POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Katedra Mikroelektroniki i Technik

Informatycznych

90-924 Łódź, ul. Wólczańska 213, bud.

B18

dr inż. Tomasz Poźniak

[e-mail]

ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWA

ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWA

Cz. I. Zastosowanie przyrządów

Cz. I. Zastosowanie przyrządów

mocy

mocy

jako kluczy idealnych

jako kluczy idealnych

2

Bibliografia

Bibliografia

3

Introduction to Power

Introduction to Power

Processing

Processing

Fundamentals of Power

Electronics

Robert W. Erickson

University of Colorado, Boulder

4

Rodzaje przekształtników

Rodzaje przekształtników

5

Sterowanie

Sterowanie

6

Sprawność

Sprawność

7

Sprawność cd.

Sprawność cd.

8

Czym dysponujemy?

Czym dysponujemy?

9

Co wybrać? Czego unikać?

Co wybrać? Czego unikać?

10

Klucz idealny

Klucz idealny





T

dt

t

p

T

P

0

)

(

1

11

Problem do rozwiązania

Problem do rozwiązania

12

Można tak!

Można tak!

13

Lub tak!

Lub tak!

14

Można też użyć kluczy

Można też użyć kluczy

idealnych!

idealnych!

15

Składowa stała zależy od

Składowa stała zależy od

sterowania

sterowania

16

Filtr dolnoprzepustowy

Filtr dolnoprzepustowy

17

Sterowanie

Sterowanie

18

Przetwornica obniżająca

Przetwornica obniżająca

napięcie

napięcie

19

Składowa stała napięcia wyjściowego

Składowa stała napięcia wyjściowego

20

Filtr dolnoprzepustowy

Filtr dolnoprzepustowy

21

Podstawowe konfiguracje

Podstawowe konfiguracje

22

Półprzewodnikowe przyrządy

Półprzewodnikowe przyrządy

mocy

mocy

P

ro

d

u

ct

o

f

D

e

v

ic

e

V

-I

R

a

ti

n

g

s

(V

A

)

Thyristor

10 100 1K 10K 100K 1M (Hz)

100M

10M

1M

100K

10K

1K

100

10

GCT
GTO

IGBT
Module,
IPM

IGBT Discrete

VDMOS

23

Podstawowe Prawa

Podstawowe Prawa

• Prawo Ohma
• Prawa Kirchhoffa
• Zasada zachowania energii

Ciągłość prądu w cewce

2

2

1

Li

W

L



2

2

1

Cu

W

C



Ciągłość napięcia na kondensatorze

24

• Wartość średnia

x(t)
u(t), i(t)

• Wartość skuteczna

x(t)
u(t), i(t)

• Moc czynna

Podstawowe definicje

Podstawowe definicje

 





T

AV

dt

t

x

T

X

0

1





T

RMS

dt

t

x

T

X

0

2

)

(

1





T

dt

t

p

T

P

0

)

(

1

Podstawowe konfiguracje

Podstawowe konfiguracje

25

Cz. II. Przetwornice

Cz. II. Przetwornice

tranzystorowe

tranzystorowe

26

i

i

T

t

D 

Sygnał sterujący tranzystorem

Sygnał sterujący tranzystorem

27

we

wy

U

U 

Przetwornica dławikowa obniżająca

Przetwornica dławikowa obniżająca

napięcie (Buck or Step-Down

napięcie (Buck or Step-Down

converter)

converter)

