[5] Претварач Ее - саставни дијелови. Управљачка електроника. Улазна енергија. Излазнa енергија. Улазни С филтер. Извршни орган.

Transcript

1 $>Ее1:DC-DC.Увод Претварач/конвертор - појединачни степен за претварање ел. енергије (њених параметара), заснован на снажним полупроводничким прекидачима. Ниска цијена, велика поузданост и ефикасност, мале димензије и одличне карактеристике, основне особине које мора имати претварач Ее. [5] Управљачка електроника Улазна енергија Излазнa енергија EMI филтер Улазни С филтер Извршни орган Излазни филтер Систем за одвођење топлоте Претварач Ее - саставни дијелови 1

2 $>Ее1:DC-DC.Увод [5] Основни типови претварача, према природи електричне енергије која се појављује на њиховом улазу/излазу, односно врсти претварања: AC/DC (исправљачи) AC/AC (циклоконвертори) DC/DC (чопери) DC/AC (инвертори) [21] DC/DC (чопери) (деф.): Претварање нерегулисаног DC улаза (исправљач-филтер, батерија, обновљиви извор) у регулисани DC излаз жељеног напонског нивоа. Примјена: Прекидачке напојне јединице (Switched/Mode Power Supplay - SMPS), Управљање DC моторима, Пуњење акумулаторских батерија,... 2

3 $>Ее1:DC-DC.Увод Претварање енергије дешава се у енергетском дијелу претварача (прекидачки извршни орган - полупроводнички прекидачи, трансформатор, пригушнице, кондензатори). Неопходно управљање прекидачeм (има) - укљ./искљ. Улазна снага Прекидачки претварач Управљачки улаз Повратне везе Излазна снага Фидфорверд Управљање Задане вриједности Претварач Ее са управљачком структуром 3

4 $>Ее1:DC-DC.Увод Претварач Улазна снага P out P in Излазна снага 1 Ploss Pin Pout Pout 1 Суштинска важност велике ефикасности претварања енергије - Смањени губици у претварачу - Мање димензије и поузданији рад Ефикасност - одлична мјера квалитета претварача Задатак/циљ: Направити претварач малих димензија, са великом ефикасношћу процесирања енергије 4

5 $>Ее1:DC-DC.Увод Линеарни режим Прекидачки режим Кондензатори Отпорници Магнетне компоненте (трансформатори, пригушнице) Полупроводнички прекидачи Процесирање снаге: НЕ КОРИСТИТИ компоненте на којима долази до дисипације (губитака) 5

6 $>Ее1:DC-DC.Реализација ЗАДАТАК: Направити DC-DC претварач следећих карактеристика: Улаз: 100 V Излаз: 50 V, 10 A, 500 W КАКО ПРИСТУПИТИ РЕАЛИЗАЦИЈИ (ЕФИКАСНОСТ)? Улаз Излаз DC-DC претварач 6

7 $>Ее1:DC-DC.Реализација 1. Дисипативна реализација - отпорнички напонски дјелитељ Потребна улазна снага: 1000 W (2 х излазна) Губици: 500 W 7

8 $>Ее1:DC-DC.Реализација 2. Дисипативна реализација - серијски регулатор (транзистор у активном режиму) Потребна улазна снага: 1000 W (2 х излазна) Губици: 500 W 8

9 $>Ее1:DC-DC.Реализација 3. Недисипативна реализација - прекидачки претварач са SPDT (single-pole double-throw) прекидачем положај прекидача Принцип прекидачког DC-DC претварања 9

10 $>Ее1:DC-DC.Реализација 3. Недисипативна реализација - прекидачки претварач са SPDT (single-pole double-throw) прекидачем фактор испуне прекидача прекидачки период положај прекидача средња вриједност = DC компоненти прекидачка фреквенција Основни параметри чопованог сигнала 10

11 $>Ее1:DC-DC.Реализација 3. Недисипативна реализација - прекидачки претварач са SPDT (single-pole double-throw) прекидачем Прекидачки DC-DC претварач са излазним LC филтром Потребна улазна снага: 500 W ( излазна).!!! Губици: мали Нископропусни филтер хармоника (хармоници на прекидачкој фреквенцији и њеним умношцима). Изабрати фреквенцију филтра f о да буде много мања од прекидачке f s. СПУШТАЧ напона buck converter 11

12 $>Ее1:DC-DC.Реализација 3. Недисипативна реализација - прекидачки претварач са реалним прекидачима, филтром и управљањем Улазна снага Прекидачки претварач Оптерећење Укљ./искљ. транзистора ШИМ модулатор Сигнал грешке Појачање мјерног члана Компензатор Задана риједност Прекидачки DC-DC претварач са излазним LC филтром и управљањем 12

13 $>Ее1:DC-DC.Реализација.Прекидачи SPST прекидач са дефинисаним поларитетима напона и струје са једним SPDT прекидачем Спуштач напона Сви полупроводнички прекидачи раде као SPST са два SPST прекидача Принцип реализације прекидачког DC-DC претварача са различитим типовима прекидача Типови прекидача - SPST (single-pole single-throw) и SPDT (single-pole double-throw) (полупроводнички су типа SPST) 13

14 $>Ее1:DC-DC.Реализација.Прекидачи Спуштач напона - примјер Прекидач А:транзистор Радне тачке SPST прекидача Прекидач А укључен Прекидач В укључен Прекидач В: диода Прекидач А искључен Прекидач В искључен Прекидач А Прекидач В Потребне UI карактеристике полупроводничких прекидача код реализације DC-DC претварача 14

15 $>Ее1:DC-DC.Реализација Прекидач А укључен Прекидач В укључен Прекидач А искључен Прекидач В искључен Практична реализација DC-DC претварача помоћу 1Q полупроводничких прекидача (транзистор + диода) 15

16 $>Ее1:DC-DC.Подјела Према односу улазног и излазног напона: Спуштање напона: U out <U in, Подизање напона: U out >U in, Инверзија напона: sgn(u out ) sgn(u in ). (Конверзиони однос претварача: M(D)=U out /U in 1Q, 2Q, 4Q Са галванском изолацијом и без ње Класични и резонантни Са 1 или више активних прекидача/пригушница... 16

17 $>Ее1:DC-DC.Подјела.Основни типови претварача Спуштач U out <U in (Step-down, Buck) Подизач U out >U in (Step-up, Boost) М-конверзиони однос М-конверзиони однос Спуштач-подизач sgn(u out ) sgn(u in ), U out <>U in (Buck-Boost) М-конверзиони однос 17

18 $>Ее1:DC-DC.Спуштач SPDT прекидач мијења DC компоненту Таласни облик напона послије прекидача Фактор испуне D (Duty cycle) Комплемент D Позиција прекидача: Спуштач напона - принцип рада Спуштач (Step-down, Buck): U out <U in Када се DC-DC претварач користи у склопу SMPS, паралелно оптерећењу веже се филтерски кондензатор великог капацитета (електролитски) 18

