POLITECHNIKA GDAŃSKA

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI

Przetwornica DC-DC z dzielonym dławikiem na wyjściu

AUTOR:

OPIEKUN

PRACY:

Arkadiusz Adolph

prof. dr hab. inż.

Zbigniew Krzemiński

Gdańsk 2003

2

POLITECHNIKA GDAŃSKA

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI

PRACA DYPLOMOWA MAGISTERSKA

Dyplomant: Arkadiusz Adolph

Obrona pracy: data ..................................... ocena: ......................................

Egzamin dyplomowy: data ..................................... ocena: ......................................

TEMAT:

Przetwornica DC-DC z dzielonym dławikiem na wyjściu

ZAKRES:

1. Klasyfikacja impulsowych przekształtników napięcia stałego;

2. Analiza topologii układów przetwornic;

3. Właściwości wybranej topologii;

4. Badania symulacyjne oraz eksperymentalne.

Opiekun pracy Kierownik Katedry

prof. dr hab. inż. Zbigniew Krzemiński dr hab. inż. Piotr Chrzan

.............................................. ........................................

GDAŃSK, 2003

Studium: Dzienne
Kierunek: Elektrotechnika
Specjalność: NEiE

3

SPIS TREŚCI

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ ................................................................................. 5

1. Wstęp..................................................................................................................................... 6

2. Ogólna klasyfikacja przekształtników .................................................................................. 7

3. Klasyfikacja impulsowych przekształtników napięcia stałego na napięcie stałe.................. 9

3.1. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie ................................................................. 9
3.2. Przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie ........................................................ 11
3.3. Przekształtnik DC/DC obniżająco-podwyższający napięcie...................................... 12
3.4. Przekształtniki DC/DC wielokwadrantowe ............................................................... 13
3.5. Izolowane

przekształtniki DC/DC asymetryczne ...................................................... 13

3.5.1.

Przetwornica jednotaktowa (typu forward)........................................................ 13

3.5.2. Przekształtnik typu flyback ................................................................................ 15

3.6. Izolowane

przekształtniki DC/DC symetryczne ........................................................ 18

3.6.1. Przekształtnik typu PUSH-PULL....................................................................... 18
3.6.2. Przekształtnik półmostkowy .............................................................................. 19
3.6.3. Przekształtnik mostkowy.................................................................................... 21

4. Analiza

topologii

układów przetwornic .............................................................................. 22

4.1. Porównanie

poszczególnych

topologii....................................................................... 22

4.2.

Wybór topologii układu ............................................................................................. 25

5. Właściwości wybranej topologii ......................................................................................... 26

5.1. Układ klasycznego przekształtnika mostkowego....................................................... 26
5.2. Układ przekształtnika mostkowego z dzielonym dławikiem..................................... 29
5.3. Układ ogranicznika przepięć...................................................................................... 30

6. Badania

symulacyjne........................................................................................................... 35

6.1. Symulacja

klasycznego

układu przekształtnika mostkowego.................................... 36

6.2. Symulacja

układu ze zmodyfikowanym dławikiem................................................... 40

7. Badania

eksperymentalne.................................................................................................... 45

7.1.

Realizacja praktyczna układu przetwornicy............................................................... 45

7.1.1. Transformator

planarny...................................................................................... 46

7.1.2. Układ sterowania i regulacji przetwornicy......................................................... 48

7.2. Stanowisko

badawcze ................................................................................................ 49

7.3. Wyniki

badań eksperymentalnych ............................................................................. 51

7.3.1. Klasyczny

układ przekształtnika mostkowego z kondensatorem

symetryzującym ................................................................................................................. 51

8. Podsumowanie .................................................................................................................... 56

Literatura .................................................................................................................................... 57

Załącznik A: Schemat układu symulacyjnego przetwornicy mostkowej................................... 58

Załącznik B: Schemat układu symulacyjnego przetwornicy mostkowej z dzielonym dławikiem

i obwodem snubber’owym ......................................................................................................... 59

Załącznik C: Obliczenia transformatora, Listing z programu MATHCAD.............................. 60

Załącznik D: Obliczenia dławika. Listing z programu MATHCAD ......................................... 64

4

Załącznik E: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka części wysokonapięciowej. ................ 66

Załącznik F: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka filtru pojemnościowego...................... 67

Załącznik G: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka tyrystorowego ogranicznika prądu

ładowania kondensatorów. ......................................................................................................... 68

Załącznik H: Schemat przetwornicy. Układ sterowania. ........................................................... 69

5

WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

GATE1...4

-

sygnał sterujący łącznikiem S1,...,S4

I

o

-

prąd w obciążeniu

I

D1

, ... ,I

D7

-

prąd w diodzie D1,...,D7

I

L1

, I

L2

- prąd w cewce L1, L2 dławika

I

S1

, I

S2

, I

S3

, I

S4

- prąd przewodzenia łącznika S1, S2, S3, S4

I

Tr1

-

prąd uzwojenia pierwotnego transformatora

n

1

, n

2

- ilości zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego

t

p

- czas trwania impulsu sterującego łącznikiem

T

i

- okres impulsowania

U

o

-

napięcie wyjściowe przekształtnika (na obciążeniu)

U

d

-

napięcie wejściowe DC

U

S1

, ... ,U

S4

- spadek napięcia na łączniku S1,...,S4

6

1. Wstęp

W ostatnich latach projektanci układów zasilających wyraźnie odchodzą od układów

zasilaczy liniowych w kierunku znacznie praktyczniejszych układów impulsowych. Zasilacze
liniowe ze względu na pracę przy częstotliwości 50/60Hz posiadają transformator sieciowy
o znacznych rozmiarach i ciężarze. W układach impulsowych transformator pracuje przy
częstotliwościach do 20kHz do nawet 1MHz, przez co jego wymiary mogą być znacznie
zredukowane. Dodatkowo w zasilaczach liniowych regulator szeregowy powoduje znaczne
straty mocy, przez co uzyskiwana sprawność jest rzędu 30%. Dla porównania sprawność
uzyskiwana w układach impulsowych sięga 70 do 90%. Pozwala to na ograniczenie
wymiarów poprzez stosowanie mniejszych radiatorów.

Celem pracy jest sprawdzenie koncepcji, wybór struktury oraz realizacja

tranzystorowego impulsowego zasilacza o mocy wyjściowej 1000W. Jako dodatkowe
wymaganie stawiane przetwornicy przyjęto konieczność izolacji galwanicznej między
wejściem a wyjściem układu, a także zabezpieczenie zwarciowe i przeciążeniowe.

W ramach niniejszej pracy przedstawiono układ przekształtnika mostkowego oraz

przeanalizowano wpływ zastosowania dławika dzielonego na jego parametry. Pomimo, że
podstawowe topologie układów impulsowych są dość dobrze znane, często poprzez
niewielkie ich modyfikacje można poprawić jeszcze ich parametry. Jedną z takich możliwych
modyfikacji jest analizowane w tej pracy zastosowanie w układzie przekształtnika
mostkowego specjalnej konstrukcji dławika wyjściowego, która zmniejsza narażenie
elementów przełączających, a także obniża straty w transformatorze.

W zbudowanym modelu zastosowano transformator planarny. Technologia planarna

pozwala na uzyskanie małych rozmiarów transformatora, niskiej indukcyjności rozproszenia a
także powtarzalnych parametrów. Możliwość wykonywania uzwojeń w postaci obwodów
drukowanych jest wyjątkowo korzystna szczególnie przy wykonaniach małoseryjnych, gdzie
pozwala na eliminację błędów powodowanych nieprawidłowym nawinięciem uzwojenia na
rdzeniu toroidalnym. W prototypie uzwojenia transformatora wykonano z taśmy miedzianej.
Takie wykonanie w transformatorach dużej mocy i częstotliwości jest rozwiązaniem znacznie
tańszym, oraz pozwala w razie potrzeby na łatwą korektę ilości uzwojeń.

Do sterowania przekształtnikiem użyto układu SG3525A, będącego modulatorem

PWM. Zaimplementowano zabezpieczenia nadprądowe przekształtnika oraz kontrolę napięcia
pośredniczącego DC. Przetwornica jest zabezpieczona przed zwarciem na jej wyjściu.
Dodatkowo wprowadzono kontrolę temperatury radiatora. Przetwornica posiada pełną
izolację galwaniczną pomiędzy siecią zasilającą a jej wyjściem.

Jako elementy przełączające zastosowano tranzystory IGBT o małej wartości napięcia

U

CE sat

zapewniające niskie straty mocy w stanie ich przewodzenia. Do ich sterowania użyto

driverów zbudowanych w oparciu o transformatory sterujące nawijane na rdzeniach
toroidalnych.

Rozważania teoretyczne, przedstawione w niniejszej pracy, poparto wynikami

symulacji cyfrowych otrzymanych w programie symulacyjnym Linear Technology LTC
SwitcherCAD™ III. Wyniki symulacyjne zostały skonfrontowane z danymi pomiarowymi,
otrzymanymi podczas badań eksperymentalnych działania modelu przetwornicy.

7

2. Ogólna klasyfikacja przekształtników

Przekształtnik jest to urządzenie energoelektroniczne, którego zadaniem jest

dopasowanie czasowo-przestrzenne wartości i kształtu przebiegów wielkości elektrycznych
źródła energii elektrycznej do optymalnej realizacji procesu jej użytkowania. Zadanie to
realizuje przekształtnik poprzez regulację przepływu energii oraz jej przekształcenie. Na
Rys. 2.1 przedstawiono ogólny schemat działania przekształtnika.

U ,f ,m

2 2

2

U ,f ,m

1 1

1

Rys. 2.1 Rola przekształtnika energoelektronicznego

W zależności od aplikacji energoelektronika dostarcza różnorodnych topologii

układów, które można podzielić na cztery kategorie: DC/DC, DC/AC, AC/DC, AC/AC.
Oznaczenia tych kategorii pochodzą od skrótów z języka angielskiego DC = direct current,
AC = alternating current i oznaczają jaki rodzaj przekształcenia energii następuje
w przekształtniku. Odpowiadające tym kategoriom bloki funkcjonalne przedstawiono na
Rys. 2.2.

a) b) c) d)

Rys. 2.2 Symbole bloków funkcjonalnych przekształtników:

a) przekształtnik prądu stałego na prąd stały [DC/DC converter]

b) przekształtnik prądu stałego na prąd przemienny – falownik [DC/AC converter]

c) przekształtnik prądu przemiennego na prąd stały – prostownik [AC/DC converter]

d) przekształtnik prądu przemiennego na prąd przemienny – przemiennik częstotliwości, cyklokonwerter

[AC/AC converter]

Możliwe jest tworzenie przekształtników złożonych poprzez połączenie kilku

podstawowych układów. Na przykład przekształtnik AC/DC można wykonać jako połączenie
przekształtnika AC/DC (prostownik) z regulowaną przetwornicą DC/DC dla dopasowania
poziomu napięcia wyjściowego (Rys. 2.3). Taką koncepcje wykorzystano w niniejszej pracy.

8

Rys. 2.3 Przekształtnik AC/DC z regulacją napięcia wyjściowego złożony z nieregulowanego bloku AC/DC

i z regulowanego bloku DC/DC

Zaletą przyjętej koncepcji jest brak synchronizacji z siecią dzięki zastosowaniu

prostownika niesterowanego, a także dokładniejsza regulacja napięcia wyjściowego.
Koncepcja ta jest również korzystna ze względu na spełnienie wymogu izolacji galwanicznej
pomiędzy stroną pierwotną a wtórną przetwornicy. Uzyskanie separacji przy układzie
jednostopniowego przekształtnika AC/DC wymagałoby zastosowania transformatora
sieciowego, który przy mocy 1000VA miałby znaczące rozmiary i dużą masę.

