1

EN_w05

Przekształtniki impulsowe prądu stałego

(dc/dc)

Wprowadzenie

Sterowanie napięciem przez Modulację Szerokości Impulsów MSI

(

Pulse Width Modulation - PWM

)

Przekształtnik obniżający napięcie (

buck converter

)

Przekształtnik podwyższający napięcie (

boost converte

r)

Przekształtnik odwracający (

buck-boost

)

Przekształtniki dwu- i czterokwadrantowe
Unipolarne i bipolarne sterowanie MSI przekształtnika mostkowego
Wpływ przewodzenia przerywanego na pracę przekształtników

buck

,

boost, buck-boost

2

EN_w05

Wprowadzenie do przekształtników dc/dc

Główne zastosowania:

Zasilacze impulsowe prądu stałego
Napędy z silnikami prądu stałego

Cel: regulować napięcie wyjściowe

Schemat

blokowy:

3

EN_w05

Sterowanie wartością średnią napiecia przez MSI

4

EN_w05

Realizacja sterowania MSI

5

EN_w05

Przekształtnik obniżający (buck converter)

Tętnienia napięcia są filtrowane dolnoprzepustowym filtrem LC

Dioda jest niezbędna, aby zapewnić drogę dla prądu

i

L

gdy nie przewodzi łącznik

6

EN_w05

Napięcie wyjściowe przekształtnika V

d

Vd średnie zależy liniowo

od D

V

0

= D · V

d

Częstotliwości harmoniczne

są wielokrotnościami f

s

:

f

s

, 2

f

s

, 3

f

s

, ...

Filtrowanie tym

skuteczniejsze im większa
częstotliwość łączeń fs i im
mniejsza częstotliwość
graniczna (-3dB) filtru

f

c

« f

s

7

EN_w05

Przebiegi

i

,

u

przy przewodzeniu ciągłym

i

L

> 0

W stanie ustalonym:

A = B

(

v

L

)

śr

= 0

Bilans mocy przy

pominięciu strat:

8

EN_w05

Przekształtnik podwyższający napiecie (boost)

Takie same elementy, inaczej połączone

Napięcie wyjściowe nie może być mniejsze od wejściowego

9

EN_w05

Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu ciągłym

całka napięcia na indukcyjności:

Bilans mocy:

10

EN_w05

Ograniczenia w podwyższaniu napięcia

Dławik i kondensator nie są

idealne (straty)

Spadki napięcia stają się istotne

przy dużych prądach i dużych D

Napięcie wyjściowe niedokładnie

odpowiada teoretycznemu

D musi być ograniczone: 0 .. 0.8

11

EN_w05

Przekształtnik buck-boost (obniżająco-odwracający)

Napięcie wyjściowe może

być niższe lub wyższe od
wejściowego

Napięcie wyjściowe ma

przeciwny znak niż wejściowe

12

EN_w05

Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu ciągłym

13

EN_w05

Przekształtniki dwukwadrantowe (półmostkowe)

Przełączanie między dodatnim a ujemnym biegunem napięcia Ud

Średnie napięcie wyjściowe dodatnie, prąd dodatni lub ujemny (I i II ćwiartka)

Stanowią jedno ramię (leg) w przekształtnikach złożonych dc/dc lub dc/ac

14

EN_w05

Przekształtnik czterokwadrantowy o jednym ramieniu

Obciążenie włączone między biegun wyjściowy przekształtnika, a punkt

środkowy zasilania

Zarówno prąd jak i napięcie wyjściowe mogą być dodatnie lub ujemne

Zastosowania:

zasilacze impulsowe

przekształtniki dc/ac

15

EN_w05

Przekształtnik czterokwadrantowy mostkowy

Napięcie wyjsciowe może być regulowane w zakresie napięcie zasilające

16

EN_w05

Przekształtnik czterokwadrantowy mostkowy

Zastosowania:

Napędy prądu stałego

Falowniki dc/ac

Zasilacze impulsowe z izolacją we/wy

17

EN_w05

Napięcia wyjściowe biegunów przekształtnika

Napięcia (chwilowe) w punktach A, B oraz ich różnica zależą od napięcia

zasilającego i sygnałów sterujących, a są niezależne od prądu obciążenia

Napięcia średnie zależą od względnych czasów wysterowania łączników T

A+

, T

B+

(łączniki T

A-

, T

B-

są sterowane komplementarnie)

18

EN_w05

Sterowanie MSI w przekształtnikach mostkowych

Dwie metody sterowania MSI:

Bipolarna (dwubiegunowa) MSI : pary łączników (TA+ , TB-) oraz

(TA- , TB+) są wysterowywane równocześnie

Unipolarna (jednobiegunowa) MSI : między wysterowaniem TA+ a

TB- oraz między TA- a TB+ jest 180

o

przesuniecia fazowego

Unipolarna MSI jest zdecydowanie lepsza, choć jej realizacja jest nieco

bardziej skomplikowana

19

EN_w05

Porównanie MSI unipolarnej i bipolarnej

Wartość skuteczna składowej zmiennej (wszystkich harmonicznych łącznie) jest

mniejsza dla MSI unipolarnej, zwłaszcza dla średnich wartości napięcia wyjściowego
bliskich zeru

Częstotliwość podstawowej harmonicznej w napieciu wyjsciowym jest dla modulacji

unipolarnej dwukrotnie wyższa niż częstotliwość przełaczeń zaworów fs , a dla
bipolarnej równa fs

20

EN_w05

Sterowanie w bipolarnej MSI

TA+ i TB-

przewodza,
gdy sygnał
sterujący

v

control

jest

większy niż
trójkątny
sygnał
odniesienia

Napięcie

wyjściowe
przełącza się
od wartości
+

V

d

do -

V

d

Przejście

prądu przez
zero nie
wywołuje
żadnych
komplikacji

21

EN_w05

Sterowanie MSI - wzory

Napięcie trójkątne w przedziale ¼ okresu Ts:

Względny czas wysterowania TA+:

Średnie napięcie wyjściowe ...

... liniowo zależy od sygnału sterującego

22

EN_w05

Sterowanie unipolarne MSI

Dwa oddzielne napięcia

sterujące dla łączników TA i TB

Tak jak poprzednio:

23

EN_w05

Przewodzenie przerywane

W przekształtnikach dwu- i czterokwadrantowych przewodzenie

przerywane praktycznie nie wystepuje

W prostych przekształtnikach (buck, boost, buck-boost), przy

niewielkich obciążeniach prąd w indukcyjności może w pewnych

przedziałach spadać do zera – mówimy wtedy o przewodzeniu
przerywanym

Dla przewodzenia przerywanego znacznie komplikują się wzory na

napięcie wyjsciowe; napięcie to staje sie zależne od prądu i parametrów
obwodu

Analizę pracy przy przewodzeniu przerywanym najlepiej przeprowadzic

symulacyjnie, lub skorzystać z iPES

24

EN_w05

Praca na granicy przewodzenia ciągłego i przerywanego w
przekształtniku obniżającym (

buck

)

25

EN_w05

Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu przerywanym
w przekształtniku obniżającym (

buck

)

26

EN_w05

Charakterystyki

V

(

I

) dla przekształtnika obniżającego (

buck

)

z uwzględnieniem strefy przewodzenia przerywanego

27

EN_w05

Charakterystyki

D

(

I

) dla przekształtnika obniżającego (

buck

)

z uwzględnieniem strefy przewodzenia przerywanego

28

EN_w05

Przekształtnik obniżający (buck) – ćwiczenia iPES

29

EN_w05

Przekształtnik podwyższający – granice przewodzenia
ciągłego i przerywanego

30

EN_w05

Przekształtnik podwyższający – przebiegi na granicy
przewodzenia ciągłego oraz przy przewodzeniu przerywanym

31

EN_w05

Przekształtnik podwyższający – charakterystyki

D

(

I

o

)

z uwzględnieniem przewodzenia przerywanego

32

EN_w05

Przekształtnik podwyższający – ćwiczenia iPES