28

pierwszy takt pracy - tranzystor Q

przewodzi

drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi

dioda D)

i

wy

we

L

t

L

U

U

i













i

i

wy

L

t

T

L

U

i









29





i

i

wy

i

wy

we

t

T

L

U

t

L

U

U



















i

i

wy

i

wy

we

t

T

U

t

U

U











i

wy

i

wy

i

wy

i

we

t

U

T

U

t

U

t

U











i

wy

i

we

T

U

t

U





i

i

we

wy

T

t

U

U 

D





we

wy

U

U

i

i

T

t

D 

30

D





we

wy

U

U

1

we

wy

U

U

i

o

U

wy

Summary

31

U

wy

/ U

we

= f ( I

o

’) ; d =

D

D





we

wy

U

U

32

Dane:

f = 10 kHz
U

we

= 192 V

U

wy

= 48 V

R

o

= 1 Ω

L = 200 μH

1. Obliczyć czas włączenia klucza t

i

oraz współczynnik wypełnienia D

i średni prąd obciążenia I

o AV

.

2. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce u

L

(t) i prąd cewki i

L

(t).

3. Obliczyć średnie i skuteczne wartości prądu diody i tranzystora.
4. Obliczyć prąd skuteczny kondensatora I

C RMS

.

Przykład

Przykład

33

Przykład

Przykład

c.d.

c.d.

4

1

192

48

D













V

V

U

U

D

U

U

we

wy

we

wy

A

A

s

s

I

T

t

I

AV

i

i

TAV

12

48

100

25











A

A

dt

t

s

A

A

s

dt

t

t

i

i

T

I

s

t

i

L

L

i

TRMS

i

1

,

24

25

18

39

100

1

1

25

0

2

0

2

min















































A

A

s

s

I

T

t

T

I

AV

i

i

i

DAV

36

48

100

75













A

dt

t

s

A

A

s

dt

t

t

T

i

i

T

I

s

t

T

i

i

L

L

i

DRMS

i

i

8

,

41

75

18

57

100

1

1

75

0

2

0

2

max



















































A

dt

t

s

A

A

dt

t

s

A

A

s

I

s

s

CRMS

2

,

5

75

18

9

25

18

9

100

1

75

0

2

25

0

2



































































34

Buck converter - symulacja

Buck converter - symulacja

35

Buck converter – wyniki symulacji

Buck converter – wyniki symulacji

36

37

Przetwornica dławikowa

Przetwornica dławikowa

podwyższająca napięcie

podwyższająca napięcie

(Boost or Step-Up converter)

(Boost or Step-Up converter)

38

i

we

L

t

L

U

i











i

i

we

wy

L

t

T

L

U

U

i











pierwszy takt pracy - tranzystor Q

przewodzi

drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)

39





i

i

we

wy

i

we

t

T

L

U

U

t

L

U



















i

i

we

wy

i

we

t

T

U

U

t

U











i

we

i

we

i

wy

i

wy

i

we

t

U

T

U

t

U

T

U

t

U











i

we

i

wy

i

wy

T

U

t

U

T

U





i

i

i

we

wy

t

T

T

U

U





i

i

we

wy

T

t

1

1

U

U





D

U

U

we

wy





1

1

i

i

T

t

D 

40

D

U

U

we

wy





1

1

Uwe

Iwe

Summary

41

Przykła

Przykła

d

d

Dane:

U

we

= 50 V

t

i

= 50 s

U

wy

= 75 V

R

o

= 2,5 Ω

L = 250 μH

1. Obliczyć częstotliwość pracy f

i

oraz czas wyłączenia klucza T

i

-t

i

zakładając tryb pracy CCM.

2. Obliczyć średni prąd wejściowy I

L AV

i prąd obciążenia I

o AV

.

3. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce, u

L

(t) i prąd cewki, i

L

(t).

4. Obliczyć średnie wartości prądu diody i tranzystora.
5. Obliczyć wartość skuteczną prądu kondensatora I

C RMS

.

42

Przykład

Przykład

c.d.

c.d.