9

3. Klasyfikacja impulsowych przekształtników napięcia

stałego na napięcie stałe

Przekształtniki DC/DC można podzielić na podstawowe dwie grupy w zależności od

występowania lub braku izolacji galwanicznej pomiędzy wejściem a wyjściem przetwornicy.
Pierwszą grupę stanowią przekształtniki nieizolowane (non-isolated switching regulators) bez
transformatora pośredniczącego, wśród których wyróżniamy podgrupy:

• przekształtniki obniżające napięcie;

• przekształtniki podwyższające napięcie;
• przekształtniki obniżająco-podwyższające napięcie;

• przekształtniki wielokwadrantowe.
Podział przekształtników prądu stałego na prąd stały przedstawiono schematycznie na

diagramie poniżej (Rys. 3.1).

Przekształtniki DC/DC

Nieizolowane

Izolowane

Obniżające

napięcie

down converters,

buck converters

Podwyższające

napięcie

up converters

boost converters

Obniżająco-

podwyższające

napięcie

up/down converters

buck-boost converters

Wielokwadrantowe

mult-quadrant

converters

Przetwornice

jednotaktowe

forward converters

Przetwornice

dwutaktowe

flyback converters

Przetwornice

typu

PUSH-PULL

Przetwornice
półmostkowe

half-bridge

Z jednym

kluczem

Z dwoma

kluczami

Asymetryczne

Symetryczne

Przetwornice

mostkowe

full-bridge

Z jednym

kluczem

Z dwoma

kluczami

Rys. 3.1 Klasyfikacja przekształtników DC/DC

3.1. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie

Najliczniejszą podgrupę spośród przekształtników nieizolowanych stanowią
przekształtniki obniżające napięcie zwane też okresowymi przerywaczami napięcia stałego
(z ang. down converters, buck converters). Przekształcają one napięcie stałe na napięcie
jednokierunkowe o regulowanej wartości średniej mniejszej lub co najwyżej równej wartości
napięcia wejściowego. Na Rys.

3.2 przedstawiono schemat klasycznego układu

przekształtnika „BUCK”. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia rysunek
Rys. 3.3

10

D1

L1

C1

S1

Rys. 3.2 Przekształtnik obniżający napięcie (buck converter)

U

d

∆

Rys. 3.3 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia.

Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.1).

p

o

d

d p

i

t

U

U

U t f

T

=

=

(3.1)

Natomiast prąd odbiornika RLE (przy założeniu że jest to prąd ciągły) oblicza się ze

wzoru (3.2), a tętnienia ze wzoru (3.3).

p

d

o

i

o

o

t

U

E

T

I

R

−

=

(3.2)

p w

d

o

o

i

t t

U

I

L T

∆ =

(3.3)

11

3.2. Przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie

Kolejną podgrupę przekształtników jaką należy wyróżnić stanowią przekształtniki
podwyższające napięcie stałe (z ang. up converters, boost converters). Przekształcają one
napięcie stałe na napięcie jednokierunkowe o regulowanej wartości średniej większej lub co
najmniej równej wartości napięcia wejściowego. Rysunek Rys. 3.4 przedstawia schemat
układu przekształtnika „BOOST”. Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia
rysunek Rys. 3.5.

D1

L1

C1

S1

Rys. 3.4 Przekształtnik podwyższający napięcie (boost converter)

U

o

∆

Rys. 3.5 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia

Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.4).

1

p

o

d

i

t

U

U

T





=

−









(3.4)

Natomiast wartości graniczne prądu odbiornika RLE z uwzględnieniem tętnień

oblicza się ze wzoru (3.5) i (3.6)

1

1

1

w

i

t

o

d

o

T

o

o

E

U

e

I

R

R

e

τ

τ

−

−

−

=

−

−

(3.5)

12

2

1

1

w

i

t

o

d

o

T

o

o

E

U e

I

R

R

e

τ

τ

−

=

−

−

(3.6)

3.3. Przekształtnik DC/DC obniżająco-podwyższający napięcie

Na Rys.

3.6 przedstawiono przekształtnik którego wartość średnia napięcia

wyjściowego może osiągać wartości zarówno mniejsze, jak i większe od napięcia
wejściowego, bez konieczności zmiany konfiguracji układu. Przekształtnik taki nazywamy
obniżająco-podwyższajacym (z ang. up/down converter, buck-boost converter).

D1

L1

C1

S1

Rys. 3.6 Przekształtnik obniżająco-podwyższający napięcie (buck-boost converter)

Podstawowym elementem pośredniczącym w przekazywaniu energii między

obwodem wejściowym a wyjściowym jest dławik L1. Przy załączonym łączniku S1 dławik
jest podłączony do zacisków źródła zasilania U

d

. Prąd zwiększa się liniowo w czasie,

wywołując zwiększenie energii zmagazynowanej w dławiku. Dioda D1w tym czasie nie
przewodzi zapobiegając rozładowywaniu się kondensatora C1. Po wyłączeniu łącznika S1
prąd wymuszany przez dławik płynie w obwodzie zawierającym diodę D1 i odbiornik.
Podstawowe przebiegi dla tego układu przedstawia rysunek Rys. 3.7

U

d

∆

U

o

+

Rys. 3.7 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia.

13

Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.7).

1

p

p

i

o

d

d

p

w

i

t

t

T

U

U

U

t

t

T

= −

= −

−

(3.7)

Dla t

p

<0.5T

i

układ obniża napięcie

U

o

<U

d

a dla t

p

>0.5T

i

napięcie jest podnoszone

U

o

>U

d

.

3.4. Przekształtniki DC/DC wielokwadrantowe

Przedstawione

powyżej przekształtniki charakteryzowały się tym, że energia w nich

była przekazywana tylko w jedną stronę, czyli pomiędzy źródłem zasilania a odbiornikiem.
Jednak często zachodzi konieczność przekazywania energii w obie strony bez dokonywania
zmian połączeń w obwodzie głównym przekształtnika. Przekształtnik taki musi być zdolny
także do przyjmowania energii. Wyróżniamy następujące rozwiązania przekształtników
wielokwadrantowych (z ang. multi-quadrant converters):

- układy umożliwiające zmianę kierunku prądu odbiornika przy zachowaniu stałej

polaryzacji napięcia - praca w I i II kwadrancie płaszczyzny (I

o,

U

o

).

-

układy umożliwiające zmianę polaryzacji napięcia przy niezmieniającym się kierunku
prądu w odbiorniku - praca w I i IV kwadrancie płaszczyzny (I

o,

U

o

).

-

układy umożliwiające zmianę zarówno kierunku prądu odbiornika jak i polaryzacji
napięcia - praca we wszystkich czterech kwadrantach płaszczyzny (I

o,

U

o

).

Druga istotna grupa przekształtników to przekształtniki z izolacją pomiędzy wejściem

a wyjściem, zrealizowaną poprzez zastosowanie transformatorów pośredniczących.

3.5. Izolowane przekształtniki DC/DC asymetryczne

3.5.1. Przetwornica jednotaktowa (typu forward)

Asymetryczny

przekształtnik (typu forward) z pojedynczym łącznikiem

przedstawiony został na Rys. 3.8. Natomiast na Rys. 3.10 przedstawiono przekształtnik z
dwoma łącznikami. Są to układy przetwornic jednotaktowych z transformatorem nie
magazynującym energii. Przebiegi dla przetwornicy typu forward z pojedynczym łącznikiem
przedstawiano na Rys. 3.9 a z podwójnym łącznikiem na Rys. 3.11.

14

D1

L1

C1

S1

Tr1

D2

D3

Rys. 3.8 Przekształtnik typu forward z pojedynczym łącznikiem

W przetwornicach jednotaktowych w czasie przewodzenia łącznika energia jest

pobierana ze źródła i poprzez transformator przekazywana do obciążenia. W układzie na
Rys. 3.8 przy załączonym łączniku S1, dioda D1 przewodzi a dioda D2 jest spolaryzowana
zaporowo. Energia jest przekazywana przez transformator do obciążenia. Jest ona
magazynowana w dławiku, którego prąd rośnie liniowo. Po wyłączeniu tranzystora prąd
magnesujący transformatora i strumień zmniejszają się indukując w uzwojeniu
rozmagnesowującym napięcie polaryzujące diodę D3 w kierunku przewodzenia.
Przepływający prąd magnesujący zwraca energię do źródła. Prąd odbiornika w tym czasie
zamyka się poprzez diodę D2. Energia zmagazynowana w dławiku jest przekazywana do
obciążenia.

I

mag

Rys. 3.9 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia (przekształtnik typu forward z jednym łącznikiem)

W każdym cyklu pracy przekształtnika musi nastąpić całkowite rozmagnesowanie

rdzenia transformatora, gdyż w przeciwnym wypadku rdzeń uległby nasyceniu.

Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.8).

p

o

d

i

t

U

n U

T

= ⋅

(3.8)

15

Poniższy rysunek przedstawia schemat przetwornicy jednotaktowej obniżającej
napięcie z dwoma łącznikami sterującymi.

D1

L1

C1

D2

S1

Tr1

D3

D4

S2

Rys. 3.10 Przekształtnik typu forward z dwoma łącznikami

Działanie tego przekształtnika jest identyczne z działaniem układu z jednym
łącznikiem. Zawory S1 i S2 są włączane i wyłączane jednocześnie , a funkcję
rozmagnesowującą pełnią diody D3 i D4.

I

mag

Rys. 3.11 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia (przekształtnik forward z dwoma łącznikami)

3.5.2. Przekształtnik typu flyback

Asymetryczny

przekształtnik typu flyback z pojedynczym łącznikiem przedstawiony

został na Rys. 3.12. Natomiast na Rys. 3.15 przedstawiono przekształtnik typu flyback
z dwoma łącznikami. Są to układy przetwornic dwutaktowych z transformatorem
magazynującym energię. Układy te posiadają dwa tryby pracy w których transformator jest
całkowicie odmagnetyzowany (z ang. discontinuous mode) lub niecałkowicie (z ang.
continuous mode). Przebiegi dla obu trybów pracy przedstawiano na Rys. 3.13 i Rys. 3.14.

16

D1

L1

C1

S1

Tr1

Rys. 3.12 Przekształtnik typu flyback z pojedynczym łącznikiem

W

układzie przetwornicy dwutaktowej z jednym łącznikiem, podczas przewodzenia

tego łącznika energia pobierana jest ze źródła U

d

i magazynowana w rdzeniu transformatora.

W tym czasie dioda D1 jest spolaryzowana zaporowo. Prąd uzwojenia wtórnego
transformatora jest równy zeru, a odbiornik pobiera energię z kondensatora C1. W chwili
wyłączenia łącznika S1 następuje przerwanie prądu pierwotnego transformatora i
zaindukowanie w uzwojeniu wtórnym napięcia polaryzującego diodę D1 w kierunku
przewodzenia. Energia zgromadzona w transformatorze jest przekazywana do kondensatora
C1 i odbiornika.

2

1

1

o

d

n

a

U

U

a n

=

-

1

2

d

o

n

U

U

n

+

Rys. 3.13 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia dla trybu przerywanego

17

2

1

1

o

d

n

a

U

U

a n

=

-

1

2

d

o

n

U

U

n

+

Rys. 3.14 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia dla trybu ciągłego

Wartość średnią napięcia odbiornika określa się ze wzoru (3.9), zatem jest to układ
obniżająco-podwyższający napięcie.

1

p

i

o

d

p

i

t
T

U

n U

t
T

= ⋅

−

(3.9)

Indukcyjność rozproszenia uzwojeń transformatora ma w tym układzie niekorzystny
wpływ na warunki pracy łącznika tranzystorowego przy jego wyłączaniu. W chwili
przerwania prądu pierwotnego transformatora indukuje się przepięcie przekraczające 2U

d

.

Na Rys. 3.15 przedstawiono schemat przetwornicy dwutaktowej z dwoma łącznikami.

