Klasyczny układ wzmacniacza klasy D

w.cz.

z szeregowym obwodem rezonansowym

1

Różna konfiguracje układu

półmostkowego pracującego w klasie D

2

3

Przebiegi prądów i napięć we wzmacniaczu
klasy D

4

a) Za pomocą transformatora; b) z tranzystorami komplementarnymi za
pomocą transformatora impulsowego ; c) z tranzystorami
komplementarnymi bez transformatora ; d) sterowanie za pomocą tzw.
„lustra napięciowego”

Sterowanie wzmacniacza
klasy D

a)

b)

c)

d)

Możliwe konfiguracje obwodów

rezonansowych dla przetwornicy klasy

D

5

Klasyczny układ przetwornicy

pracującej w klasie E

6

7

Przebiegi prądów i napięć w
przetwornicy klasy E

Waveforms in Class E zero-
voltage-switching
amplifier. (a) For optimum
operation with

dv

S

(ωt )/d(ωt ) = 0
at ωt = 2π.

(b) For suboptimum
operation with

dv

S

(ωt )/d(ωt ) < 0 at ωt = 2π.

(c) For suboptimum
operation
with

dv

S

(ωt )/d(ωt ) > 0 at

ωt = 2π.

W obydwu przypadkach, w
procesie przełączanie
klucza płynie inwersyjny
prąd klucza przy
wyłączonym kluczu (prąd
diody bocznikującej).

Klasyczny układ przetwarzania z szeregowym

obwodem rezonansowym pracującym w

klasie DE

8

W szczególności będzie to układ półmostka z szeregowym
obwodem rezonansowym pracującym w klasie DE.
Częstotliwość rezonansowa obwodu jest stała i jest określona
przez elementy Ls Cs. Układ półmostka składa się z dwóch
jednakowych kluczy dwóch jednakowych diod oraz dwóch
jednakowych pojemności Cq. Na przebiegach mam idąc od
góry: przebieg napięcia na bramkach kluczy, napięcie
wyjściowe półmostka oraz prąd obwodu rezonansowego.

Zakładamy że częstotliwość kluczowania jest większa od
częstotliwości rezonansowej obwodu. Impedancja widziana jako
obciążenie półmostka ma wtedy charakter indukcyjny, co
oznacza, że faza prądu opóźniona względem podstawowej
harmonicznej napięcia wyjściowego półmostka.

Załóżmy, że w

danej chwili czasowej załączony jest klucz Q1 i przewodzi on
dodatni prąd. W pewnym momencie (przy dodatnim prądzie)
wyłączamy klucz Q1. Ponieważ prąd w indukcyjności Ls nie
może skokowo spaść do zera, wymusi od przepływ prądu w
innym elemencie półmostka.

Klasyczny układ przetwarzania z szeregowym

obwodem rezonansowym pracującym w

klasie DE

9

Jesteśmy w chwili zaraz po wyłączeniu klucza Q1. Napięcie
na pojemności Cq1 jest bliskie zeru a na pojemności CQ2
jest bliskie napięciu zasilania. Na wykresie czerwony
fragment prądu przestawia prąd płynący w obu
kondensatorach Cq, przyczym prąd ten rozpływa się równo
do obu pojemności Cq. Prąd obwodu rezonansowego
rozpocznie przeładowanie pojemności Cq1 oraz CQ2 do
momentu aż napięcie na pojemności Cq1 będzie trochę
większe od napięcia zasilania, natomiast napięcie na
pojemności Cq2 będzie ujemne o wartości wystarczającej
do spolaryzowania diody D2 w kierunku przewodzenia.
Wtedy dioda D2 zaczyna przewodzić i prąd obwodu
rezonansowego zostaje do niej przekierowany.

Klasyczny układ przetwarzania z szeregowym

obwodem rezonansowym pracującym w

klasie DE

10

Jeżeli załączymy klucz Q2 w czasie kiedy przed diodę
D2 płynie prąd, klucz przejmie ten prąd na siebie ze
względu na znacznie mniejszą rezystancję. Po
załączeniu klucza Q2 dalsze cykle są analogiczne do
przedstawionych. Ponieważ włączamy klucz przy
zerowym napięciu straty przy włączeniu klucza są
zerowe. Podobnie ma się sytuacja przy wyłączeniu
klucza. Zredukowane zatem zostają znacznie straty
przełączania klucza, a pozostają tylko straty
przewodzenia. Pozwala to na osiągnięcie wyższych
częstotliwości przełączania oraz wyższą sprawność
układu.

Schemat przetwornicy z szeregowo-

równoległym obwodem rezonansowym

11

Zastosowana topologia to półmostek pracujący w klasie DE oraz szeregowo-równoległy obwód
rezonansowy. Półmostek składa się z dwóch tranzystorów mocy MOSFET z dołączonymi do nich
pojemnościami CQ1 i CQ2. Obwód rezonansowy składa się z transformatora Lprim-Lsec oraz
pojemności dołączonej do równolegle do uzwojenia pierwotnego transformatora indukcyjności
szeregowej Lr pojemności szeregowej utworzonej z elementów CS1 Cs2.

Charakterystyki częstotliwościowe szeregowo-

równoległego obwodu rezonansowego

12

R

L

=100Ω

R

L

=5Ω

R

L

=0.81Ω

R

L

=0.3Ω

R

L

=0.05Ω

Na wykresie przedstawiona jest charakterytyka amplitudowa napięcia na uzwojeniu pierwotnym
transformatora względem napięcia zasilania. Łatwo zauważyć, że charakterystyka ta znacząco zmienia się
w zależności od obciążenia. Maleje wzmocnienie układu, ale również zmienia się częstotliwość
rezonansowa obwodu

. Pożądanym obszarem pracy jest praca powyżej częstotliwości rezonansowej

(charakter indukcyjny), należy więc dopilnować aby w żadnym momencie układ nie pracował poniżej
częstotliwości rezonansowej, gdyż spowoduje to natychmiastowe zniszczenie kluczy.

Kolejnym

niebezpieczeństwem jest zbytnie zbiżenie się częstotliwości pracy do częstotliwości rezonansowej w stanie
rozwarcia. Jak możemy odczytać wzmocnienie wynosi wtedy 30-40dB co przy napięciu zasilania ok. 400V
na pewno doprowadzi do zniszczenia układu.

Schemat zastosowanej przetwornicy

Przetwornica rezonansowa DCDC z szeregowo-równoległym

obwodem rezonansowym

• Parametry:

– Napięcie wejściowe:

400VDC

– Napięcie wyjściowe:

48VDC/60A

13

Cechy zastosowanej konfiguracji

• Wąski zakres zmian częstotliwości kluczowania

dla pełnej zmiany obciążenia

• Naturalna odporność na zwarcie wyjścia
• Quasi sinusoidalne kształty prądów w obwodach

mocy niezależnie od obciążenia

• Miękkie przełączanie kluczy

14

15

Prototyp przetwornicy 3kW 48VDC/65A

Na fotografii znajduje się wykonany prototyp przetwornicy rezonansowej. Przetwornica zasilana jest z
sieci energetycznej 230V. Składa się kolejno z filtra wejściowego, układu korekcji współczynnika mocy
oraz przestawionej na poprzednich slajdach przetwornicy DCDC.

Sprawność przetwornicy przy klasycznym

sterowaniu modulacją częstotliwości

16