19 $>Ее1:DC-DC.Спуштач Површина = DT s V g Таласни облик напона послије прекидача - DC компонента Правоугаони таласни облик напона послије прекидача Фактор испуне D (Duty cycle) - однос времена вођења прекидача и периода прекидачке фреквенције (0 D 1) Најчешћи рад са константном прекидачком фреквенцијом ШИМ: ширинско-импулсна модулација (PWM - Pulse Width Modulation) Средња вриједност напона = DC компоненти: T 1 s 1 v v t dt DT V DV s s s g g Ts T 0 s 19

20 $>Ее1:DC-DC.Спуштач v v DV s g Спуштач са излазним LC филтром Правоугаони таласни облик напона послије прекидача, DC компонента + виши хармоници Зависност излазног напона од фактора испуне D Да би потрошач видио само DC компоненту, између њега и прекидача нископропусни LC филтер. Серијска компонента филтра (L) велики отпор за више хармонике, а паралелна (С) мали. Сопствена фреквенција филтра f о мора бити много мања од прекидачке f s. Напон потрошача DC компоненти напона послије прекидача (мањи за пад напона на прекидачу и на отпорности L) 20

21 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа Анализа струјних и напонских прилика на компонентама спуштача (DC-DC претварача) обавља се на основу: Волт-секундног баланса на пригушници, Ампер-секундног баланса на кондензатору (баланс набоја), Занемарења (малог) рипла излазног напона. 21

22 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Vs баланс пригушнице Напон и струја пригушнице повезани релацијом: di L vl t L dt t Интеграљењем на периоду прекидачке фреквенције: 1 i T i 0 v tdt T s L s L L Ts 0 Промјена струје пригушнице МОРА бити ==0 у стационарном стању: T 1 s 0 v tdt T s 0 L Укупна површина (Vs) испод напона пригушнице = средња вриједност напона пригушнице == 0 у стационарном стању, тј.: 0 1 T s T s 0 L v t dt v L 22

23 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Vs баланс пригушнице Укупна површина λ Таласни облик напона пригушнице спуштача Примјеном Vs баланса на пригушницу спуштача добије се: T s 1 v tdt V V DT V 1 DT T s 0 L g s s Средња вриједност напона пригушнице је: vl V V D V D T s g 1 Изједначавањем са 0 и рјешавањем по V добије се: 0 V D V D 1 D V D V, V V D, M D D g g g 23

24 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Аs баланс кондензатора Напон и струја кондензатора повезује релација: dv C ic t C dt t Интеграљењем на периоду прекидачке фреквенције: 1 v T v 0 i tdt T s C s C C Ts 0 Промјена напона кондензатора МОРА бити ==0 у стационарном стању: 0 1 T s T s 0 C i t dt i C Укупна површина (Аs=набој) испод струје кондензатора = средња вриједност струје кондензатора == 0 у стационарном стању. 24

25 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Занемарење малог рипла Стварни таласни облик излазног напона спуштача (DC-DC претварача) састоји се DC (средња вриједност) и од AC компоненте (таласност, рипл - ripple): Стварни таласни облик v t V v t ripple DC компонента V Таласни облик излазног напона спуштача (DC-DC претварача) Код добро пројектованог DC-DC претварача амплитуда рипла је много мања од средње вриједности излазног напона, па се рипл приликом анализе може занемарити v V, v t V ripple 25

26 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа Електрична шема спуштача са LC филтром Прекидач у положају 1 Прекидач у положају 2 Активни дијелови шеме спуштача при различитим положајима прекидача 26

27 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Интервал 1 Електрична шема спуштача - прекидач у положају 1 Напон на пригушници приближно константан: v V v t V V L g g Струја пригушнице се мијења (расте) са константним нагибом: g di V V L t vl t dt L L 27

28 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Интервал 2 Електрична шема спуштача - прекидач у положају 2 Напон на пригушници приближно константан: v v t V L Струја пригушнице се мијења (опада) са константним нагибом: dil t vl t V dt L L 28

29 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Напони и струје Положај прекидача Спуштач - таласни облици напона и струје пригушнице 29

30 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Напони и струје Спуштач - одређивање амплитуде рипла струје Промјена струје пригушнице једнака је производу нагиба струје и дужине трајања интервала у коме струја расте/пада: V V V V V V i DT i DT D D T D T L 2L 2L 2L g g g 2, 1 1 L s L s s s Индуктивитет пригушнице при коме струја има промјену Δi L : Vg V L 2i L DT s 30

31 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Напони и струје Спуштач - таласни облик струје пригушнице у прелазном режиму (укључење) У стационарном стању важи: 1 i n T i nt L s L s 31

32 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Напони и струје [21] 2Δi L Спуштач - средња, максимална и минимална вриједност струје пригушнице Средња вриједност струје пригушнице: IL IR V R Максимална и минимална вриједност струје пригушнице: V V 1 1 IL.max IL il 1 DTs V 1 DTs R 2L R 2L V V 1 1 IL.min IL il 1 DTs V 1 DTs R 2L R 2L 32

33 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Напони и струје Спуштач - режим непрекидне и прекидне струје пригушнице [21] Претварач ради у режиму непрекидне струје пригушнице ако je увијек i L 0, односно i L.min 0. Граница режима непрекидне и прекидне струје јавља се када је средња вриједност струје оптерећења (i R.min ) једнака промјени струје пригушнице (Δi L ). Непрекидност струје пригушнице зависи од: оптерећења, прекидачке фреквенције, величине пригушнице и односа улазног и излазног напона. Детаљна анализа дата у [1] и. 1 1 IL.min V 1 DTs 0 R 2L R L Lmin 1 DTs 2 33

34 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Излазни риплови Укупни набој Спуштач - напон и струја филтерског кондензатора Излазни напон претварача једнак је напону филтерског кондензатора. Код извођења основних релација могуће је занемарити рипл излазног напона. НИЈЕ могуће занемарити рипл струје пригушнице. Ако је рипл излазног напона довољно мали (ЈЕСТЕ) то значи да практично сва наизмјенична компонента (рипл) струје пригушнице тече кроз филтерски кондензатор, а не кроз оптерећење. 34

35 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Излазни риплови Укупни набој Спуштач - напон и струја филтерског кондензатора Струја кондензатора је позитивна половину периода прекидачке фреквенције. За то вријеме напон кондензатора нарасте од минималне до максималне вриједности. Укупни набој који, за то вријеме, протече кроз кондензатор је: q C 2v 35

36 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Излазни риплови Укупни набој Спуштач - напон и струја филтерског кондензатора Укупни набој једнак је површини осјенченог троугла, одакле се добије вриједност рипла напона кондензатора (излазног напона): 1 Ts q il C 2v it L s v 36 8 C

37 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Анализа.Излазни риплови [3] Излазни филтер са реалним кондензатором Еквивалентни серијски отпор (ESR) реалног филтерског (електролитског) кондензатора може бити значајно велики. То изазива повећање рипла излазног напона, једнако производу струје кондензатора и ESR. Овај члан у неким случајевима може постати доминантан. Рјешење - употреба (скупих) кондензатора са малим ESR или паралелно везивање више стандардних кондензатора. 37