D1

C1

S1

Tr1

D3

D4

S2

Rys. 3.15 Przekształtnik flyback z dwoma łącznikami

Działanie układu jest identyczne do przetwornicy z jednym łącznikiem. Diody D3 i
D4 pełnią funkcję rozmagnesowującą, jednocześnie ograniczając wartość napięcia
tranzystorów do wartości U

d

. W układzie tym oba łączniki są włączane i wyłączane

równocześnie. Odpowiednie przebiegi pokazano na Rys. 3.16 Podstawowe przebiegi w
układzie z dwoma tranzystorami

W obu przypadkach rdzeń transformatora jest magnesowany jednokierunkowo. Stąd

też, w celu uniknięcia nasycenia, rdzeń musi mieć odpowiednio duży przekrój. Niezbędna jest
także szczelina powietrzna.

18

1

d

2

n

-

U

n

Rys. 3.16 Podstawowe przebiegi w układzie z dwoma tranzystorami

3.6. Izolowane przekształtniki DC/DC symetryczne

Przekształtniki symetryczne wykorzystujące zawsze parzystą ilość łączników
charakteryzują się lepszym wykorzystaniem magnetycznym transformatora. Porównanie
wykorzystania rdzenia przedstawiono na Rys.

4.2. Dzięki lepszemu wykorzystaniu

magnetycznemu transformatory w tych przekształtnikach są mniejsze i lżejsze od tych
stosowanych w przekształtników asymetrycznych tej samej mocy. Najczęściej stosowane są
trzy struktury symetryczne:

- push-pull
- układ półmostkowy
- układ mostkowy

3.6.1. Przekształtnik typu PUSH-PULL

Konwerter przeciwsobny typu PUSH-PULL, którego transformator posiada

dwusekcyjne uzwojenie pierwotne, przedstawiono na Rys. 3.17. Podstawowe przebiegi dla
tego układu przedstawia Rys. 3.18.

D1

D2

Tr1

D5

D6

L1

C1

Ud

S1

S2

Rys. 3.17 Przekształtnik typu push-pull

19

Każda z sekcji tego transformatora jest dołączana za pomocą łączników S1 i S2 do

zacisków napięcia zasilającego. W tym czasie energia jest przekazywana za pośrednictwem
transformatora i diody prostowniczej D5 lub D6 do obwodu odbiornika. Prąd płynący przez tą
diodę zwiększa energię dławika L1, która po wyłączeniu tranzystorów jest przekazywana do
obciążenia. Zatem zadaniem dławika jest chwilowe magazynowanie energii oraz filtrowanie
napięcia i prądu odbiornika.

Rys. 3.18 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia

W czasie wyłączenie łączników prąd płynie przez obie sekcje uzwojenia wtórnego

transformatora oraz obie diody D5 i D6. Wartość średnia napięcia wyjściowego jest określona
wzorem (3.10), zatem jest to układ obniżający napięcie.

2

p

o

d

i

t

U

n U

T

=

⋅

(3.10)

3.6.2. Przekształtnik półmostkowy

Kolejny przekształtnik półmostkowy (z ang. half-bridge), którego układ tworzą:

transformator posiadający pojedyncze uzwojenie pierwotne i dzielone uzwojenie wtórne, dwa
łączniki tworzące połowę mostka oraz dwa kondensatory spełniające role dwóch pozostałych
gałęzi mostka, przedstawiono na Rys. 3.19.

20

Tr1

D5

D6

L1

C1

T1

D1

T2

D2

Ud

C2

C3

Rys. 3.19 Przekształtnik półmostkowy (half-bridge)

Przedstawiony na Rys.

3.19 przekształtnik półmostkowy należy do układów

jednotaktowych, gdyż energia poprzez transformator przekazywana jest podczas
przewodzenia jednego z łączników T1 lub T2. Kondensatory elektrolityczne C2 i C3 dzielą
napięcie zasilania U

d

na dwa równe napięcia U

d

/2, które w stanach przewodzenia

poszczególnych łączników jest doprowadzane do uzwojenia pierwotnego transformatora.
Wymusza to po stronie wtórnej zwiększenie prądu dławika L1. W stanie wyłączenia
łączników prąd płynie w obwodzie zawierającym oba uzwojenia wtórne transformatora oraz
diody prostownicze D5 i D6, zmniejszając energie dławika. Podstawowe przebiegi dla tego
układu przedstawia Rys. 3.20.

Rys. 3.20 Podstawowe przebiegi prądów i napięcia

21

Wartość średnia napięcia wyjściowego jest określona wzorem , zatem jest to również

układ obniżający napięcie.

p

o

d

i

t

U

n U

T

= ⋅

(3.11)

3.6.3. Przekształtnik mostkowy

Na Rys. 3.21 przedstawiono układ przekształtnika mostkowego. Transformator w tym

układzie również posiada tylko pojedyncze uzwojenie pierwotne ale sterowane poprzez cztery
łączniki w gałęziach pełnego mostka (z ang. full-bridge).

Tr1

D5

D6

L1

C1

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Ud

Rys. 3.21 Przekształtnik mostkowy (full-bridge)

Układ mostkowy zostanie dokładnie omówiony w rozdziale 5. Również tam znajdą się

odpowiednie przebiegi (Rys.

5.1). Działanie układu jest analogiczne do układu

półmostkowego z tą różnicą, że mostek tworzą cztery łączniki. Z uwagi na fakt, że energia
jest doprowadzana do obwodu odbiornika w czasie przewodzenia łączników, przekształtnik
mostkowy zalicza się również do układów jednotaktowych, umożliwiających regulację
napięcia od zera do nU

d

(układ obniżający napięcie).

22

4. Analiza topologii układów przetwornic

4.1. Porównanie poszczególnych topologii

Każdy z układów omówionych w rozdziale 3 charakteryzuje się pewnymi stratami
występującymi w aktywnych łącznikach, diodach prostownika oraz stratami magnetycznymi
i w układach sterowania. W tabeli Tabela 4.1 przedstawiono zestawienie estymowanej
sprawności oraz strat, natomiast w tabeli Tabela 4.2 zebrano istotne parametry napięć
i prądów elementów mocy.

Procentowy udział w ogólnych stratach

Rodzaj

łączników

Ogólna

sprawność Łączniki Prostownik Magnetyczne Inne

Topologia

układu

IGBT MOS

%

%

%

%

%

Buck X 72 42 48

5 5

X

76

35

55 5 5

Boost X 74 55 35

5

5

X

77

48

42 5 5

Buck-boost X

74

55

35

5

5

X

77

48

42 5 5

Flyback X 75 44 46

5

5

X

78

33

57 5 5

Forward X 74 44 46

5

5

X

77

33

57 5 5

Push-pull X 69 50 40

5

5

X

72

40

50 5 5

Half-bridge X

69

48

42

5

5

X

72

40

50 5 5

Full-bridge X

65

50

40

5

5

X

70

40

50 5 5

Tabela 4.1 Estymowana sprawność i straty dla poszczególnych topologii

23

W

przekształtnikach w zależności od topologii układu występują różne narażenia dla

aktywnych elementów mocy. Najwyższe wartości napięć kolektor-emiter lub dren-źródło
występują w układach typu forward i push-pull. W związku z tym konieczne jest stosowanie
w tych układach drogich tranzystorów wysokonapięciowych. Wadą układów typu half-bridge
jest konieczność stosowania w gałęziach mostka dużych, drogich kondensatorów nisko-
impedancyjnych ze względu na płynące przez nie duże prądy.

IGBT MOS

Prostownik

Topologia

układu

V

CE0

I

C

V

DSS

I

D

V

R

I

F

Buck

in

V

out

I

in

V

out

I

in

V

out

I

Boost

out

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

out

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

out

V

out

I

Buck-boost

in

out

V

V

−

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

in

out

V

V

−

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

in

out

V

V

−

out

I

Flyback

(

)

max

1.7

in

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

(

)

max

1.5

in

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

5.0

out

V

out

I

Forward

2.0

in

V

(

)

(

)

min

1.5

out

in

P

V

2.0

in

V

(

)

(

)

min

1.5

out

in

P

V

3.0

out

V

out

I

Push-pull

2.0

in

V

(

)

(

)

min

1.2

out

in

P

V

2.0

in

V

(

)

(

)

min

1.2

out

in

P

V

2.0

out

V

out

I

Half-bridge

in

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

in

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

2.0

out

V

out

I

Full-bridge

in

V

(

)

(

)

min

1.2

out

in

P

V

in

V

(

)

(

)

min

2.0

out

in

P

V

2.0

out

V

out

I

Tabela 4.2 Parametry graniczne napięć i prądów elementów mocy

Ze względów ekonomiczno-technicznych zastosowanie odpowiedniej topologii układu

jest zależne od wymaganej obciążalności przekształtnika oraz od napięcia wejściowego
przetwornicy. Obszary zastosowania poszczególnych topologii w zależności od wymaganej
mocy wyjściowej, zakresu napięcia wejściowego oraz wymogu izolacji pomiędzy wejściem
a wyjściem przedstawiono w tabeli Tabela 4.3.

24

Zakres mocy

V

IN

(DC) Izolacja

Topologia

układu

W

V

In/Out

Buck 0-1000

5.0-1000

NIE

Boost 0-150

5.0-600

NIE

Buck-boost 0-150

5.0-600

NIE

Flyback 0-250

5.0-500

TAK

Forward 0-150

5.0-600

TAK

Push-pull 100-1000

50-1000

TAK

Half-bridge 100-500

50-1000

TAK

Full-bridge 400-2000+

50-1000

TAK

Tabela 4.3 Zestawienie zakresu mocy i napięcia wejściowego

Zakres

stosowalności poszczególnych topologii można przedstawić na diagramie

zamieszczonym poniżej (Rys. 4.1).

1000

100

10

10

1000

Przekształtniki półmostkowe

Przetwornice

jedno-

i

dwutaktowe

Przekształtniki
mostkowe

Zbyt wysoka

wartość szczytowa

impulsów

prądowych

Na

p

ię

ci

e w

ej

ścio

w

e D

C

[V

]

Moc wyjściowa [W]

Rys. 4.1 Obszar zastosowania poszczególnych topologii

25

Duże znaczenie przy wyborze topologii układu przekształtnika ma również
wykorzystanie magnetyczne rdzenia transformatora. Stąd też znacznie korzystniejsze jest
stosowanie w układach dużych mocy struktur symetrycznych typu push-pull, half-bridge lub
full-bridge. Na Rys. 4.2 przedstawiono krzywe magnesowania transformatora dla różnych
topologii przekształtnika.

B

H

Bs

2Bs

przekształtniki

symetryczne

przekształtniki

asymetryczne

forward

flyback

push-pull, half-bridge, full-bridge

Rys. 4.2 Porównanie wykorzystania magnetycznego rdzenia transformatora

4.2. Wybór topologii układu

Ze

względu na wymaganą moc przetwornicy oraz wymagane parametry takie jak

izolacja pomiędzy wejściem a wyjściem zastosowane mogły być tylko układy typu push-pull,
half-bridge oraz full-bridge. Ponieważ przetwornica będzie zasilana z sieci elektrycznej 230V
zastosowanie układu push-pull byłoby związane z koniecznością stosowania
wysokonapięciowych tranzystorów. Przy mocy 1kVA również kłopotliwe byłoby
zastosowanie układu pół-mostkowego ze względu na konieczność dobrania kondensatorów na
wysokie napięcie i duży prąd o niskim. Powyższe względy zadecydowały o przyjęciu
topologii pełno-mostkowej, którą następnie zmodyfikowano dodając specjalny dławik
wyjściowy.

26

5. Właściwości wybranej topologii

5.1. Układ klasycznego przekształtnika mostkowego

Przekształtnik mostkowy, którego schemat pokazano na Rys. 5.1 składa się z czterech
łączników, transformatora z

dzielonym uzwojeniem wtórnym oraz dwupołówkowego

prostownika i filtru wyjściowego LC. Konwerter jest sterowany trójstanowym sygnałem
PWM. Najważniejsze przebiegi napięć i prądów przedstawione są na Rys. 5.2. Przekształtnik
mostkowy należy do układów, w których transformator przekazuje energię do obwodu
obciążenia w przedziałach czasu gdy przewodzą tranzystory, jest więc układem
jednotaktowym.

