
2 L
(1 D A ) TS
R
RC
CCM
R
RC
DCM
Inne przetwornice.
BOOST:
RC
2 L
(1 D A ) 2 TS
BUCK-BOOST:
RC
DA
2 L
(1 D A ) 2 TS
Załóżmy:
TS = 20 sek, DA= 0.5, L = 50 H
Wtedy:
Buck :
RC
Boost :
RC
10
Buck Boost :
40
RC
20
Z wzorów na RC wynikają „krytyczne” wartości L,
TS lub DA.
Dla ustalonego R, przejście w tryb DCM, gdy
TS , D A , L .
Przetwornica BUCK w trybie DCM.
Gdy klucz K rozwarty DCM – trzy fazy:
A)
klucz zwarty
iL
B)
klucz rozwarty
iWE
iL iD
C)
klucz rozwarty
iL
iD
0
0
Czasy trwania faz:
D A TS , D B T , DC TS
DA – jak dotychczas.
DA
DB
DC
1
( DB
DC ) TS
t OFF
Dla wyznaczenia U0 (ustalonego) w trybie DCM
potrzebne wyrażenia na uL i iL w poszczególnych
fazach oraz związek:
iC
iL
u0
R
(1)
Faza A
i L (t ON )
uG
u0
L
t ON
UG
U0
L
D A TS
Faza B
0
U0
i L (t ON )
DB TS
L
Faza C
Z dwóch ostatnich równań:
(U G U 0 ) DA
U 0 DB
(2)
Z r. (1) związek dla wartości średnich:
iL
iC
u0
R
U0
R
Z wykresu iL(t):
1
iL
i L m ax ( D A DB )
2
UG U0
gdzie i L m ax
D A TS
L
Z ostatnich trzech równań:
U0
R
DA DB
U G U 0 DA TS
2 L
(3)
Z (2) i (3), po wyeliminowaniu DB otrzymujemy:
2 UG
U0
1
8 L
1
2
R D A TS
Można sprawdzić, że dla R = RC , wzór
powyższy daje U0 = DA UG.