38 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Таласни облици [10] Спуштач - таласни облици струја и напона 38

39 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Пројектовање Израчунати D које одговара жељеном излазном напону Изабрати прекидачку фреквенцију: пожељно >20 khz (изнад границе чујности) већа f s - мањи L и С, већи губици (хладњак), мања ефикасност [21] Изабрати тип прекидача (MOSFET - MHz; IGBT) Израчунати L min (за режим непрекидне струје узети знатно већу вриједност индуктивитета). Одредити максималну и ефективну струју пригушнице Одредити С мора издржати максимални излазни напон мора водити максималну ефективну струју 39

40 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Избор прекидача SPST прекидач са дефинисаним поларитетима напона и струје са једним SPDT прекидачем Спуштач напона Сви полупроводнички прекидачи раде као SPST са два SPST прекидача Принцип реализације прекидачког DC-DC претварача са различитим типовима прекидача Типови прекидача - SPST (single-pole single-throw) и SPDT (single-pole double-throw) (полупроводнички су типа SPST) 40

41 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Избор прекидача Спуштач напона - примјер Прекидач А:транзистор Радне тачке SPST прекидача Прекидач А укључен Прекидач В укључен Прекидач В: диода Прекидач А искључен Прекидач В искључен Прекидач А Прекидач В Потребне UI карактеристике полупроводничких прекидача код реализације DC-DC претварача 41

42 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Избор прекидача Прекидач А укључен Прекидач В укључен Прекидач А искључен Прекидач В искључен Практична реализација DC-DC претварача помоћу 1Q полупроводничких прекидача (транзистор + диода) 42

43 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Избор прекидача.прекидачки губици Основни извори прекидачких губитака у претварачима: Прекидачка времена транзистора Набој у диоди (гашење) Енергија у паразитним капацитетима и индуктивитетима 43

44 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Тиристорски чопери - 1 Главни прекидач Повратна диода i T1 i p C T 1 i C L p E i T2 T 2 i D1 D 2 D 1 L i D2 R p Помоћни прекидач Комутациони круг 44

45 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Тиристорски чопери - 1 i T1 i p i C C T 1 L p E i T2 T 2 i D1 D 2 D 1 L i D2 R p 45

52 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Тиристорски чопери - 2 Главни прекидач Повратна диода i T1 T 1 i p C E L i D1 D 1 T 2 i T2 i D2 D 2 D 3 L p i LC i D3 R p Помоћни прекидач Комутациони круг 52

53 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Тиристорски чопери - 2 i T1 T 1 i p C E L i D1 D 1 T 2 i T2 i D2 D 2 D 3 L p i LC i D3 R p 53

61 $>Ее1:DC-DC.Спуштач.Тиристорски чопери - 2 i T1 T 1 i p C E L i D1 D 1 T 2 i T2 i D2 D 2 D 3 L p D 4 i LC i D3 R p R 4 61

63 $>Ее1:DC-DC.Подизач Подизач - принцип и реализација помоћу MOSFET и диоде Подизач (Step-up, Boost): U out >U in Када се DC-DC претварач користи у склопу SMPS, паралелно оптерећењу веже се филтерски кондензатор великог капацитета (С - електролитски) 63

64 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа Електрична шема подизача са C паралелно оптерећењу Прекидач у положају 1 Прекидач у положају 2 Активни дијелови шеме подизача при различитим положајима прекидача 64

65 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Интервал 1 Електрична шема подизача - прекидач у положају 1 Напон на пригушници и струја кондензатора (занемаривањем рипла): v L V g i C v R V R 65

66 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа - интервал 2 Електрична шема подизача - прекидач у положају 2 Напон на пригушници и струја кондензатора (занемаривањем рипла): v V v V V L g g v V ic il I R R 66

67 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Напони и струје Подизач - таласни облици напона пригушнице и струје кондензатора 67

68 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Vs баланс Таласни облик напона пригушнице подизача Примјеном Vs баланса на пригушницу подизача добије се: 1 T s T s 0 1 v t dt V DT V V D T L g s g s Изједначавањем са 0: V D D V D g V V 1 1 0, g 1 1 D Конверзиони однос напона подизача: V 1 M D V 1 D g 68

69 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Конверзиони однос Подизач - конверзиони однос напона у функцији фактора испуне D 69

70 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Аs баланс Таласни облик струје кондензатора подизача Примјеном Аs баланса на кондензатору подизача добије се I - DC компонента струје пригушнице: Изједначавањем са 0: T s 1 V V i tdt DT I 1 DT T R R s 0 C s s V D 1 D I 1 D 0, R V Vg I D R D R

71 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Напони и струје Подизач - одређивање амплитуде рипла струје Нагиб струје пригушнице у интервалу 1: g di t v t dt L L L L V Нагиб струје пригушнице у интервалу 2: g di V V L t vl t dt L L Промјена струје пригушнице у интервалу 1 једнака је нагиб*трајање интервала: Vg L DT g g s 2 L s, L s 1 s 2 i V V V i DT i DT D D T L 2L 2L L 71

72 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Излазни риплови Подизач - напон филтерског кондензатора Нагиб напона кондензатора у интервалу 1: dvc t ic t V dt C RC Нагиб напона кондензатора у интервалу 2: C C Промјена напона кондензатора у интервалу 1 једнака је нагиб*трајање интервала (? ESR): dv t i t I V dt C C RC V V V 2 v DT, v DT, C DT RC 2RC 2Rv s s s 72

73 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Напони и струје [6, 21] Подизач - средња, максимална и минимална вриједност струје пригушнице Средња вриједност струје пригушнице: I L I V g 1 D 2 R Максимална и минимална вриједност струје пригушнице: V V I I i DT 1 D R 2L g g L.max L L 2 s V V I I i DT 1 D R 2L g g L.min L L 2 s 73

74 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Напони и струје Претварач ради у режиму непрекидне струје пригушнице ако je увијек i L 0, односно i L.min 0. Граница режима непрекидне и прекидне струје јавља се када је средња вриједност струје оптерећења (i R.min ) једнака промјени струје пригушнице (Δi L ). Непрекидност струје пригушнице зависи од: оптерећења, прекидачке фреквенције, величине пригушнице и односа улазног и излазног напона. Детаљна анализа дата у [1] и. [6, 21] Vg Vg IL.min I L il DT 2 s 1 D R 2L Vg Vg 2 DT 1 D R 2L R 2 L Lmin D1 D T 2 s s 0 74

75 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Анализа.Таласни облици [10] Подизач - таласни облици струја и напона 75

76 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Реална пригушница Утицај реалних компоненти на карактеристике претварача дат на примјеру подизача са реалном пригушницом, која је представљена серијском везом идеалне пригушнице и отпорника који представља отпорност намотаја. На сличан начин могу се анализирати утицаји реалних прекидача, кондензатора и тд. Подизач - електрична шема са реалном пригушницом 76