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

C1

Robc

Ud

Rys. 5.1 Schemat klasycznego układu przekształtnika mostkowego.

Konwerter posiada cztery cykle pracy. W cyklu pierwszym przewodzi para

tranzystorów T1 i T4. W tym czasie dioda D6 jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia
i płynie przez nią prąd i

o

zwiększający energię dławika L1, która po wyłączeniu tranzystorów

jest przekazywana do odbiornika. Natomiast dioda D5 pozostaje w tym czasie spolaryzowana
w kierunku zaporowym i nie przewodzi. Zadaniem dławika jest chwilowe magazynowanie
energii oraz filtrowanie napięcia i prądu odbiornika. W drugim cyklu wszystkie łączniki są
wyłączone, a prąd odbiornika płynie w obwodzie zawierającym dwie sekcje uzwojenia
wtórnego transformatora oraz diody D5 i D6, przez które płynie również zanikający prąd
magnesujący rdzeń transformatora. W trakcie trzeciego cyklu, gdy przewodzą tranzystory T2
i T3, dioda D5 zostaje spolaryzowana w kierunku przewodzenia i płynie przez nią prąd
obciążenia. Cykl ostatni jest identyczny jak cykl drugi. W trakcie tego cyklu wszystkie
łączniki są wyłączone, a prąd płynie przez diody D5 i D6 oraz dwie sekcje uzwojenia
wtórnego transformatora. Prądy płynące przez diody D5 i D6 są proporcjonalne do liczby
amperozwojów uzwojeń wtórnych transformatora. Asymetria prądów płynących przez diody
powoduje asymetrię prądu magnesującego rdzeń i prowadzi do nasycenia rdzenia
transformatora.

27

Podstawowe przebiegi napięć i prądów w przekształtniku przedstawiono na Rys. 5.2.

Rys. 5.2 Podstawowe przebiegi napięć i prądów w przekształtniku mostkowym.

W celu uniknięcia przepięć powstających na indukcyjności rozproszenia uzwojenia

pierwotnego, stosuje się diody D1 do D4, włączone odwrotnie równolegle do tranzystorów.

Na Rys. 5.3 przedstawiono charakterystyki magnesowania rdzenia dla warunku

optymalnego a) oraz przy nasyceniu dodatnim b) i ujemnym c).

28

Rys. 5.3 Charakterystyki magnesowania (B-H)

a) charakterystyka idealna

b) dodatnie nasycenie rdzenia

c) ujemne nasycenie rdzenia.

Kolejną przyczyną nasycania się rdzenia jest pojawienie się składowej stałej prądu

magnesującego transformatora lub strumienia transformatora. Mogą się one pojawić
w wyniku braku symetrii sterowania tranzystorów, przy różnicach w czasach przełączania
tranzystorów lub też różnych spadkach napięć przewodzenia tranzystorów. Skutecznym
sposobem eliminacji składowej stałej jest zastosowanie kondensatora symetryzującego C2,
włączonego szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora jak na Rys. 5.4. Pojemność
kondensatora powinna być tak dobrana, aby napięcie na nim było zawarte w granicach (0.05
÷ 0.1) U

d

.

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

C1

Robc

Ud

C2

Rys. 5.4 Układ przekształtnika mostkowego z kondensatorem symetryzującym.

29

5.2. Układ przekształtnika mostkowego z dzielonym dławikiem

W klasycznym przekształtniku mostkowym, gdy wszystkie tranzystory są wyłączone

na skutek asymetrii prądów płynących przez diody D5 i D6 (a tym samym przez obie części
uzwojenia wtórnego transformatora Tr1) może dochodzić do zjawiska nasycania rdzenia
opisanego w podrozdziale 5.1. Aby tego uniknąć można stosować układy kompensacji tych
prądów, jednak jest to bardzo skomplikowane i nie efektywne. Innym rozwiązaniem jest
wprowadzenie zmiany w dławiku wyjściowym poprzez zwiększenie ilości zwojów i
wyprowadzenie odpowiedniego zaczepu. Wymagana ilość zwojów cewki L2 jest zależna
bezpośrednio od indukcyjności rozproszenia strony wtórnej transformatora oraz od napięcia
wyjściowego. Zastosowanie opisanego wyżej dławika dzielonego zapobiega nasycaniu
transformatora, nawet przy niesymetriach w układzie lub/i sterowaniu. Dzieje się tak dlatego,
że po zastosowaniu takiego rozwiązania dławika, prąd w uzwojeniu wtórnym transformatora
spada do zera za każdym razem gdy są wyłączone wszystkie tranzystory.

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

C1

Robc

Ud

C2

L2

D7

Rys. 5.5 Układ przekształtnika mostkowego z dławikiem dzielonym (tapped inductor).

Dioda D7 przechodząc w stan przewodzenia tworzy alternatywną drogę dla prądu

komutacyjnego dławika, podczas gdy w tym samym czasie diody D5 i D6 zostają
spolaryzowane zaporowo. Dzięki temu diody przewodzą tylko podczas załączenia
odpowiedniej pary kluczy, a nie tak jak to ma miejsce w układzie klasycznym, gdzie prąd
przez te diody płynie również w czasie wyłączenia wszystkich tranzystorów. Kolejna korzyść
ze stosowania dzielonego dławika jest taka, że dodatkowo przy zastosowaniu dławika
dzielonego, w momencie gdy prąd przepływa przez diodę D7, odpowiednio dioda D5 lub D6
ma wystarczającą ilość czasu na odzyskanie własności zaworowych. Anody obu tych diod
(D5 i D6) są podłączone do środkowego odczepu dławika (lewy zacisk cewki L1 na Rys. 5.5).
Gdy wszystkie łączniki są wyłączone dławik złożony z cewek L1,L2 staje się dzielnikiem
napięcia i polaryzuje diody D5 i D6 w kierunku zaporowym. Zapobiega to przepływowi
prądów komutacyjnych przez uzwojenia wtórne transformatora i polaryzacji jego rdzenia.
Dzięki pełnemu odzyskiwaniu zdolności zaworowych przez diody D5 i D6 następuje redukcja
narażenia łączników tranzystorowych T1,...,T4.
Porównując przebieg prądu I

D5

lub I

D6

na Rys. 5.2 i na Rys. 5.6 można zauważyć prąd

ten w układzie z dławikiem dzielonym w czasie gdy nie przewodzą klucze jest równy zero

30

(przy pominięciu wpływu indukcyjności rozproszenia w przeciwnym razie szybko spada do
zera).

Rys. 5.6 Podstawowe przebiegi napięć i prądów w przekształtniku mostkowym z dławikiem dzielonym.

5.3. Układ ogranicznika przepięć

Dalsze udoskonalenie układu z podrozdziału 5.2 osiągnięto przez dodanie do niego

obwodu ogranicznika przepięć (z ang. clamp circuit, snubber) przedstawionego na Rys. 5.7.

Robc

Tr1

D5

D6

L1

C1

L2

D7

D8

D9

C3

Rys. 5.7 Układ ograniczający przepięcia.

31

Działanie układu ograniczającego przepięcia z kondensatorem C3 i diodami D8 i D9

może być opisane w sposób podany poniżej. Na rysunkach Rys.

5.8 doRys.

5.13

przedstawione zostały schematy odpowiadające pierwszym sześciu cyklom pracy
przekształtnika.
CYKL1: Gdy tranzystory T1 i T4 są jednocześnie włączane w czasie t

0

, napięcie wejściowe

U

d

jest przyłączone do uzwojenia pierwotnego transformatora Tr1. Prąd pierwotny tego

transformatora I

Tr1

narasta z nachyleniem U

d

/L

1Tr

. W przedziale czasu (t

0

~t

1

) dzięki temu, że

prąd wtórny transformatora I

Tr2

jest mniejszy od prądu obciążenia I

0

, prąd obciążenia jest

sumą prądu płynącego przez diodę D7 i uzwojenie główne (L1) dławika oraz prądu wtórnego
transformatora. Polaryzacje napięć uzwojeń dławika (głównego L1 i pomocniczego L2)
pozostają niezmienione, ponieważ prąd wyjściowy jest podtrzymywany przez obydwa
uzwojenia dławika.

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

Robc

Ud

L2

D7

D8

D9

C3

- + - +

Rys. 5.8 Cykl pierwszy pracy układu

CYKL2: Kiedy prąd wtórny transformatora osiąga wartość większą od I

0

, indukuje się

napięcie wtórne transformatora. Równocześnie prąd diody D7 przepływający przez uzwojenie
dodatkowe dławika spada do zera. Dioda D7 zostaje wyłączona, a polaryzacja pierwotnego i
wtórnego uzwojenia dławika zostaje odwrócona. W tym czasie prąd wtórny I

Tr2

zapewnia

prąd wyjściowy I

0

oraz prąd ładowania I

C3

przepływający przez kondensator C3 i uzwojenie

dodatkowe dławika L2. Gdy kondensator C3 zostanie naładowany do napięcia 2U

L2

, napięcie

uzwojenia wtórnego transformatora można wyznaczyć jako sumę następujących napięć:
napięcia blokowania na uzwojeniu pomocniczym dławika (-U

d

), napięcia kondensatora (U

c3

=

2U

d

) oraz napięcia wyjściowego U

0

. Tak więc zastosowany układ ogranicza przepięcia na

uzwojeniu wtórnym transformatora do wartości (U

d

+ U

0

).

32

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

Robc

Ud

L2

D7

D8

D9

C3

+ - + -

+ -

Rys. 5.9 Cykl drugi pracy układu

CYKL3: W przedziale czasu od t

2

do t

3

po całkowitym naładowaniu kondensatora C3

przekształtnik transferuje tylko moc z wejścia do obciążenia, ponieważ prąd wtórny
transformatora I

Tr2

dostarczany jest bezpośrednio do obciążenia.

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

Robc

Ud

L2

D7

D8

D9

C3

+ - + -

+ -

Rys. 5.10 Cykl trzeci pracy układu

CYKL4: Gdy w czasie t

3

zostają wyłączone tranzystory T1 i T4, prąd pierwotny

transformatora płynący przez diody zwrotne tranzystorów spada poniżej I

0

/n. Zmienia się

polaryzacja uzwojeń dławika. Zanika napięcie pierwotne i wtórne transformatora. W tym
czasie suma napięć uzwojenia pomocniczego dławika i kondensatora polaryzuje wstecznie
uzwojenie wtórne transformatora oraz diody prostownicze D5 i D6. Przy takiej polaryzacji
energia rozproszenia transformatora spada, co powoduje obniżenie prądu wtórnego
transformatora do zera. Zanika również szczątkowy prąd magnesujący transformatora I

Tr1

.

W tym czasie energia zgromadzona w kondensatorze C3 zostaje rozładowana przez
uzwojenia dławika do obciążenia!

33

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

Robc

Ud

L2

D7

D8

D9

C3

- + - +

+ -

Rys. 5.11 Cykl czwarty pracy układu

CYKL5: Na skutek spadku prądu transformatora do zera, zostaje wyłączona dioda D5, a prąd
wyjściowy zaczyna płynąć przez diodę D7 i uzwojenia dławika podtrzymując przepływ prądu
odbiornika do czasu załączenia tranzystorów T2 i T3. Jednocześnie na skutek braku
przepływu prądu, odzyskują zdolności zaworowe diody D2 i D3.

Tr1

D5

D6

L1

Robc

L2

D7

D8

D9

C3

- + - +

Rys. 5.12 Cykl piąty pracy układu

CYKL6: Po załączeniu tranzystorów w przeciwnej przekątnej (T2 i T3) następuje stan
analogiczny do cyklu 1.

