Mateusz Tocha

22.01.2013

AC AC Dual Active Bridge Converter

Podwójny Mostek Aktywny AC AC

1.WSTĘP

Koncepcja mostka aktywnego polega na wytrąceniu ze stanu równowagi dwóch mostków
aktywnych. Mostek rozumiany jest jako zespół zaworów połączonych w tym wypadku w klasyczny
mostek H , tak jak na rysunku 1.

Zasada teoretyczna i sposób działania jest pokazany na rysunku i przebiegach poniżej:

Kiedy obie strony są ze sobą w fazie prąd nie płynie żadna ze stron nie jest w charakterze źródła ani
odbiornika.

Jak widać przesuniecie fazy jednej ze stron powoduje przepływ prądu (oraz mocy) z jednej

strony na drugą co więcej, możliwe jest regulacja tej mocy (prądu), co prawda w niewielkim
zakresie (kilkudziesięciu stopni), oraz przy stosunkowej małej wymaganej dynamice układu,
ale możliwe jest sterownie i rozdział mocy.

Niestety przesuwanie fazy nie można zrealizować w prosty sposób, oczywiście można
zbudować jakiś filtr RC, który odpowiednio przesuwa fazę napięcia, ale trzeba wziąć pod
uwagę fakt że powoduje to pewne tłumienie oraz jest niemożliwe przy zasilaniu dużymi
mocami.

Po drugie zastosowanie filtru RC nie spisałoby się najlepiej w układzie regulacji
automatycznej.

Na szczęście możliwe jest sterowanie PWM, który jest prosty i uniwersalny w konstrukcji i
symulacji.

2.GENERACJA SYGNAŁU PWM

Jak warto zauważyć do sterowania naszym mostkiem podwójnym potrzebnych jest nam 8
sygnałów. Po 4 na każdy z mostków. Sygnały PWM powinny być tak przesunięte miedzy sobą
w czasie , aby pozwalały na implementacje ZVS (zero switch voltage) ktróry znakomicie
poprawia charakter prądu (jest mniej zniekształcony)

ZVS zostanie opisany później.

Aby wygenerować PWM najłatwiej stworzyć jest generator piły (przebiegu o liniowo
narastającym przebiegu w czasie) i porównać go do jakiegoś sygnału referencyjnego.

Na rysunku widać dwa bloki funkcyjne blok po lewej stronie przygotowuje stałe do daleszej
symulacji to jest częstotliowość (freq) oraz period(okres).

Po prawej stronie widać generator przebiegu piłokształtnego składa się z wartości zadanej 1
oraz integratora o stałej czasowej 1, dzięki temu na wyjściu integratora powstaje sygnał o
który można by zapisać przy pomocą funkcji y(t)=t .

Sygnał ten jest podawany na komparator (kiedy na wejściu NO + ) występuje wartość
większa od tego co na wejściu NI - wtedy zwróci 1 logiczną.

Zauważmy że wyjście dołączone jest do bloku integratora podanie na to wejście 1 logicznej
powoduje zresetowanie wartości dotychczasowo zliczonej przez integrator.

Dzieje się to wtedy gdy sygnał z integratora jest większy niż wartość okresu obliczonego z
częstotliwości zadanej. Wtedy następuje reset i kasowanie dotychczasowej wartości bloku
całkującego.

No dobrze mamy generator sinusoidy, teraz należy wygenerować PWM, ale żeby
wygenerować PWM potrzebny mi do sterowania IGBT jest PWM o odpowiednich
parametrach które można sobie ustawić.

Zatem potrzebny mi PWM który:

-potrafi wygenerować sygnał o zmiennym wypełnieniu,

-o różnej częstotliwości

-któremu można zadać również przesunięcie fazowe

Na potrzebę tego
został stworzony
dodatkowy
podukład który
ma na celu
wygenerować
odpowiedni
impuls o
odpowiedniej
długości trwania
jaki i
przesunięciu

względem początku.

Po prawej sygnał piły mnożony jest z częstotliwością jak można zobaczyć na wcześniejszym
rysunku sygnał piły zmieniał się proporcjonalnie w czasie, jeżeli pomnożymy go przez
odwrotność to otrzymamy sygnał proporcjonalny, ale zmieniający swoją wartość od 0 do 1 w
przedziale czasu ustawionej za pomocą sygnały freq. (period=1/freq).

Sygnał jest wzmocniony o 360 co pozwala nam dowiedzieć sie w jakiej czasie t przypada jaki
kąt okresu, co jest dosyć pomocne przy sterowaniu posługując się kątami , a nie czasami.

Główną rolę natomiast spełniają tutaj dwa komparatory oznaczony H i L jeden z nich
generuję przesunięcie a drugi na podstawie przesunięcia oraz wartości zadanej szerokości
impulsu określa koniec generacji impulsu. Dwa wyjścia podawane jest na wejścia bramki XOR

która zwraca 1 kiedy oba
sygnały są sobie różne.