77 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Реална пригушница.анализа Електрична шема подизача са реалном пригушницом - прекидач у положају 1 Напон на пригушници и струја кондензатора (занемаривањем рипла): v t V i t R V IR i C L g L g L t vt R V R 77

78 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Реална пригушница.анализа Електрична шема подизача са реалном пригушницом - прекидач у положају 2 Напон на пригушници и струја кондензатора (занемаривањем рипла): v t V i t R v t V IR V L g L g L vt V i C t i t I R R 78

79 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Реална пригушница.анализа Подизач са реалном пригушницом - таласни облици напона пригушнице и струје кондензатора Средња вриједност напона пригушнице и струје кондензатора: T 1 v t v t dt D V IR D V IR V s 1 L L g L g L Ts 0 T s 1 V V ict ict dt D 1 D I T R R s 0 Примјеном Vs и Аs баланса: 0 V IR 1 D V g V 0 1 D I R L 79

80 $>Ее1:DC-DC.Подизач.Реална пригушница.анализа Реалне компоненте смањују конверзиони однос подизача (у пракси максимално 5-6): V 1 1 R M D V g 1 D RL 1 1 D 2 [1, 6] Конверзиони однос напона подизача са реалном пригушницом 80

81 $>Ее1:DC-DC.DC трансформатор Идеални DC-DC претварач могуће је моделирати тзв. DC трансформатором Улаз Прекидачки DC-DC претварач Излаз Управљачки улаз Прекидачки DC-DC претварач - блок шема За идеални DC-DC претварач важи (у стационарном стању):, 100%,, P P V I VI in out g g V M D V I M D I g g 81

82 $>Ее1:DC-DC.DC трансформатор Улаз Зависни извори Излаз DC трансформатор Улаз Излаз Управљачки улаз Еквивалентне шеме које одговарају једначинама идеалног прекидачког DC-DC претварача M(D) као преносни однос, 100%,, P P V I VI in out g g V M D V I M D I g g 82

83 $>Ее1:DC-DC.DC трансформатор Улаз Излаз DC трансформатор Управљачки улаз Основне карактеристике идеалног DC-DC претварача моделираног DC трансформатором: Идеално претварање DC напона и струја, са 100 % ефикасношћу Фактор испуне управља конверзионим односом М Пуна линија симболизује модел идеалног трансформатора, способног да преноси DC напоне и струје Модел је временски независан и служи за проналажење DC компоненти таласних облика који се појављују у претварачу 83

84 $>Ее1:DC-DC.DC трансформатор.примјер Оригинални систем Пресликавање извора преко трансформатора Уметање модела DC трансформатора Рјешење круга Примјер коришћења модела DC трансформатора 84

85 $>Ее1:DC-DC.DC трансформатор.закључак 1. Модел DC трансформатора репрезентује основну функцију било ког DC-DC претварача - трансформација DC напона и струја (идеално са 100% ефикасношћу) и управљање конверзионим односом M помоћу фактора испуне D. Модел је једноставан за манипулацију и рјешавање помоћу уобичајених техника за анализу електричних кола. 2. Модел може бити обогаћен да узима у обзир губитке на реалним компонентама (отпор пригушнице или прекидача, пад напона на прекидачу) и предвиђа напоне, струје и ефикасност реалних претварача. 3. У општем случају, еквивалентни DC круг претварача могуће је добити из Vs баланса пригушнице и Аs баланса кондензатора. Код претварача са пулсационом улазном струјом потребна је додатна једначина за моделирање улазног прикључка претварача (може се добити усредњавањем улазне струје претварача). 85

86 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Инверзија улаза и излаза Спуштач Ток снаге Ток снаге Спуштач - инверзија (замјена) улазних и излазних прикључака 86

87 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Инверзија улаза и излаза Промјена смјера тока енергије тражи нову реализацију прекидача Транзистор води када је прекидач у положају 2, па D и (1-D) мијењају улоге, односно: V V D Подизач - инверзија спуштача 87

88 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Каскадно везивање претварача Каскадним везивањем се добије нови претварач, чији је конверзиони однос М (степен корисног дејства η) једнак производу конверзионих односа (степени корисног дејства) појединачних претварача (*) 88

89 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Спуштач Подизач Каскадна веза спуштача и подизача 89

90 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Избацивање С 1 Комбиновање L 1 и L 2 Неинвертујући спуштач - подизач 90

91 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Интервал 1 Интервал 2 Неинвертујући спуштач-подизач - принцип рада 91

92 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Неинвертујући спуштач-подизач Интервал 1 Интервал 2 Инвертујући спуштач-подизач Неинвертујући и инвертујући спуштач-подизач - промјена поларитета излазног напона 92

93 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Једна страна пригушнице инвертујућег спуштача-подизача увијек везана на масу - могућа употреба само једног SPDT прекидача Каскадном везом спуштача и подизача добијен нови претварач (спуштач-подизач) Инвертујући спуштач-подизач 93

94 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Каскадно везивање претварача Карактеристике Спуштача-подизача (buck-boost) произилазе из чињенице да је настао каскадним везивањем спуштача и подизача: Еквивалентни модел круга: Трансформатор 1:D спуштача каскадно спојен са трансформатором (1-D):1 подизача Импулсна улазна струја (спуштач) Импулсна излазна струја (подизач) Могуће и друге каскадне комбинације Ћук: Подизач каскадно везан са спуштачем... 94

95 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач Спуштач-подизач - принцип и реализација помоћу MOSFET и диоде Спуштач-подизач (Buck-Boost): -U out ><U in 95

96 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Интервал 1 Прекидач у положају 1 Спуштач-подизач - електрична шема са прекидачем у положају 1 Прекидач у положају 1 - води MOSFET, нагомилавање енергије на пригушници, кондензатор напаја потрошач. Напон на пригушници и струја кондензатора (занемаривањем рипла): di t v t L v t v t V dt s L g g T g vt dv t v t V s ic t C dt R R R T 96

97 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Интервал 2 Прекидач у положају 2 Спуштач-подизач - електрична шема са прекидачем у положају 2 Прекидач у положају 2 - води диода, нагомилана енергије на пригушници се предаје потрошачу. Напон на пригушници и струја кондензатора (занемаривањем рипла): di t vl t L vt vt V T dt s s ic t C i t i t I Ts dv t v t vt T V dt R R R 97

98 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Усредњавање Спуштач-подизач - напон пригушнице (*) Усредњавање (општи случај): tt s 1 xt xd Ts T s t Усредњавање напона пригушнице (AC анализа): s 1 vl t vl d d t vg t 1 d t v t DVg 1 DV Ts Ts T T s d i t T s tt t 1 g 1 s L d t vg t d t v t DV D V Ts Ts dt 98

99 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Напони и струје Коришћење средње (усредњене) вриједности напона пригушнице омогућава одређивање промјене струје пригушнице на једном прекидачком периоду, уз занемарење прекидачког рипла У стационарном стању, средња вриједност напона пригушнице ==0 (Vs баланс), а пошто је струја пригушнице периодична важи: i t T i t тј, укупна промјена струје пригушнице на прекидачком периоду ==0. s За вријеме прелазних режима (AC варијација/промјена), средња вриједност напона пригушнице <>0, па долази и до промјена струје пригушнице Спуштач-подизач - напон и струја пригушнице (*) 99