34

T1

D1

T2

D2

T3

D3

T4

D4

Tr1

D5

D6

L1

Robc

Ud

L2

D7

D8

D9

C3

- + - +

Rys. 5.13 Cykl szósty pracy układu

Opis dalszych cykli pracy przekształtnika został pominięty ze względu na analogię do

przytoczonych powyżej.

35

6. Badania

symulacyjne

Badania symulacyjne działania układu przeprowadzono za pomocą programu

symulacyjnego Linear Technology LTC SwitcherCAD™ III. Jest to program opracowany
specjalnie z myślą o projektantach układów impulsowych. SwitcherCAD został opracowany
na bazie programu symulacyjnego SPICE. Ten wysoce wydajny symulator obwodów
elektrycznych został zintegrowany z nakładką graficzną do rysowania schematów, a także
procesorem graficznym pozwalającym na przedstawienie wyników w postaci wykresów
dowolnych napięć i prądów w symulowanym układzie. Pozwala to w szybki sposób
przetestować różne koncepcje układu, a także dobrać optymalne parametry. W niniejszym
rozdziale zamieszczono wyniki symulacji układu klasycznego przekształtnika mostkowego
oraz układu z dławikiem dzielonym i układem snubber’owym. W rozdziale 7 zamieszczono
wyniki eksperymentalne dla obu tych konfiguracji. Na Rys. 6.1 pokazano widok interfejsu
programu SwitcherCAD.

Rys. 6.1 Interfejs programu symulacyjnego LTC SwitcherCAD™ III

36

6.1. Symulacja klasycznego układu przekształtnika mostkowego

W programie symulacyjnym został narysowany schemat układu przetwornicy

opisanego w rozdziale 5.1. Na Rys. 6.2 przedstawiono przykładowy schemat symulowanego
układu. Dzięki bogatej bibliotece elementów symulacje można było przeprowadzić na
modelach podzespołów o parametrach zbliżonych do rzeczywistych. Pełny schemat
symulowanego układu zamieszczono w Załączniku A. Oznaczenia elementów zgodne ze
schematem zamieszczonym w tym załączniku oraz schematem poniżej.

Rys. 6.2 Schemat układu przekształtnika mostkowego w programie symulacyjnym.

Układ klasycznego przekształtnika mostkowego jest bardzo wrażliwy na niesymetrię

sterowania, jak również na różnicę parametrów tranzystorów. Aby zabezpieczyć układ przed
nasyceniem transformatora, co byłoby jednoznaczne ze zniszczeniem przetwornicy stosuje się
kondensator włączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora (Rys. 5.4).

37

Na Rys. 6.3 przedstawiono przebiegi napięcia i prądu pierwotnego transformatora

przy prawidłowym sterowaniu, a na Rys. 6.4 w przypadku niesymetrii sterowania.

Rys. 6.3 Przebieg napięcia i prądu pierwotnego przetwornicy w układzie symetrycznym

V(2)-V(1) - napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora

I(L1) – prąd pierwotny transformatora

Rys. 6.4 Przebieg napięcia i prądu pierwotnego przetwornicy przy braku symetrii sterowania

V(2)-V(1) - napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora

I(L1) – prąd pierwotny transformatora

38

Dalsze wyniki badań symulacyjnych przedstawione w tym podrozdziale otrzymane

zostały dla układu mostkowego przy sterowaniu symetrycznym. Na Rys. 6.5 przedstawiono
następujące wykresy: napięcie sterujące bramki dolnego tranzystora mostka, spadek napięcia
na tym tranzystorze oraz prąd jego drenu.

Rys. 6.5 Przebieg prądu i napięcia na dolnym tranzystorze mostka

V(g2) - napięcie sterujące bramki tranzystora

V(1) - spadek napięcia na tranzystorze

Id(M2) - prąd drenu tranzystor

Na Rys. 6.6 przedstawiono analogiczne przebiegi dla tranzystora górnego.

Rys. 6.6 Przebieg prądu i napięcia na górnym tranzystorze mostka

V(g1)-V(1) - napięcie sterujące bramki tranzystora

V(n001)-V(1) - spadek napięcia na tranzystorze

Id(M1) - prąd drenu tranzystora

39

Widoczne na przebiegach z Rys. 6.5 i Rys. 6.6 przepięcia pojawiające się w momencie

wyłączania tranzystora w układzie rzeczywistym są tłumione przez układy snubber’owe.

Na Rys. 6.7 umieszczono przebieg prądu pobieranego z szyny DC (którą w badanym

układzie stanowi źródło napięciowe V5) z odniesieniem do sygnałów bramkowych.

Rys. 6.7 Przebieg impulsów sterujących i prądu pobieranego z zasilania DC

V(g1)-V(1), V(g3)-V(2) – napięcia sterujące bramek tranzystorów

-I(V5) – prąd pobierany z szyny DC

Kolejne przebiegi z Rys. 6.8 przedstawiają napięcie i prąd wyjściowy przetwornicy

zarejestrowane podczas symulacji jej rozruchu.

Rys. 6.8 Przebieg napięcia i prądu w obciążeniu podczas rozruchu przetwornicy

I(R1) – prąd w obciążeniu

V(wy) – napięcie wyjściowe przetwornicy

Rys.

6.9 przedstawia przebiegi prądu i napięcia na uzwojeniu pierwotnym

transformatora oraz prądu i napięcia na diodzie D1 prostownika wyjściowego.

40

Rys. 6.9 Przebieg prądu i napięcia na diodzie D1 prostownika wyjściowego

oraz prąd i napięcie strony pierwotnej transformatora

V(2)-V(1) – napięcie transformatora

I(L1) – prąd pierwotny transformatora

V(out1)-V(out) – spadek napięcia na diodzie D1

I(D1) – prąd w diodzie D1

Prąd płynący przez diodę prostowniczą przepływa również w momencie wyłączenia

wszystkich tranzystorów sterujących. Ponieważ przepływa równocześnie przez obie diody to
wartość tego prądu jest równa połowie prądu odbiornika.

6.2. Symulacja układu ze zmodyfikowanym dławikiem

W tym podrozdziałem zostały zamieszczone wyniki badań symulacyjnych

przeprowadzonych na układzie z Rys. 5.5, czyli dla układu mostkowego z dławikiem
dzielonym i układem ograniczającym przepięcia. Na Rys. 6.10 przedstawiono prąd i napięcie
na uzwojeniu pierwotnym transformatora. Pełny schemat symulowanego układu
zamieszczono w załączniku.

Rys. 6.10 Przebieg napięcia i prądu pierwotnego przetwornicy

V(2)-V(1) - napięcie na uzwojeniu pierwotnym transformatora

I(L1) – prąd pierwotny transformatora

41

Kolejne przebiegi zamieszczone na Rys. 6.11 i Rys. 6.12 przedstawiają prądy i spadki

napięć na dolnym i górnym tranzystorze mostka.

Rys. 6.11 Przebieg prądu i napięcia na dolnym tranzystorze mostka

V(g2) - napięcie sterujące bramki tranzystora

V(1) - spadek napięcia na tranzystorze

Id(M2) - prąd drenu tranzystora

Rys. 6.12 Przebieg prądu i napięcia na górnym tranzystorze mostka

V(g1)-V(1) - napięcie sterujące bramki tranzystora

V(n001)-V(1) - spadek napięcia na tranzystorze

Id(M1) - prąd drenu tranzystora

42

Na Rys. 6.13 umieszczono przebieg prądu pobieranego ze źródła DC z odniesieniem

do sygnałów bramkowych.

Rys. 6.13 Przebieg impulsów sterujących i prądu pobieranego z zasilania DC

V(g1)-V(1), V(g3)-V(2) – napięcia sterujące bramek tranzystorów

-I(V5) – prąd pobierany z szyny DC

Przebiegi z Rys. 6.14 przedstawiają napięcie i prąd wyjściowy przetwornicy

zarejestrowane podczas symulacji jej rozruchu.

Rys. 6.14 Przebieg napięcia i prądu w obciążeniu podczas rozruchu przetwornicy

I(R1) – prąd w obciążeniu

V(wy) – napięcie wyjściowe przetwornicy

43

Przebiegi zamieszczone na Rys. 6.15 przedstawiają przebiegi prądu i napięcia na

diodzie prostowniczej. Dla odniesienia na tym rysunku umieszczono również przebiegi prądu
i napięcia na uzwojeniu pierwotnym transformatora.

Rys. 6.15 Przebieg napięcia i prądu na diodzie D1 prostownika wyjściowego

oraz prąd i napięcie strony pierwotnej transformatora

V(2)-V(1) – napięcie transformatora

I(L1) – prąd pierwotny transformatora

V(out1)-V(out) – spadek napięcia na diodzie prostowniczej

I(D1) – prąd w diodzie prostowniczej

W

odróżnieniu od układu klasycznego (przebieg I(D1) z Rys. 6.9) zastosowanie

dzielonego dławika powoduje, że prąd przez diodę D1 płynie, tak jak to wynikało z rozważań
teoretycznych w rozdziale 5, tylko w czasie załączenia odpowiedniej pary tranzystorów
sterujących.

44

Na Rys. 6.16 zamieszczono przebiegi symulacji obwodu tłumienia przepięć dławika

dzielonego. Przebiegi przedstawiają prądy w diodach D3, D4, D5, napięcie na kondensatorze
C3, a także prąd w uzwojeniu dodatkowym dławika (L5) i prąd w przewodzie zerowym
uzwojenia wtórnego transformatora. Oznaczenia elementów zgodne ze schematem
zamieszczonym w Załączniku B.

Rys. 6.16 Przebieg napięć i prądów w układzie snubber’owym

V(2)-V(1) – napięcie transformatora

I(D1) – prąd w diodzie prostowniczej D1

I(L2)-I(L3) – prąd w przewodzie zerowym uzwojenia wtórnego transformatora

I(L5) – prąd w uzwojeniu dodatkowym dławika

V(n002)-V(n003) – napięcie na kondensatorze

I(D3), I(D4), I(D5) – prąd w diodach D3, D4, D5

45

7. Badania

eksperymentalne

W celu weryfikacji wyników przeprowadzonych badań symulacyjnych został

zaprojektowany i wykonany układ przekształtnika mostkowego pozwalający na pracę
w dwóch konfiguracjach – jako klasyczny układ mostkowy i po przełączeniu odpowiednich
zwór – jako układ przetwornicy mostkowej z dzielonym dławikiem oraz układem
snubber’owym. Parametry zaprojektowanej przetwornicy:

- Układ impulsowy

- Zasilanie

230V

± 15% AC

- Maksymalna moc wyjściowa P

o

= 1kW

- Maksymalny

prąd wyjściowy I

o

= 20A

- Napięcie wyjściowe U

o

= 50V

- Ograniczenie

prądowe na wyjściu

- Odporność na zwarcie wyjścia przetwornicy
- Izolacja galwaniczna pomiędzy wejściem a wyjściem układu

7.1. Realizacja praktyczna układu przetwornicy

Zgodnie z wymienionymi powyżej parametrami opracowano układ przekształtnika

mostkowego, którego schemat blokowy przedstawia rysunek Rys.7.1.

Filtr

wejściowy

Prostownik

niesterowany

Układ

miękkiego

rozruchu

(soft-start)

Przekształtnik

mostkowy

Filtr

wyjściowy

Obciążenie

Układ sterowania

Wielkości

zadane

Sygnały pomiarowe

Rys. 7.1 Schemat blokowy układu przekształtnika

Jako elementy przełączające zastosowano tranzystory IGBT o małej wartości napięcia

U

CE sat

zapewniające niskie straty mocy w stanie ich przewodzenia. Celem ograniczenia strat

mocy związanych z kluczowaniem wybrano stosunkowo niską częstotliwość przełączania
wynoszącą 30kHz. Schematy ideowe poszczególnych bloków zamieszczono w załączniku.
Separację galwaniczną obwodu sieciowego układu mocy od obwodu obciążenia
zrealizowano za pomocą transformatora Tr1 wykonanego w technologii planarnej.