Sposób generacji sygnału
można prześledzić na
symulacji.

Niestety sposób ten ma
pewną wadę nie można
wygenerować sygnału o
przesunięciu fazy
ujemnym.

Ale istniej sposób na
wygenerowaniu sygnału

przesuniętego w lewo (wyprzedzającego)

Poprzedni blok został zamknięty w podobwodzie w celu przejrzystości i łatwości zrozumienia
kolejnego bloku.

Blok ten ma za zadanie wysterować tak poprzedni blok funkcyjny aby ten generował sygnały
przesunięte jak w prawo i w lewo.

Do bloku tak jak poprzednio zadawane są dwie wartości 'delay' oraz 'width' , 'pila' oraz 'freq'
zostały wzięte z poprzednich bloków.

Zasada działania tego układu polega na śledzeniu znaku zadanego w sygnale 'delay'.

Jeżeli delay jest większy od zera to zwróci 1 w innym przypadku 0 sygnał ten trafia na
mnożenia z dwoma sygnałami, co oznacza że jeden z nich będzie działać drugi zostanie
zatrzymany (pomnożony przez 0).

Jeżeli sygnał delay mniejszy od zera to na podstawie obliczeń generowany jest taki szeroki
impuls żeby jego negacja wyglądała jak przesunięcie w fazie o zadany kąt.

Z sygnału delay pobierany jest znak 1 lub -1 który mnożony jest z wartością width , wynik
tego działania trafia na węzeł sumacyjny który sumuje wartość width(szerokość impulsu
zadaną ) z ewentualną wartością stałą 360, lub 0 w zależności od tego czy wartość 'delay'
jest ujemna czy nie.

Przykładowy sygnał o wypełnieniu 60 przesunięciu 60 oraz częstotliwości 1000hz

Przykładowy sygnał o wypełnieniu 180 przesunięciu - 40 oraz częstotliwości 1000hz

3.Sterowanie Mostkiem.

Do sterowania mostkiem potrzebne są odpowiednie sygnały odpowiedni rozłożone w czasie
(przesunięte względem siebie) , ale o takiej samej częstotliwości. Jako że stworzyłem sobie
potrzebne sobie narzędzia z których skorzystam do wysterowania najpierw jednego mostka.

Spójrzmy jak wygląda sygnał PWM wygenerowany i podany na bramki IGBTów

Jak widać sygnał zostały odpowiednio poprzesuwane względem siebie i początku działania
układu, takie wysterowanie pozwala na zabezpieczeniem układu głównego (mostka H) przed
zwarciem w jednej gałęzi.

Za to sygnały dostające się na ten sam segment zaworu są przesunięte ( oraz pomniejszone)
aby w czasie przewodzenie można było naładować lub rozładować kondensator.

Jak widać w chwili przejścia prądu przez zero prąd kondensatora wskazuje ładowanie i
rozładowanie w chwili (0.011) dzięki czemu prąd płynący przez rezystor który jest w
charakterze obciążenia jest wygładzony i nie posiada dodatkowych zniekształceń.
Wykorzystanie kondensatorów w ten sposób nosi nazwę ZVS (Zero switch voltage) i oznacza
ze nie przewodzi żaden z zaworów.

Połączenie dwóch mostków ZVS

Prąd pokazany na wykresie jest prądem płynącym w uzwojeniu pierwotnym transformatora,
mostek po prawej jest mostkiem który wyprzedza fazę o 20 stopni, dławiki zostały dobrane
tak aby kompensować skoki prądów powstających podczas przełączania zaworów, ponadto

chronią również przed nadmierny wzrostem prądy w układzie gdyż w pewnym sensie układy
są bliskie zwarciu. Oba napięcia zostały ustawione na taką samą wartość ze względu na
łatwość symulacji i doborów wartości elementów, oczywiście istniej możliwość stworzenie
np przetwornicy z 5000 na 200 dzięki temu można uzyskać bardzo duży prąd przy
stosunkowo małym napięciu, należy wówczas zwrócić uwagę na prawidłowy dobór
transformatora który powinien być dobrany dla dużych częstotliwości.

Prąd i napięcia bez stosowania ZVS.

Mostek w równowadze.

Praca miała za zadanie raczej wskazać sposób sterowania DABem niż skupiać się na
skuteczności danego urządzenia. Fakt że literatura na temat sterowania takim mostkiem jest
stosunkowo okrojona to uważam że niniejszy projekt pozwolił się zaznajomić z sposobami
radzenia sobie w przypadku braku źródeł informacji.

Literatura:

http://www.researchgate.net/publication/224077590_Ac-ac_dual_active_bridge_converter_for_solid_state_transformer

DUAL ACTIVE BRIDGE COVERTERS INSOLID STATE TRANSFORMATOR by HENGSI QIN