100 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Напони и струје Промјена струје пригушнице на прекидачком периоду = период * средња вриједност нагиба струје (познавањем средње вриједности напона пригушнице могуће одредити промјену струје пригушнице - динамика): Ts it Ts it vlt T L s Стварни таласни облик, са риплом Усредњени таласни облик Спуштач-подизач - струја пригушнице (*) 100

101 101 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Напони и струје s s s T L T s s T L s s t v dt t i d L T t i T t i L t v L T t i T t i Веза усредњених вриједности напона и струје пригушнице: Промјена (амплитуда рипла) струје пригушнице на прекидачком периоду рачуна се као производ усредњеног нагиба струје и прекидачког периода: s s s s s T L s T T g s s s L T s s s s g L T g s s t v L T i t v d t v t d L T i T i L D T V i t v L T d dt i T i L DT V i t v L T d i dt i , 1 2, 0.2.1

102 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Напони и струје Усредњена вриједност струје кондензатора: i C C t d v T s t dt d T s t v 1 d t R T s t it 1 dt it T s v t R T s T s v t R 1 D I T s V R Усредњена вриједност улазне струје: Спуштач-подизач - напон и струја кондензатора i g i t g i 0, t, у интервалу у интервалу t dt it DI T s T s T s Спуштач-подизач - улазна струја

103 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Напони и струје У стационарном стању важи: d t t v g D, T s V g Основне релације спуштача-подизача: D V 1 D V I I g 1 DR 1 D DI V g, M D 1 D VgD, 2 R АС анализа се спроводи увођењем малих АС вриједности, суперпонираних на DC вриједности свих карактеристичних промјењивих (пертурбација). Послије линеаризације једначина са пертубованим вриједностима добије се понашање претварача у транзијентним (АС) режимима рада. Детаљно у. 103

104 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Напони и струје Максимална и минимална вриједност струје пригушнице: g g s L.max L L.1 2 I I i g g s L.min L L.1 2 I I i V D 1 D 1 D V D R R V DT 2L V DT Претварач ради у режиму непрекидне струје пригушнице ако je увијек i L 0, односно i L.min 0. Непрекидност струје пригушнице зависи од: оптерећења, прекидачке фреквенције, величине пригушнице и односа улазног и излазног напона. Детаљна анализа дата у [1] и. L min 2 1 D 2 T s R 2L [21] Рипл излазног напона: VDT v s 2RC 104

105 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Таласни облици [10] Спуштач-подизач - таласни облици напона и струја (режим непрекидне струје L) 105

106 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Анализа.Таласни облици Спуштач-подизач - таласни облици напона и струја (режим прекидне струје L) 106

107 $>Ее1:DC-DC.Спуштач-подизач.Закључак Излазни напон спуштача-подизача увијек негативан у односу на улазни напон [21] Апсолутна вриједност излазног напона може бити већа (када је D>0.5) или мања од улазног напона (D<0.5) Извор (улазни напон) НИКАДА није директно спојен на излаз (оптерећење). Енергија се прво нагомила у пригушници (интервал 1), а онда преноси оптерећењу (интервал 2). Могућ природан рад у режиму кратког споја. У режиму прекидне струје пригушнице излазни напон у стационарном стању одређен оптерећењем, али је једноставније постићи добре динамичке особине (RHP нула практично елиминисана) Подизач и спуштач-подизач врло често пројектовани да раде у режиму прекидне струје пригушнице, са пуним оптерећењем (остали претварачи обично при малим оптерећењима) 107

108 $>Ее1:DC-DC.Ћук Ћук - принцип и реализација помоћу MOSFET и диоде Ћук (Boost-Buck): -U out ><U in Двије пригушнице и кондензатор учествују у претварању енергије 108

109 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа Прекидач у положају 1 - води MOSFET и нагомилава енергију на L 1, C 1 прослеђује нагомилану енергију на излаз и L 2 Ћук - електрична шема са прекидачем у положају 1 Прекидач у положају 2 - води диода, C 1 се пуни енергијом са улаза и L 1, L 2 даје нагомилану енергију излазу Ћук - електрична шема са прекидачем у положају 2 109

110 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Интервал 1 (MOSFET) Ћук - електрична шема са прекидачем у положају 1 Напони на пригушницама и струје кондензатора (занемаривањем рипла): v L.1 V g v v v V V L i i I C v V i i I R R 2 2 C

111 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Интервал 2 (диода) Ћук - електрична шема са прекидачем у положају 2 Напони на пригушницама и струје кондензатора (занемаривањем рипла): v V v V V L.1 g 1 g 1 v v V L i i I C v V i i I R R 2 2 C

112 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Vs, As баланс Ћук - таласни облик напона пригушнице L 1 Ћук - таласни облик напона пригушнице L 2 Ћук - таласни облик напона кондензатора С 1 Ћук - таласни облик напона кондензатора С 2 112

113 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Vs, As баланс Примјеном Vs баланса на пригушницe L 1, L 2 и кондензаторе C 1, C 2 добије се: L.1 g g 1 v V D V V 1 D 0 v D V V 1 D V 0 L i DI 1 D I 0 C V2 ic.2 I2 0 R D D V2 Vg, M 1D 1D За вријеме оба интервала струја i C2 je jeднака разлици струје пригушнице i 2 и струје оптерећења V 2 /R. Ако се занемари рипл, i C2 je константна и једнака

114 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Конверзиони однос Ћук - конверзиони однос напона у функцији фактора испуне D 114

115 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Струје и напони Нагиби струја пригушница L 1, L 2 у интервалу 1, уз занемарене риплове: di1 t v V L1 t dt L L 1 1 di t v t V V dt L L 2 L2 1 2 g 2 2 di1 t v V L1 t g V dt L L 1 1 di t v t V dt L L 2 L Нагиби струја пригушница L 1, L 2 у интервалу 2, уз занемарене риплове: 1 Ћук - таласни облици струја i 1 и i 2 115

116 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Струје и напони Ћук - таласни облик напона на кондензатору С 1 Нагиб напона на кондензатору С 1, у интервалу 1, уз занемарене риплове: dv t i t I dt C C 1 C Нагиб напона на кондензатору С 1, у интервалу 2, уз занемарене риплове: dv t i t I dt C C 1 C

117 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Риплови Промјене (амплитуде риплова) напона и струја: i g i2 DTs 2L2 2L2 2 I2DT VgD T s s v1 2C D RC1 v 2 V DT V g 0 2L s V V DT s Спрезањем пригушница L 1, L 2 и одговарајућим избором њихових индуктивитета могуће је постићи да је таласност (амплитуда рипла) улазне и излазне струје ==0 117

118 $>Ее1:DC-DC.Ћук.Анализа.Таласни облици [10] Ћук - таласни облици струја и напона 118