46

7.1.1. Transformator planarny

Zasilacze zawierające duże transformatory stanowiły pewien czynnik ograniczający

możliwości miniaturyzacji systemów elektronicznych. Transformatory planarne pozwalają
projektantom pokonać to ograniczenie i uzyskać mniejsze rozmiary zasilaczy dzięki dużej
gęstości mocy, możliwości pracy z większymi częstotliwościami i większej sprawności, przy
jednocześnie niższym koszcie w porównaniu z rdzeniami toroidalnymi a nawet klasycznymi.
Koszt ten może być taki korzystny ze względu na prostą konstrukcję, możliwość
wyeliminowania karkasu lub konieczności skomplikowanego nawijania uzwojeń na rdzeniu
toroidalnym. Ponadto sposób konstrukcji transformatorów planarnych zapewnia dużą
powtarzalność produkcji.

Rys. 7.2 Konstrukcja transformatora planarnego

Transformatory planarne zapewniają pracę z dużą sprawnością, rzędu 97%, przy

wielkich częstotliwościach, sięgających zazwyczaj 500kHz. Ich maksymalna częstotliwość
pracy sięga 1MHz (przy zmniejsz. gęstości strumienia magnetycznego). Parametry takie
osiągają dzięki płaskim uzwojeniom, pozwalającym na duże gęstości mocy. Materiał
przewodzący uzwojeń transformatorów tradycyjnych nie jest w pełni wykorzystany, co
wynika ze zjawiska naskórkowości – koncentracji przepływu prądu w pobliżu powierzchni
przewodnika. Ma to miejsce zwłaszcza przy większych częstotliwościach. W efekcie obszar
przewodzący jest mniejszy od przekroju przewodu, czemu towarzyszy wzrost rezystancji
zmiennoprądowej w stopniu zależnym od wymiarów obszaru przewodzącego.
W transformatorze planarnym „uzwojeniami” są płaskie ścieżki miedzi naniesione na materiał
izolacyjny druku. Przy większych mocach uzwojenia mogą być też wykonywane z cienkich
folii miedzianych. Następuje tu koncentracja przepływu prądu przy brzegach ścieżek,
niemniej jednak prąd płynie w całym ich przekroju, a gęstość prądu jest większa, niż
w przypadku przewodnika o przekroju kołowym. W efekcie sprawność transformatora
planarnego może być znacznie większa od transformatora tradycyjnego i to przy znacznie
mniejszych rozmiarach.

Konstrukcja planarna zapewnia także redukcję pasożytniczych reaktancji, takich jak

pojemność między uzwojeniami czy indukcyjność rozproszenia (zazwyczaj poniżej 0,5%).
Mała indukcyjność rozproszenia jest wynikiem podzielenia uzwojenia pierwotnego na części
i równego rozmieszczenia uzwojeń wtórnych po obu stronach uzwojenia pierwotnego.

Istnieje

kilka

możliwych technologii wykonania uzwojeń transformatora planarnego.

W opracowanym układzie przetwornicy wykorzystano uzwojenia wykonane z cienkiej blachy
miedzianej. Takie rozwiązanie jest dużo tańsze od wielowarstwowych obwodów

47

drukowanych, aczkolwiek okupione wyższą indukcyjnością rozproszenia. Na Rys. 7.3
przedstawiono uzwojenie wykonane w formie płytek drukowanych, natomiast na Rys. 7.4
przedstawione jest zdjęcie wykonanego uzwojenia z taśmy miedzianej.

Rys. 7.3 Uzwojenie transformatora planarnego w postaci obwodu drukowanego

Rys. 7.4 Uzwojenie transformatora planarnego w postaci taśmy miedzianej

Na Rys. 7.5 przedstawiono widok wykonanego uzwojenia wraz z połówką rdzenia

planarnego. Stosowne obliczenia transformatora zamieszczono w załączniku.

Rys. 7.5 Uzwojenie pierwotne transformatora wraz z połówką rdzenia

Parametry wykonanego transformatora :

- indukcyjność uzwojenia pierwotnego: 3.12mH,
- indukcyjność uzwojeń wtórnych: 2 x 448

µH.

48

7.1.2. Układ sterowania i regulacji przetwornicy

Problematyka

układów sterujących jest nieodłącznie związana z funkcjonowaniem

całego urządzenia. W opracowanym układzie przetwornicy zadania i funkcje układu
sterującego to:

- generacja

częstotliwości roboczej układu,

- pomiary i filtracja prądów i napięć podlegających stabilizacji,
- formowanie i separacja sygnałów bramkowych dla tranzystorów,
- zabezpieczenia w układzie.

Z szerokiej gamy modulatorów PWM przeznaczonych do sterowania przetwornicy

wybrano obwód scalony typu SG3525A oznaczony na schemacie jako U1000. Częstotliwość
jego pracy ustalono przy pomocy zewnętrznych elementów RC na poziomie 30kHz. Schemat
układu sterowania znajduje się w załączniku H.

Wyjścia impulsowe sterownika (wyprowadzenia 11 i 14 układu U1000) odseparowano

od obwodów bramkowych tranzystorów mostka wzmacniaczami mocy w postaci układów
wtórnikowych T1014, T1016 oraz T1015, T1017, dodatkowo zwiększających wydajność
prądową oraz transformatorami izolacyjnymi TR1002 i TR 1003 spełniającymi rolę
„driverów”. Na Rys.7.6. przedstawiono schemat blokowy układu SG3525A.

Rys. 7.6 Schemat blokowy układu SG3525A

Do wyjścia odpowiedzialnego za miękki start (z ang. soft-start) w sterowniku U1000

dołączono równolegle trzy łączniki zwierające T1018, T1019 i T1020 w postaci tranzystorów
IRLL014N. Dwa z nich, sterowane są sygnałami z przekładników prądowych umieszczonych
odpowiednio w „dodatnim” przewodzie zasilającym przetwornicę oraz w przekątnej mostka,
szeregowo z uzwojeniem pierwotnym transformatora głównego. Zadaniem ich jest
„śledzenie” poziomu występujących tam impulsów prądowych i w przypadku jego
przekroczenia, natychmiastowe zwieranie do masy wyprowadzenia miękkiego startu
przetwornicy. Zastosowane potencjometry RP1000 oraz RP1001, obciążające przekładniki,
umożliwiają precyzyjną nastawę wielkości ograniczenia prądu. Trzeci klucz T1018
współpracujący z dodatkowym tranzystorem T1006 oraz dzielnikami rezystancyjnymi R1, R5
i R1003 uniemożliwiają pracę przetwornicy przy nadmiernym obniżeniu napięcia sieciowego.
W przypadku ustąpienia przyczyny zadziałania ograniczenia, sterownik powraca do pracy
z zachowaniem procedury miękkiego startu.

49

Obwody sprzężenia zwrotnego przetwornicy odseparowane są galwanicznie od jej za

pomocą transoptora OPTO1017 typu SPH620A. Sprzężenie zwrotne zawiera dwa tory:
napięciowy oraz prądowy. Tor napięciowy wyposażony w zadajnik RP 1010 realizuje funkcję
regulacji oraz stabilizacji napięcia wyjściowego przetwornicy. Tor prądowy umożliwia pracę
przetwornicy w ograniczeniu prądowym o regulowanym poziomie zadziałania.

Zabezpieczenie zwarciowe przekształtnika zrealizowano wykorzystując omówione

wcześniej szybkie przekładniki prądowe oraz za pomocą pętli prądowego sprzężenia
zwrotnego.

Dodatkowo wyposażono przetwornicę w czujnik chroniący ją przed przegrzaniem

(kontrola temperatury radiatora) współpracujący z komparatorem U1003. Po ostygnięciu
powrót przetwornicy do normalnej pracy odbywa się również z zachowaniem procedury
miękkiego startu.

7.2. Stanowisko badawcze

Układ przetwornicy wraz z towarzyszącymi przyrządami pomiarowymi zestawiono
w laboratorium badawczym. Widok na stanowisko badawcze pokazano na Rys. 7.7.

Rys. 7.7 Widok stanowiska badawczego podczas uruchamiania i pomiarów przetwornicy

50

Na kolejnych rysunkach przedstawiono układ przetwornicy od strony sterowania

Rys. 7.8 i od strony obwodów komutacji Rys. 7.9.

Rys. 7.8 Widok przetwornicy 1kW od strony sterowania

z transformatorem planarnym (w centrum) i dławikiem dzielonym (po prawej)

Rys. 7.9 Widok przetwornicy 1kW od strony obwodów komutacji

51

7.3. Wyniki badań eksperymentalnych

W tym podrozdziale przedstawione zostały wyniki badań eksperymentalnych

przeprowadzonych na stanowisku doświadczalnym opisanym w poprzednim podrozdziale..

7.3.1. Klasyczny układ przekształtnika mostkowego z kondensatorem

symetryzującym

Na rysunkach Rys. 7.10 i Rys. 7.11 przedstawiono przebiegi napięcia i prądu

pierwotnego transformatora.

Rys. 7.10 Prąd uzwojenia pierwotnego transformatora

10A/działkę.

Rys. 7.11 Napięcie pierwotne transformatora

200V/działkę

52

Wyniki pomiaru spadku napięcia na dolnym tranzystorze mostka w zależności od

sygnału sterującego bramki przedstawiono na Rys. 7.12.

Rys. 7.12 Spadek napięcia na dolnym tranzystorze mostka (1)

i odpowiadający mu sygnał sterujący bramki tego tranzystora(2)

100V/działkę (1)

20V/działkę (2)

Na kolejnym zamieszczono wyniki pomiaru prądu pobieranego przez przetwornice

z sieci elektrycznej.

Rys. 7.13 Prąd pobierany z sieci

5A/działkę

53

W celu porównania przetwornicy z dławikiem dzielonym i bez niego wykonano

pomiary napięć i prądów diody prostownika wyjściowego (dioda D6 na Rys. 5.4) dla układu
klasycznego i z podłączonym uzwojeniem dodatkowym dzielonym dławika dzielonego
(Rys. 5.7). Wyniki pomiarów przedstawione zostały na Rys. 7.14 i Rys. 7.15 zamieszczonych
poniżej.

Rys. 7.14 Układ klasyczny przetwornicy

Spadek napięcia na diodzie prostownika wyjściowego (1)

Prąd przewodzenia diody prostownika wyjściowego (2)

100V/działkę (1); 10A/działkę (2)

Rys. 7.15 Układ przetwornicy z dławikiem dzielonym i układem snubber’owym

Spadek napięcia na diodzie prostownika wyjściowego (1)

Prąd przewodzenia diody prostownika wyjściowego (2)

100V/działkę (1); 10A/działkę (2)

Przebieg

prądu w diodzie prostownika wyjściowego, uzyskany podczas badań

eksperymentalnych w układzie z dzielonym dławikiem, tak jak to było wcześniej pokazane na
symulacji, płynie tylko w momencie przewodzenia pary tranzystorów mostka, a nie tak jak to
ma miejsce w układzie klasycznym, również podczas gdy są wyłączone wszystkie
tranzystory.

54

Rys. 7.16 Tętnienia napięcia i prądu wyjściowego przetwornicy mostkowej

w warunkach znamionowego obciążenia.

Układ przetwornicy z dławikiem dzielonym i układem nubber’owym.