3

1

75

50

1

1

1

1

















V

V

U

U

D

D

U

U

wy

we

we

wy

A

A

s

s

I

T

t

I

LAV

i

i

TAV

15

45

150

50











A

A

s

s

s

I

T

t

T

I

LAV

i

i

i

DAV

30

45

150

50

150





















A

dt

t

s

A

A

dt

A

s

I

s

s

CRMS

3

,

21

100

10

20

30

150

1

100

0

2

50

0

2



















































A

V

R

U

I

o

wy

wyAV

30

5

,

2

75









A

V

V

A

U

U

I

I

I

U

I

U

we

wy

wyAV

weAV

wyAV

wy

weAV

we

45

50

75

30















A

s

H

V

t

L

U

i

i

we

L

10

50

250

50













43

Simulation of the Boost converter

Simulation of the Boost converter

M1
IRF350

P

lu

s

M

in

u

s

V1

50V

D1

MR504

R1

18

R2

470

V2

L1

250uH

C1

1mF

R3

2,5

1

2

3

4

5

44

Boost converter simulation results

Boost converter simulation results

0.00m

2.00m

4.00m

6.00m

8.00m

10.00m

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

v(4)

T

v(5)

0.00m

2.00m

4.00m

6.00m

8.00m

10.00m

0.00

30.00

60.00

90.00

120.00

150.00

i(L1)

T

BOOST CONV.CIR Temperature = 27

45

PFC – application of Boost converter

PFC – application of Boost converter

46

Przetwornica dławikowa podwyższająca

Przetwornica dławikowa podwyższająca

napięcie

napięcie

z uwzględnieniem strat

z uwzględnieniem strat

47

Przetwornica dławikowa podwyższająca

Przetwornica dławikowa podwyższająca

napięcie

napięcie

z uwzględnieniem strat

z uwzględnieniem strat

pierwszy takt pracy - tranzystor Q1

przewodzi

drugi takt pracy
- wyłączony tranzystor Q1 (przewodzi dioda
CR1)

it

L

R

I

U

U

L

i

L

L

DS

WE















)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

i

i

WE

L

L

d

WY

t

T

L

U

R

I

U

U

L

i



















48

Przetwornica
idealna

Przetwornica
ze stratami

Przetwornica dławikowa podwyższająca

Przetwornica dławikowa podwyższająca

napięcie

napięcie

z uwzględnieniem strat

z uwzględnieniem strat

D

U

U

we

wy





1

1

D

D

U

U

D

L

R

L

I

we

U

wy

U

DS

d































1

1

1

49

Przetwornica dławikowa odwracająca

Przetwornica dławikowa odwracająca

napięcie

napięcie

(Up-Down Invert converter)

(Up-Down Invert converter)

50

pierwszy takt pracy - tranzystor Q

przewodzi

drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)

i

we

L

t

L

U

i











i

i

wy

L

t

T

L

U

i











51





i

i

wy

i

we

t

T

L

U

t

L

U















i

i

wy

i

we

t

T

U

t

U











i

i

i

we

wy

t

T

t

U

U









i

i

i

i

we

wy

T

t

1

T

t

U

U









i

i

T

t

D 

D

U

U

we

wy









1

D

52

D

U

U

we

wy









1

D

Invert

Invert

C

C

onverter

onverter

-

-

Summary

Summary

53

Przykła

Przykła

d

d

Dane:

U

we

= 50

V
t

i

= 60 s

U

wy

= -75

V
R

o

= 2,5

Ω
L = 250

μH

1. Obliczyć częstotliwość pracy, f

i

, wypełnienie D

oraz czas

wyłączenia klucza, T

i

-t

i

, zakładając tryb pracy

CCM.

2. Obliczyć prąd obciążenia I

wy AV

i średni prąd

wejściowy I

we AV

.

3. Obliczyć średnie wartości prądu diody i

tranzystora.

4. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce, u

L

(t) i prąd

cewki, i

L

(t).

5. Obliczyć wartość skuteczną prądu kondensatora I

C

RMS

.

54

Przykład

Przykład

c.d.

c.d.