119 $>Ее1:DC-DC.Топологије.ШИМ модел претварача 1 Коришћењем тзв. ШИМ модела претварача са 3 прикључка могуће је на једноставан начин добити све основне топологије претварача. Модел се састоји од SPDT прекидача којим се управља са ШИМ и њему у серију везане пригушнице (прекидачка ћелија са 3 прикључка) [5, 6] Прекидачка ћелија може бити спојена са извором и оптерећењем на 3 различита начина: а=а a=c a=a b=b c=c => Спуштач b=a c=b => Подизач b=c c=b => Спуштач-подизач 119

120 $>Ее1:DC-DC.Топологије.ШИМ модел претварача 2 Други начин моделирања претварача је коришћење дуалне прекидачке ћелије која се састоји од SPDT прекидача којим се управља са ШИМ и њему паралелно везаног кондензатора (дуална прекидачка ћелија са 3 прикључка) Дуална прекидачка ћелија може бити спојена са извором и оптерећењем на 3 различита начина: а=а a=c a=a b=b c=c => Спуштач са LC улазним филтром b=a c=b => Подизач са LC излазним филтром b=c c=b => Ћук 120

121 $>Ее1:DC-DC.Топологије.1Q, 2Q, 4Q претварачи Подјела претварача на једноквадрантне (1Q) и вишеквадрантне врши се према поларитету напона и струје на излазу (одређено шемом и типом прекидача): 1Q : U out >0, I out >0 2Q : U out >0, I out ><0 4Q : U out ><0, I out ><0 [10] Излазне карактеристике 1Q, 2Q и 4Q претварача 121

122 $>Ее1:DC-DC.Топологије.1Q, 2Q претварачи (једна пригушница) Спуштач Подизач 1Q претварачи са једном пригушницом - шема и конверзиони однос 122

123 $>Ее1:DC-DC.Топологије.1Q, 2Q претварачи (једна пригушница) Спуштач-подизач Неинвертујући спуштач-подизач 1Q претварачи са једном пригушницом - шема и конверзиони однос 123

124 $>Ее1:DC-DC.Топологије.1Q, 2Q претварачи (двије пригушнице) Ћук 1Q претварачи са двије пригушнице - шема и конверзиони однос 124

125 $>Ее1:DC-DC.Топологије.1Q, 2Q претварачи (двије пригушнице) Инверзни SEPIC Спуштач 2 1Q претварачи са двије пригушнице - шема и конверзиони однос 125

126 $>Ее1:DC-DC.Топологије.2Q претварачи Приказане основне топологије претварача, код којих се користе SРDT прекидачи, су 2Q (U out >0, I out ><0). С обзиром да су реални полупроводнички прекидачи SPST, стварно се ради о 1Q. Основне топологије могуће је реално претворити у 2Q коришћењем двостраних прекидача (блокирање + напона, вођење + и струје) T 1 L V g D 2 C V Реални 1Q спуштач 126

127 $>Ее1:DC-DC.Топологије.2Q претварачи Приказане основне топологије претварача, код којих се користе SРDT прекидачи, су 2Q (U out >0, I out ><0). С обзиром да су реални полупроводнички прекидачи SPST, стварно се ради о 1Q. Основне топологије могуће је реално претворити у 2Q коришћењем двостраних прекидача (блокирање + напона, вођење + и струје) T 1 L V g D 1 T 2 D 2 C V У пару раде Т 1 D 2 и Т 2 D 1 Реални 2Q спуштач (једна грана Н моста) 127

128 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.2 2Q претварача 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач се може реализовати спајањем оптерећења између излаза 2 2Q претварача (диференцијално). Излазни напон једнак је разлици напона 2Q претварача (напони појединачних претварача +, а излазни напон и + и ). dc извор Претварач 1 Оптерећење Претварач 2 4Q претварач (диференцијално спојено оптерећење) 128

129 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.2 2Q спуштача 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач, реализован спајањем оптерећења између излаза 2 2Q спуштача. Првим 2Q спуштачeм се управља укључивањем прекидача са D, а другим са (1- D). Излазни напон је: Спуштач 1 V DV 1 D V V 2D 1 V M g 2D1 g g Спуштач 2 4Q претварач (диференцијално спојено оптерећење) 129

130 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.2 2Q спуштача.с+с=с 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач, реализован спајањем оптерећења између излаза 2 2Q спуштача, може се поједноставити. Први корак је уједињавање кондензатора појединачних претварача у један и његово спајање паралелно оптерећењу. Спуштач 1 Спуштач 2 4Q претварач од 2 2Q спуштача - поједностављење 130

131 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.2 2Q спуштача.l+l=l.мост 4Q (U out ><0, I out ><0) претварач, реализован спајањем оптерећења између излаза 2 2Q спуштача, може се даље поједноставити уједињавањем пригушница Резултат је МОСТ (Н мост, ИНВЕРТОР). Користи се као 1f инвертор (DC-AC) или серво појачавач 4Q претварач - МОСТ 131

132 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.1f мост [5] C T 1.G T 2.G C L LEM C M + LEM L C T 1.D T 2.D C 1f мосни инвертор (DC-XC, MOSFET) 132

133 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.1f мост C T 1.G T 2.G C L LEM C M + LEM L C T 1.D T 2.D C 1f мосни инвертор - вођење прекидача и токови снаге I o <0 I o >0 УНИ. U o >0 U o <0 P<0 P>0 D 1.G D 2.D T 1.G T 2.D P>0 P<0 T 2.G T 1.D D 1.D D 2.G U o >0 U o <0 БИП. P=0 P=0 U o =0 T 1.D D 2.D T 2.D D 1.D U o =0 T 2.G D 1.G T 1.G D 2.G 133

134 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.1f полумост C T 1.G + T 2.G C L LEM C M LEM L PM C T 1.D + T 2.D C C M 1f полумосни инвертор (MOSFET) 134

135 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.1f полумост Vg Vg V D 1 D 2 2 Vg V 2D1 2 C L T 1.G LEM + C M PM LEM T 2.G L C M 2D 1 2 C T 1.D + C M T 2.D C 1f мосни инвертор - вођење прекидача и токови снаге I o <0 I o >0 U o >0 P<0 P>0 D 1.G С М.G T 1.G С М.G U o >0 U o <0 P>0 P<0 T 1.D С М.D D 1.D С М.D U o <0 135

136 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.3 2Q претварача Трофазни (3f) 4Q претварач (3f инвертор) може се добити диференцијалним спајањем 3 2Q претварача. Принцип је следећи: За симетрично оптерећење је: V n 1 3 V Фазни напони: 1 V V V V 2 an bn cn V 3 V V V V V n V n n DC извор Управљање претварачима тако 3f 4Q претварач од 3 2Q да су им DC компоненте у излазним претварача напонима једнаке. Тада је V n =DC, па долази до поништавања, тј. фазни напони не саадрже DC компоненту. 136 Претварач 1 Претварач 2 Претварач 3 3f оптерећење

137 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.3 2Q спуштача DC извор 3f оптерећење 3f 4Q претварач од 3 2Q спуштача 137