Składowa zmienna napięcia wyjściowego (1)

Składowa zmienna prądu wyjściowego (2)

500mV/działkę (1)

50mA/działkę (2)

Na Rys. 7.17 i Rys. 7.18 przedstawiono wyniki badania odpowiedzi układu na

skokową zmianę obciążenia. Rys. 7.17 ilustruje zachowanie układu gdy zmiana obciążenia
nie powoduje wejścia układu w stan ograniczenia prądowego. Natomiast na Rys. 7.18
przedstawiono odpowiedź układu przy zadziałaniu ograniczenia prądowego

Rys. 7.17 Skokowa zmiana obciążenia nie powodująca wejścia w stan ograniczenia prądowego

20V/działkę (1)

5A/działkę (2)

55

Rys. 7.18 Skokowa zmiana obciążenia powodująca wejście w stan ograniczenia prądowego

20V/działkę (1)

5A/działkę (2)

Na Rys. 7.19 przedstawiono charakterystykę obciążenia otrzymaną na podstawie

pomiarów dla różnych wartości obciążenia.

Charakterystyka obciążenia

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

Rys. 7.19 Charakterystyka obciążenia przetwornicy

Charakterystykę obciążenia pomierzono przy ustawionym ograniczeniu prądowym na

poziomie 15A. Uzyskana charakterystyka jest typowa dla ograniczenia prądowego

Uo[V]

Io[A]

56

8. Podsumowanie

Niniejsza praca stanowi swego rodzaju kompendium wiedzy na temat przekształtników

napięcia stałego, w sposób szczególny traktując układ przetwornicy mostkowej.

Przedstawione w pierwszych rozdziałach opisy topologii układów przekształtnikowych

stanowią podstawę teoretyczną do zaprojektowania i szczegółowych badań symulacyjnych
oraz opracowania modelu przetwornicy mostkowej.

Projektując przetwornicę założono, że ma być to urządzenie możliwie tanie,

zaprojektowane przy wykorzystaniu ogólnie dostępnych podzespołów. Stąd też
w zaprojektowanym przekształtniku nie zastosowano miękkiej komutacji, która wymagałaby
specjalistycznego sterowania, niemożliwego do zrealizowania przy pomocy
ogólnodostępnych układów scalonych. Skupiono się na optymalizacji układu poprzez
modyfikacje dławika wyjściowego.

Celem niniejszej pracy było przebadanie wpływu jaki ma na działanie przetwornicy

zastosowanie specyficznej konstrukcji dławika wyjściowego. Badania symulacyjne,
przeprowadzone przy pomocy programu symulacyjnego SwitcherCAD, dowiodły słuszności
stosowania dławika dzielonego. Konstrukcja taka powoduje ograniczenie strat w diodach
prostowniczych, a także mniejsze narażenia dla łączników półprzewodnikowych mostka.
Podczas badań symulacyjnych stwierdzono również, że korzystny wpływ na pracę
przetwornicy ma zastosowanie układu subber’owego w obwodzie dzielonego dławika.
Zapobiega on powstawaniu przepięć w tym obwodzie a także pozwala na częściowe
odzyskanie strat komutacyjnych poprzez oddawanie energii z kondensatora snubber’owego
do obciążenia.

Wyniki badań symulacyjnych zweryfikowano budując model przekształtnika o mocy

1kW o przyjętej topologii. Badania eksperymentalne przeprowadzone na tym modelu
potwierdziły prawidłowość przeprowadzonych wcześniej badań symulacyjnych.

Zastosowanie przy konstrukcji modelu niezależnego układu sterowania w oparciu

o scalony modulator PWM, pozwoliło na uzyskanie autonomicznej pracy przetwornicy przy
zachowaniu wymaganych zabezpieczeń przeciwzwarciowych i przeciążeniowych. Drobne
modyfikacje układu sterowania pozwoliłyby też na zastosowanie cyfrowego sterowania, które
jednak nie było tematem tej pracy.

W modelu wykonano główny transformator w technologii planarnej. Dowiodło to

możliwości wykorzystywania tego typu transformatorów nie tylko w układach małej mocy,
ale także w układach większych mocy. Zastosowane w modelu tranzystory IGBT mimo
swoich niewątpliwych zalet, powodowały konieczność ograniczenia częstotliwości
impulsowania do 30kHz. Aby było możliwe pełniejsze wykorzystanie właściwości
transformatorów planarnych, należałoby zastosować szybsze tranzystory, tak aby
częstotliwość impulsowania zwiększyć do ok. 100kHz. Przy takiej wysokiej częstotliwości,
jak wynika z danych producenta rdzeni ferrytowych, można by uzyskać moce rzędu 4-5kW
przy zachowaniu tych samych wymiarów układu.

W wykonaniu przemysłowym korzystne byłoby też wykonanie uzwojeń zarówno

transformatora jak i dławika w postaci obwodów drukowanych wielowarstwowych. Takie
rozwiązanie, które przy konstrukcji prototypu jest znacznie droższe i nie pozwala na
jakiekolwiek zmiany w doborze przekładni, jest jednak korzystne ze względu na uzyskanie
bardzo dużej powtarzalności i znaczne uproszczenie montażu. Pozwala też na uniknięcie
błędów podczas wykonywania uzwojeń, co ma często miejsce, szczególnie przy uzwojeniach
nawijanych ręcznie na rdzenie toroidalne.

57

Literatura

[1]

Colonel Wm. T. McLyman: The Elusive Tapped Output Inductor, Coremaster
International Inc.

[2]

Eun-Soo Kim, Young-Bok Byun, Yoon-Ho Kim: An Improved Three Level ZVZCS
DC/DC Converter Using A Tapped Inductor And A Snubber Capacitor, PCC-Osaka
2002

[3]

Byeong-Mun Song, Robert McDowell, Andy Bushnell: A Thre-Level DC-DC
Converter With Wide Input Voltage Operations For Ship-electric-power Distribution
Systems, IEEE Pulsed Power Conference, 2003

[4]

Jong-Hu Park and B.H.Cho: The Zero Voltage Switching (ZVS) Critical Condition
Mode (CRM) Buck Converter With Tapped-inductor, IEEE, 2003

[5]

Miguel Rascon: Electrical Specification And Top Level Design Of DC/DC Converter
Definition Of Building Blocks, Alcatel, Universidad Politecnica de Madrid, 1997

[6]

G.Spazzi, S. Buso: Power Factor Preregulator Based On Modified Tapped Inductor
Buck Converter

[7]

Huai Wei: Comparasion Of Basic Converter Topologies For Power Factor Correction,
IEEE, 1998

[8]

Jerrold Fontz: Switching-Mode Power Supply Design. A Tutorial On Switching-Mode
Power Supply design. Simple Topologies. SMPSTECH, 1999-2001

[9]

Marty Brown: What Everyone Should Know About Switching Power Supplies,
SMPSRM

[10] Laszlo Balogh: 100W, 400kHz DC/DC Converter With Current Doubler Synchronous

Rectification Achieves 92% Efficiency, Texas Instruments, Design Review.

[11] L. Wuidart: Topologies For Switched Mode Power Supplies. Application Note,

STMicroelectronics

[12] Topologies For Power Converters, Granger Center For Electric Machinery And

Electromechanics, University Of Illinois, USA

[13] Filter Inductor Design, ECEN
[14] F.Rahman: Introduction To Power Electronics, ELEC 4240/9240
[15] Mieczysław Nowak, Roman Barlik: Poradnik Inżyniera Energoelektronika, WNT,

1998

[16] Praca Zbiorowa: Poradnik Inżyniera Elektryka, Tom 2, WNT 1997
[17] U.Tietze, Ch.Schenk: Układy Półprzewodnikowe, WNT, 1997

58

Załącznik A: Schemat układu symulacyjnego przetwornicy mostkowej

59

Załącznik B:

Schemat układu symulacyjnego przetwornicy mostkowej z dzielonym dławikiem i obwodem snubber’owym

60

Załącznik C: Obliczenia transformatora, Listing z programu MATHCAD

U

Dpr

2.0V

:=

Wymagane napięcie wtórne transformatora:

U'

o

U

o

U

Dpr

+

:=

U'

o

52V

=

____________________________________________________________________________________

Sterowanie:

Maksymalny współczynnik wypełnienia napięcia pierwotnego
( podczas pracy ustalonej )

D

max

0.8

:=

Dopuszczalny współczynnik wypełnienia (wynikający z czasów martwych )

D

lim

0.9

:=

Częstotliwość przełączania kluczy :

f

s

30kHz

:=

T

s.i

1

f

s

:=

T

s.i

33.333

µs

=

Częstotliwość pracy transformatora:

f

30kHz

:=

T

i

1
f

:=

T

i

33.333

µs

=

Projekt przetwornicy 1kW ( 50V , 20A )
- zasilanie 1-fazowe , prostownik niesterowany mostkowy
- transformator planarny na rdzeniu E-102
- uzwojenie z blachy miedzianej

Parametry przetwornicy:

Wejście :

Wyjście :

U

DC

230 2

⋅

2 2

π

⋅

V

⋅

:=

U

DC

293V

=

U

o

50V

:=

U

DC.min

90% U

DC

:=

U

DC.min

264V

=

I

o

20A

:=

U

DC.max

110% U

DC

:=

U

DC.max

322V

=

P

o

U

o

I

o

⋅

:=

P

o

1

10

3

×

W

=

Prostownik niesterowany 1 fazowy mostkowy

Maksymalne napięcie wsteczne diody :

U

RWMd

π
2

U

DC.max

⋅

:=

U

RWMd

506V

=

Spadek napięcia na diodach prostownika i na uzwojeniu transformatora:

61

A

e

5.40cm

2

:=

V

e

79.8cm

3

:=

l

e

14.8cm

:=

Window Area :

A

w

l

E

l

F

−

(

)

l

B

⋅

:=

A

w

14.393cm

2

=

Bobbin Window Area :

A'

w

5.25cm

2

:=

A'

w

5.25cm

2

=

A

L

6880nH

:=

Rezystancja termiczna transformator - otoczenie (Planar E-E 102)
- chłodzenie konwekcyjne

V

e

79.8cm

3

=

R

T

V

e

12

K cm

3

−

2

⋅

W

⋅

:=

R

T

0.744

K

W

=

Maksymalna moc strat rozpraszana w transformatorze :

P

lim

T

rise

R

T

:=

P

lim

53.733W

=

Założone parametry pracy :

Tempertura otoczenia:

T

amb

50

273

+

(

)K

:=

Dopuszczalny przyrost temperatury transformatora:

T

rise

40K

:=

Dobór transformatora planarnego

Typ rdzenia : 2 x 0P-49938-EC (E-102) Magnetics w układzie E-E

l

A

102mm

:=

l

B

20.3mm

:=

l

C

37.5mm

:=

l

D

13.1mm

:=

l

E

85mm

:=

l

F

14.1mm

:=

l

L

8mm

:=

l

M

35.9mm

:=

Wielkości charakterystyczne :

62

N

p

22

:=

Indukcyjność własna uzwojenia pierwotnego:

L

p

A

L

N

p

2

⋅

:=

L

p

3330

µH

=

L

p

3.33mH

=

Liczba zwojów uzwojenia wtórnego:

N'

s

N

p

U'

o

⋅

U

DC.min

D

max

⋅

:=

N'

s

7.892

=

Przyjęta liczba uzwojeń:

N

s

8

:=

Uzwojenie wtórne składa się z dwóch sekcji Ns.1 i Ns.2

N

s1

N

s

:=

N

s2

N

s

:=

Indukcyjności własne uzwojeń wtórnych:

L

s1

A

L

N

s

2

⋅

:=

L

s2

A

L

N

s2

2

⋅

:=

L

s1

440.32

µH

=

L

s2

440.32

µH

=

Podział mocy strat na moc rozpraszaną w rdzeniu i w uzwojeniach (ok. 50% / 50%)

Straty w rdzeniu:

P

core

round 0.5 P

lim

⋅

(

)

:=

P

core

27W

=

Straty w uzwojeniach:

P

winding

P

lim

P

core

−

:=

P

winding

26.733W

=

Moc strat przypadająca na jednostkę objętości materiału rdzenia:

P

V

P

core

V

e

:=

P

V

338.346

kW

m

3

=

P

V

338.346

mW

cm

3

=

Maksymalna amplituda indukcji dla określonej mocy strat i częstotliwości pracy
( określona na podstawie charakterystyki "CORE LOSS vs FLUX DENSITY"
katalog firmy Magnetics dla materiału P )