5

3

50

75

75

1























V

V

V

U

U

U

D

D

D

U

U

we

wy

wy

we

wy

LAV

i

i

QAV

I

T

t

I



LAV

i

i

i

DAV

I

T

t

T

I









A

dt

t

s

A

A

dt

A

s

I

s

s

CRMS

???

40

12

51

30

100

1

40

0

2

60

0

2



















































A

V

R

U

I

o

wy

wyAV

30

5

,

2

75













A

V

V

A

U

U

I

I

I

U

I

U

we

wy

wyAV

weAV

wyAV

wy

weAV

we

45

50

75

30



















A

s

H

V

t

L

U

i

i

we

L

12

60

250

50













A

I

I

weAV

QAV

45





A

I

LAV

75



A

I

I

wyAV

DAV

30





A

I

LAV

75



55

Buck-Boost converter - simulation

Buck-Boost converter - simulation

M1

IRF350

P

lu

s

M

in

u

s

V1

50V

D1
MR504

R1
18

R2

470

V2

L1

250uH

C1

1mF

R3

2,5

1

2

3

4

5

56

Buck-Boost converter - simulation

Buck-Boost converter - simulation

results

results

0.00m

2.00m

4.00m

6.00m

8.00m

10.00m

-80.00

-60.00

-40.00

-20.00

0.00

20.00

v(4)

T

v(5)-v(3)

0.00m

2.00m

4.00m

6.00m

8.00m

10.00m

0.00

30.00

60.00

90.00

120.00

150.00

i(L1)

T

BUCKBOOST CONV.CIR Temperature = 27

57

Three basic dc-dc converters

Three basic dc-dc converters

58

Przetwornice dławikowe -

Przetwornice dławikowe -

porównanie

porównanie

59

Przetwornice transformatorowe

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

60

o

b

n

iż

a

ją

c

a

n

a

p

ię

c

ie

(b

u

c

k

)

p

o

d

w

y

ż

s

z

a

ją

c

a

n

a

p

ię

c

ie

(

b

o

o

s

t)

o

d

w

ra

c

a

ją

c

a

n

a

p

ię

c

ie

(b

u

c

k

-b

o

o

s

t)

+

–

+

–

+

–

+

–

+

–

–

+

+

–

+

–

p

rz

e

p

u

s

to

w

a

(f

o

rw

a

rd

)

tranzystor zwykle sterowany względem masy

+

–

+

–

ten układ nie ma znaczenia praktycznego

+

–

–

+

za

p

o

ro

w

a

(

f

y

b

a

c

k

)

tranzystor zwykle sterowany względem masy

Przetwornice dławikowe po wstawieniu

Przetwornice dławikowe po wstawieniu

transformatorów

transformatorów

61

n

D

U

U

we

wy









1

D

1 : n

(CCM)

(DCM)

Przetwornica zaporowa

Przetwornica zaporowa

The Flyback Converter

The Flyback Converter

62

Przetwornica zaporowa

Przetwornica zaporowa

– tryb CCM

– tryb CCM

63

Flyback Converters - Fairchild Power Swi

Flyback Converters - Fairchild Power Swi

tch

tch

GMT Time

This webcast discusses switchmode power supply
design issues including an in depth discussion of
flyback topology along with critical aspects of
component selection. The design of the magnetics is
also reviewed. A design example will illustrate how
SMPS design can be simplified using Fairchild’s FPS
Designer software. The design is broken down into a
few easy to understand steps followed by evaluation
of how the results correlate once the design is built.