138 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.3 2Q спуштача.3f мост DC извор 3f оптерећење 3f 4Q претварач од 3 2Q спуштача - 3f напонски инвертор (3f МОСТ) 138

139 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.3 2Q спуштача.3f мост T 1.G T 2.G T 3.G [5] u v w T 1.D T 2.D T 3.D 3f напонски мосни инвертор (IGBT) 139

140 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.3f струјни инвертор DC извор 3f оптерећење 3f струјни инвертор (подизач) 140

141 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.dc-ac Мост 4Q претварачи погодни за DC-AC 141

142 $>Ее1:DC-DC.Топологије.4Q претварачи.ac-dc Струјни мост 4Q претварачи погодни за AC-DC 142

143 $>Ее1:DC-DC.Топологије.Закључак У принципу, постоји бесконачан број претварача састављених од прекидача, пригушница и кондензатора Двије основне класе претварача: 1 улаз, 1 излаз, 1 пригушница: Прекидачи спајају пригушницу између извора и оптерећења на један начин у првом, а на други начин у другом радном интервалу. Постоји 8 типова претварача ове класе: DC-DC: Спуштач, подизач, спуштач-подизач, неинвертујући спуштач-подизач DC-AC: Мост, Воткинс-Џонсонов претварач AC-DC: Струјни мост, инверзија Воткинс-Џонсон 1 улаз, 1 излаз, 2 пригушнице: Такође постоје два радна интервала. Најпознатији представници Ћук и SEPIC. 143

144 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.трансформатор (трафо) Галванска изолација улаза и излаза олакшава задовољавање сигурносних захтјева Трансформатор уконпонован у шему претварача. Димензије трансформатора мале (високофреквентни, феритни). Коришћење трансформатора код подизања и спуштања напона са већим конверзионом односом смањује струјно и напонско оптерећење компоненти претварача Трансформатор омогућава једноставно добијање више различитих излазних напона (галвански изоловани, додавање секундарних намотаја и одговарајућих кругова) 144

145 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.трафо.модел Вишенамотајни трафо Прилике у трафоу описују једначине: Идеални трансформатор Еквивалентни круг v1 t v2 t v3 t... n n n n i t n i t n i t... '

146 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.трафо.модел.l M Магнетизација трафоа моделира се индуктивитетом L M, спојеним паралелно намотајима Ако су секундарни намотаји одспојени, примарни намотај се понаша као индуктивитет, једнак индуктивитету магнетизације У случају DC сигнала индуктивитет магнетизације иде у засићење. Трафо НЕ МОЖЕ ДА ПРЕНОСЕ DC напон. Трафо иде у засићење ако је струја магнетизације i M сувише велика Засићење Нагиб ВН карактеристика језгра трафоа 146

147 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.трафо.vs баланс L M И за индуктивитет магнетизације важи: 1 v t L M di M dt t 1 im t im 0 v1 d L M t o Струја магнетизације одређена интегралом напона намотаја. Струја магнетизације и струја намотаја су НЕЗАВИСНЕ. Због Vs баланса важи: 0 i T i M s M 0 1 T s T s o v 1 t dt Идеални трансформатор Еквивалентни круг 147

148 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.трафо.vs баланс L M Ресет трансформатора - маханизам за обезбјеђење Vs баланса индуктивитета магнетизације Захтјев за ресетовањем трансформатора на крају сваког прекидачког периода значајно повећава сложеност претварача Анализа претварача са трансформаторском изолацијом: Замијенити трафо еквивалентним кругом који садржи индуктивитет магнетизације, Спровести уобичајену анализу третирајући индуктивитет магнетизације као обични индуктивитет, Примјенити Vs баланс на све индуктивитете у претварачу, укључујући и индуктивитет магнетизације. 148

149 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд (Forward) Форверд - електрична шема Варијанта директног претварача са трансформаторском галванском изолацијом Са једним или два транзистора Ограничење максималне вриједности фактора испуне D Ресет трансформатора када је транзистор искључен (n 2 ) 149

150 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд Форверд - електрична шема са еквивалентним трансформаторским кругом 150

151 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.анализа.интервал 1 Форверд - преношење енергије (трајање DT s ) 151

152 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.анализа.интервал 2 Форверд - ресет трансформатора (трајање D 2 T s ) 152

153 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.анализа.интервал 3 Форверд - повратна диода (трајање D 3 T s ) 153

154 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.таласни облици Форверд - таласни облици Води Индуктивитет магнетизације, заједно са диодом D 1, ради у режиму прекидне струје Излазна филтерска пригушница, заједно са диодом D 3, ради у режиму прекидне ИЛИ непрекидне струје 154

155 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.vs баланс L M (ресет) Форверд - ресет трафоа (трајање D 2 T s ) n 1 v1 DVg D2 Vg D3 0 0 n2 n2 D2 D n 1 DT D T D T T s 2 s 3 s s n 2 D3 1 D1 0 n1 1 1 D, D, за n n n2 1 2 n n max V V 1 2 V, за n n Максимални напон транзистора: 1 Q1 g g 1 2 n2 155

156 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.конверзиони однос Форверд - излазни напон Води n VD3 V DV n Излазни напон форверд претварача: 3 1 g 156

157 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.форверд.2 транзистора Форверд претварач са 2 транзистора За форверд са 2 транзистора важи: max 1 max 2 V V V Q Q g 1 D, V ndv 2 g 157

158 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек (Flyback) Флајбек - електрична шема са еквивалентним трансформаторским кругом Варијанта индиректног претварача (спуштач-подизач) са галванском изолацијом улаза и излаза Са једним или два транзистора Специфичан трансформатор (пригушница) 158

159 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек.генеза.1 Спуштач-подизач Спуштач-подизач - пригушница са додатним намотајем од паралелно мотане жице 159

160 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек.генеза.2 Пригушница са изолованим намотајима - флајбек Флајбек са преносним односом 1:n и позитивним напоном на излазу 160

161 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек. Трансформатор Двонамотајни индуктивитет - исти симбол као код идеалног трансформатора, различита функција Енергија се гомила у индуктивитету за магнетизацију, који је релативно мали Струја не тече истовремено кроз примарни и секундарни намотај Тренутне вриједности напона намотаја слиједе однос намотаја Тренутне и ефективне вриједности струја намотаја НЕ слиједе однос намотаја Моделира се малом пригушницом магнетизације, спојеном паралелно идеалном трансформатору Флајбек трансформатор 161

162 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек.анализа.интервал 1 Флајбек - гомилање енергије (трајање DT s ) v vl Vg ic ig i R У овом интервалу важи:,, Ако је струја непрекидна и занемаривањем малог рипла: vl Vg, i V C, ig I R 162

163 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек.анализа.интервал 2 Флајбек - преношење енергије (трајање 1-DT s ) v i v n n R У овом интервалу важи: v, i, i 0 L C g Ако је струја непрекидна и занемаривањем малог рипла: V I V vl, ic, ig 0 n n R 163