B

peak

3000G

:=

B

peak

300mT

=

Liczba zwojów uzwojenia pierwotnego ( z prawa Faradaya ):

N'

p

U

DC.min

D

max

⋅

2 f

⋅ B

peak

⋅

A

e

⋅

:=

N'

p

21.692

=

Przyjęta liczba uzwojeń:

63

Rzeczywista przekładnia transformatora:

n

N

p

N

s

:=

n

4

=

Amplituda indukcji w rdzeniu dla skorygowanej liczby uzwojeń:

B

peak

B

peak

N'

p

N

p

⋅

:=

B

peak

203.365mT

=

B

peak

2034G

=

Moc strat przypadająca na jednostkę objętości materiału rdzenia dla nowej wartości Bpeak:

P

V

100

mW

cm

3

⋅

:=

Moc tracona w rdzeniu:

P

core

P

V

V

e

⋅

:=

P

core

7.98W

=

Moc tracona w uzwojeniach jest mniejsza od zakładanej

64

Załącznik D: Obliczenia dławika. Listing z programu MATHCAD

l

E

37.5mm

:=

l

F

17.2mm

:=

l

L

0.5 l

A

l

E

−

(

)

:=

l

L

8.75mm

=

l

M

0.5 l

E

l

F

−

(

)

:=

l

M

10.15mm

=

Wielkości charakterystyczne :

A

e

354mm

2

:=

V

e

43900mm

3

:=

l

e

124mm

:=

Window Area :

A

w

l

E

l

F

−

(

)

l

B

⋅

:=

A

w

5.643cm

2

=

Bobbin Window Area :

A'

w

351mm

2

:=

A'

w

3.51cm

2

=

A

L

5800nH

:=

Projekt dławika

Parametry dławika:

U

o

48V

:=

I

o

20A

:=

Założone parametry pracy :

Tempertura otoczenia:

T

amb

50

273

+

(

)K

:=

Dopuszczalny przyrost temperatury transformatora:

T

rise

30K

:=

Częstotliwość pracy przetwornicy:

f

30kHz

:=

Dobór rdzenia planarnego

Typ rdzenia : 2 x E55/28/21 EPCOS w układzie E-E

l

A

55mm

:=

l

B

27.8mm

:=

l

C

21.0mm

:=

l

D

18.5mm

:=

65

n

21

=

n

ceil

S

tp

S

tp1










:=

Ilość przewodów w licy:

S

tp1

0.283mm

2

=

S

tp1

π d

1

2

⋅

4

:=

d

1

0.6mm

:=

d

1

0.764mm

=

d

1

D

pen

2

⋅

:=

Maksymalna średnica jednostkowa w przewodzie Litz'a:

D

pen

0.382mm

=

D

pen

6.62 sec

0.5

−

⋅

cm

⋅

f

:=

Głębokość wnikania:

S

tp

5.714mm

2

=

S

tp

π d

2

⋅

4

:=

d

2.697mm

=

d

I

S

4
π

⋅

:=

Dla pojedyńczego uzwojenia

I

20A

:=

Przy założonej gęstości prądu S
wymagana średnica przewodu d:

UZWOJENIE 1 i 2 prowadzone w jednej wiązce

____________________________________________________________________________________

S

3.5

A

mm

2

:=

Założona gęstość prądu

UZWOJENIA

66

Załącznik E: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka części wysokonapięciowej.

1

2

3

4

A

B

C

D

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

A4

Date:

5-Oct-2003

Sheet of

File:

D:\Protel\Zasilacz.ddb

Drawn By:

3

4

Tr1

4

5

3

Tr2

C8

470n/630V

C11

470n/630V

C14

CAP

C16

CAP

1

J12

CON1

1

J13

CON1

R3
22k

R1
22k

R4
22k

R2
22k

R9
2W

R10
2W

R5
2W

R8
2W

C18

CAP

C17

CAP

1

2

J1

CON2

1
2

J4

CON2

1
2

J2

CON2

1

2

J3

CON2

D4
UF5408

D2
UF5408

D3
UF5408

D1
UF5408

1

J14

CON1

1

J15

CON1

C15

CAP

C13

470n/630V

C12

470n/630V

C10

470n/630V

C9

470n/630V

R6

2W

1

2

3

J17
CON3

1 2

J16
CON2

Przetwornica 1kW

1

Tor mocy przetwornicy - płytka części wysokonapięciowej

1

1.0

T1

IRG4PC50UD

T4

IRG4PC50UD

T2

IRG4PC50UD

T3

IRG4PC50UD

Płytka
filtra

pojemnościowego

VR2

K275

67

Załącznik F: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka filtru pojemnościowego.

1

2

3

4

A

B

C

D

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

A4

Date:

5-Oct-2003

Sheet of

File:

D:\Protel\Zasilacz.ddb

Drawn By:

C3

470u/

400V

C4

470u/

400V

C5

470u/

400V

C6

470u/

400V

1

J13

CON1

1

J12

CON1

1

Tor mocy przetwornicy - płytka filtru pojemnościowego

1

1.0

1

J1

CON1

1

J2

CON1

1

J5
CON1

1

J7
CON1

1

J6
CON1

C1

2n2/3kV

C2

2n2/3kV

PE

L

N

VR1

K250

1

J8

CON1

1

J9

CON1

I1

1

G

3

I2

2

O1

5

O2

4

F1
FN405-10 SCHAFFNER

L1

N1

1

J18
CON1

+

-

~

~

Płytka ogranicznika

tyrystorowego

Przetwornica 1kW

68

Załącznik G: Schemat przetwornicy. Tor mocy. Płytka tyrystorowego ogranicznika prądu ładowania kondensatorów.

1

2

3

4

A

B

C

D

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

A4

Date:

5-Oct-2003

Sheet of

File:

D:\Protel\Zasilacz.ddb

Drawn By:

1

J1

CON1

1

J4

CON1

1

J3

CON1

1

J2

CON1

Rezystor na radiatorze

68R/50W

Ty1

2n6504

R1

150/2W

D1

UF4007

IN

OUT

1

2

J5

CON2

(TME)

1

Tor mocy przetwornicy - płytka tyrystorowego ogranicznika prądu rozruchowego

1

1.0

Przetwornica 1kW

69

Załącznik H: Schemat przetwornicy. Układ sterowania.

1

2

3

4

5

6

7

8

A

B

C

D

8

7

6

5

4

3

2

1

D

C

B

A

Title

Number

Revision

Size

A3

Date:

5-Oct-2003

Sheet of

File:

D:\Protel\Zasilacz.ddb

Drawn By:

Vi

15

Vc

13

GND

12

OUTPUT A

11

OUTPUT B

14

SYNC

3

Ct

5

DISCHARGE

7

Rt

6

Vref

16

INV. INPUT

1

N.I. INPUT

2

COMP.

9

SOFT-START

8

SHUTDOWN

10

OSC. OUTPUT

4

U1017

SG3525-SMD

A

1

C

2

B

6

C

5

E

4

OPTO1017

CNY17-3

C1096

100u/25V

R1074

220

R1075

220

C1095

100u/25V

C1101

220u/25V
C1098

220n

C1097

220n

V16

V16

T1000
BCP53-16

T1001

BCP56-16

T1012
BCP53-16

T1013

BCP56-16

V16

V16

PGND

PGND

PGND

PGND

PGND

PGND

PGND

PGND

PGND

C1103

470n/63V

C1091

470n/63V

PGND

PGND

R1079

47

R1078

47

PGND

C1092

2n2

C1093

2n2

R1073

22
R1038

5k6

PGND

PGND

PGND

R1022

1k

C1048

100n

C1049

100n

PGND

PGND

PGND

C1068

2n2

C1100

220n

R1051
10k

R1056

33k

PGND PGND

PGND

V16

RP1005
1k

C1085

1n

PGND

PGND PGND

PGND

RP1008
100

C1094

2n2

PGND

PGND PGND

PGND

D1025

UF4007

R1090
300

R1106
300

PGND

3

2

1

8

4

U1019A

LM358DSMD

5

6

7

U1020B

LM358DSMD

R1100
56k

R1026

1k

SGND

R1103

1k

V-12

V12

D1022

LL4148

C1086

1n

R1101

56k

REF

8

A

2

A

3

A

6

A

7

K

1

NC

4

NC

5

U1022

TL431CDSMD

C1015

470n

R1053

10k

R1104
10k

R1088

1k5

SGND

V12

R1054

10k

R1052

10k

RP1007
50k

SGND

C1084

1n

C1052

100n

RP1004

100k

C1016

470n

C1064

10u/16V

R1025
1k

D1021

LL4148

R1099

3k9

C1099

220n

RP1006
25k

R1096

2k2

C1069
47n

SGND

SGND

C1011

470n

C1070

220n

R1081

1M5

R1083

3k

R1082
3k

SGND

R1084

3k

SGND

V12

R1046

10k

D1017

LL4148

T1002

BC807-40

T1003

BC817-40

V12

SGND

C1105

2u2/16V

SGND

5

6

7

U1019B

LM358DSMD

REF

8

A

2

A

3

A

6

A

7

K

1

NC

4

NC

5

U1021

TL431CDSMD

C1014
470n

R1049

10k

R1050

10k

R1087

1k5

SGND

V12

R1048

10k

C1073

10n

V-12

SGND

V12

C1013

470n

C1062

10u/16V

C1051

100n

RP1003
100k

D1020

LL4148

D1016

LL4148

R1097

100

R1023

1k

C1077

330n

SGND

Se

paracj

a gal

w

ani

czna

Obwód na potencjale napięcia wyściowego przetwornicy (SGND)!

Obwód na potencjale sieci!

PGND

SGND

(TME / MS)

(TME / MS)

(MS / TME)

(M

S)

(M

S)

(TME / MS)

(MS / TME)

PGND

PGND

D1028
UF4007

D1029
UF4007

D1030

UF4007

D1031

UF4007

Obwód na potencjale sieci (PGND)!

1

TEST1000

PAD

IG

B

T

1_E

IG

B

T

1_B

IG

B

T

2_B

IG

B

T

2_E

1

5

8

6

3

4

TR1000

SIRIO TI/109 214

1

5

8

6

3

4

Tr1001

SIRIO TI/109 214

U_POSR

PP2

PP1

PG1

PG2

BOCZ1(+)

BOCZ1(-)

U_PRZETW

SGND

TERM1

TERM2

Termistor KTY81-210

V12

SGND

V16

PGND

PGND

V16

SGND

V12

D1033

B

Z

V

55C

6.8SMD

D1024

B

Z

V

55C

6.8SMD

R1077

47

R1080

47

R1089
300

R1091
300

PGND

1

TEST1002

PAD

1

TEST1001

PAD

1

TEST1003

PAD

T1009

IRLL014N

T1010

IRLL014N

T1011

IRLL014N

T1005
BC817-40

PGND

R1094

510

PGND

V-12

V-12

SGND

A

2

C

3

Vcc

8

Vb

7

Vo

6

GND

5

OPTO1015

6N139

SHDN_A

SHDN_C

T1004

BC817-40

R1055

22k

V16

C1050
100n

PGND

V16

R1085

3k9

T1007
BC817-40

D1019
LL4148

SGND

R1024

1k

V12

R1043

47k

SGND

D1018

LL4148

OT_COM

OVER_T#

A

1

C

2

B

6

C

5

E

4

OPTO1000

CNY17-3

R1047
10k

C1088

470n

C1065

10u/16V

SGND

C1012

470n

C1063

10u/

16V

SGND

<-- Nie montować, jeśli układ cyfrowego zadawania!

<-- Nie montować, jeśli układ cyfrowego zadawania!

NAS

T

_U

NAS

T_

I

3

2

1

8

4

U1020A

LM358DSMD

Przetwornica 1kW

Sterownik przetwornicy