Thursday, January 15,

2004

01/15/04 17:00

64

Fairchild Semiconductor Power Seminar

Fairchild Semiconductor Power Seminar

Webcast Series

Webcast Series

Flyback Converters - Fairchild Power Switch

January 15, 2004

Practical aspects of feedback control

January 22, 2004

Power Factor Correction

January 29, 2004

DC-DC Solutions (Control)

February 5, 2004

High-Voltage Discrete Technology

February 12, 2004

DC-DC Solutions (MOSFETs)

February 19, 2004

65

Wpływ magnesowania rdzenia

Wpływ magnesowania rdzenia

Energia gromadzona w polu cewki

(= energii przekazywanej do
obciążenia) w przetwornicy
zaporowej:

2

2

1





i

L

W

L



Więcej energii  większy prąd
Duże prądy 

niebezpieczeństwo nasycenia

Rozwiązanie: rdzeń ze szczeliną

W przetwornicy
przepustowej prąd
magnesujący jest niepożądany
 rdzenie bez szczeliny

66

Two Transistor Flyback

Two Transistor Flyback

Converter

Converter

67

Flyback Magnetics

Flyback Magnetics

68

Why Use a Gap?

Why Use a Gap?

2

2

1





i

L

W

L



… to store magnetic energy:

But

where?

• For uniform magnetic flux density B = Φ/A = µ

m

H

m

= µ

g

H

g

µ = permeability, H = magnetic field intensity

m = magnetic material, g = gap (air)

• For ferrite, µ

m

is often thousands of times greater

than µ

g

H

g

is thousands of times greater than H

m

• Magnetic energy storage per unit volume: w

m

∝ H2

virtually all the energy is stored in the gap

• Double the gap - double the energy storage at B

max

(at half the L but 2x the max current)

69

Characteristics of a Typical Flyback

Characteristics of a Typical Flyback

Transformer

Transformer

1.

The flyback transformer is a multi-winding coupled inductor, taking energy from
the electrical

circuit, storing it in its non-magnetic gap, and subsequently returning it minus

losses to the circuit.

2.

Design Limitations

•

Temperature rise and efficiency considerations arising from the core losses and
copper losses. Note for a fixed flux density, core losses reduce with temperature.

•

Core saturation. Note that saturation flux density reduces with temperature.

•

Leakage Inductance

70

Flyback vs. Forward

Flyback vs. Forward

The flyback transformer is coupled

inductors. It stores energy when the
switch

is closed and transfers it to the load
when

the switch is opened

The forward transformer is a true
transformer.

No energy is stored. Energy is transferred
to the

load when the switch is closed.

71

n

D





we

wy

U

U

1 : 1 :

n

(CCM)

Przetwornica

Przetwornica

przepustowa

przepustowa

The Forward Converter

The Forward Converter

72

i



i

L

I

wy

2U

w

e

U

w

e

t

t

t

t

t

u

S

i

S

i

D3

t

i

T

i

D < 0.5

2U

w

e

i



i

L

I

wy

U

w

e

t

t

t

t

t

u

S

i

S

i

D3

t

i

T

i

D = 0.5

Przetwornica przepustowa

Przetwornica przepustowa

transformatorowa

transformatorowa

The Forward Converter

The Forward Converter

73

Characteristics of a Typical Forward

Characteristics of a Typical Forward

Transformer

Transformer

• Ideally the forward transformer stores no energy. In practice, forward
transformers do store

some energy:

– Leakage Inductance represents energy stored in the non-magnetic regions
between

Windings,

– Mutual inductance (magnetising inductance) represents energy stored in
the finite permeability of the magnetic core and the small gaps where the
core halves come together.

• Design limitations:

– At SMPS frequencies, core losses are the most important limitation.

74

example

of

DATEL

convert

er

75

Two transistor Forward converter

Two transistor Forward converter

76

Wpływ magnesowania rdzenia

Wpływ magnesowania rdzenia

W przetwornicy zaporowej energia
gromadzona w polu cewki to energia
przekazywana do obciążenia:

2

2

1





i

L

W

L



• Większy prąd



to więcej energii

•

Duże

prądy



to

niebezpieczeństwo nasycenia

Rozwiązanie: rdzeń ze szczeliną

W

przetwornicy

przepustowej

prąd magnesujący jest niepożądany



stosuje się rdzenie bez szczeliny.