164 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек.таласни облици V g 1 0 n Vs баланс: v DV D L Конверзиони однос: M D V V g D n 1 D V I V 1 0 R n R Аs баланс: i D D C DC компонента струје V D R магнетизације: 1 I n DC компонента струје извора: Води I i DI 1 D 0 DI g g Флајбек - таласни облици 164

165 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.флајбек.закључак Много се примјењује на малим снагама и/или при високом улазном напону Мали број компоненти (јефтин) Једноставна реализација претварача са више излаза, са минималним додатним компонентама Регулација лошија него код форверда Често се користи у режиму прекидне струје (Discontinuous Conduction Mode) Понаша се као спуштач-подизач са преносним односом 165

166 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.ћук.генеза 1 Неизоловани Ћук Раздвајање кондензатора С 1 у серијску везу С 1а и С 1b 166

167 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.ћук.генеза 2 Уметањем трансформатора између С 1а и С 1b добијен конверзиони однос: M D V V g D n 1 D Изоловани Ћук Кондензатори С 1а и С 1b обезбјеђују да је на намотајима трансформатора искључиво AC напон (елиминисана DC компонента) Трансформатор функционише на уобичајени начин, са малом струјом магнетизације и занемаривом енергијом на индуктивитету за магнетизацију 167

168 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.мост Модел трафоа Мост са еквивалентним кругом трансформатора 168

169 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.мост.таласни облици Модел трафоа Води Мост - таласни облици 169

170 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.мост.вођење прекидача Први прекидачки период.интервал1 - воде Q 1 и Q 4, у трајању DT s. На прим. намотају напон V g, струја расте линеарно. На сек. страни напон nv g, диода D 5 води (конст.) струју оптерећења i. Први прекидачки период.интервал2 - у трајању 1-DT s, не воде прекидачи на примарној страни, струја магнетизационог намотаја је константна и +. Диоде D 5 и D 6 заједно воде по 0.5 струје оптерећења. Други прекидачки период.интервал1 - воде Q 2 и Q 3, у трајању DT s. На прим. намотају напон -V g, струја опада линеарно. На секунд. страни напон -nv g, диода D 6 води (конст.) струју опт. i. Други прекидачки период.интервал2 - у трајању 1-DT s, не воде прекидачи на примарној страни, струја магнетизационог намотаја је константна и. Диоде D 5 и D 6 заједно воде по половину струје оптерећења. Vs баланс трансформатора је обезбјеђен на 2 прекидачка периода 170

171 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.мост.неидеалности и Vs баланс Пад напона на реалним прекидачима смањује напон на примарном намотају, за вријеме њиховог вођења, на V g 2 V Q (V Q - пад напона на једном прекидачу) Због различитости компоненти и несиметрија круга Vs баланс НИЈЕ у потпуности задовољен Струја магнетизације спорије расте Засићење језгра се избјегава убацивањем кондензатора у серију са примаром или употребом струјног управљања 171

172 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.мост.vs баланс L Мост - секундар - таласни облици V v, V ndv, M D nd Vs баланс L : s Води Изоловани DC-DC мост се понаша као спуштач са преносним односом 172 g

173 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.полумост Полумост - електрична шема Прекидачи Q 3 и Q 4 замијењени великим електролитским кондензаторима. На сваком кондензатору напон 0.5 V g Секундарни напон v s (t) смањен 2 х M=0.5 nd 173

174 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.пуш-пул Пуш-пул - електрична шема V ndvg, 0 D 1 174

175 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.пуш-пул.таласни облици Води Пуш-пул - таласни облици 175

176 $>Ее1:DC-DC.Изоловани претварачи.пуш-пул Понашање аналогно мосном претварачу, само што у формирању излазног напона учествује по 1 прекидач и по један намотај са примарне стране. Смањење напона на примарном намотају, за вријеме вођења прекидача, на V g V Q (V Q - пад напона на једном прекидачу) Прекидачи блокирају напон 2 V g Погодан за примјену на малим улазним напонима Секундарни круг идентичан као код моста Vs баланс трансформатора обезбјеђен на 2 прекидачка периода Избјегавање проблема засићења трансформатора употребом струјног управљања. ШИМ се НЕ препоручује. 176

177 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача НЕ постоји претварач који би најбоље одговарао свим могућим примјенама Избор најбољег претварача за дату примјену тражи поређење различитих рјешења према датим критеријумима: максималне струје и напони прекидача, величина трансформатора стрес и искоришћење прекидача, цијена прекидача... Пројектовање изабраног претварача уз задовољавање бројних компромиса (од пјешке до специјализованих програмских пакета) 177

178 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.стрес и искоришћење прекидача Највећа појединачна цијена у претварачу је обично цијена активних полупроводничких прекидача Губици провођења и прекидачки губици активних полупроводничких прекидача најчешће су већи од осталих губитака у претварачу Вредновање потенцијално примјењивих претварача према напонском и струјном стресу активних полупроводничких прекидача (обично максималним вриједностима) Минимизација укупног стреса прекидача смањује губитке и величину полупроводника (силицијума) потребног за реализацију потребног прекидача (мања цијена, већа поузданост) 178

179 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.стрес прекидача Ако претварач има k активних прекидача, њихов укупни стрес се дефинише као: S k VjI j1 j V j - максимална вриједност напона на прекидачу j, I j - ефективна (понекад максимална) струја прекидача j Код доброг пројектовања укупни стрес активних прекидача треба бити минималан 179

180 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.искоришћење прекидача Пожељно је минимизирати стрес активних прекидача уз повећање максималне излазне снаге Искоришћење активних прекидача се дефинише као однос излазне снаге претварача и стреса активног прекидача: U P load S Искоришћење прекидача показује колико добро претварач користи могућности својих прекидача Код претварача са трансформаторском изолацијом искоришћење активних прекидача је мање од 1 (треба постићи што је могуће већу вриједност) Претварачи са малом искоришћеношћу прекидача траже употребу већих прекидача и раде са релативно малом ефикасношћу 180

181 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.ссм Флајбек.Одређивање S и U max У интервалу 2 прекидач блокира напон: V Vg VQ 1. pk Vg n 1 D Струја прекидача = струја извора: P load IQ 1. rms I D V g D Флајбек Стрес прекидача: V S VQ 1. pk IQ 1. rms Vg I D n Излазна снага: P 1 load I D V n Искоришћење прекидача: Води Pload U 1 D D S 1 Umax за Dopt 3 181

182 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.ссм Флајбек.Одређивање n(d opt ) Флајбек - U(D) У конкретном случају, за дато V g, V и Р load (у радној тачки), могуће је изабрати рад са оптималним D, па на основу њега израчунати преносни однос трансформатора n D opt = 1/3, па је: V 1 D V n 2 V D V g Мало/велико D => велика струја/велики напон прекидача g 182

183 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.стрес и искоришћење прекидача Искоришћење активних прекидача у радној тачки, за неке типове DC-DC претварача D opt 183

184 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.стрес и искоришћење прекидача Повећање радног опсега (промјена улазног напона, оптерећења,...) доводи до смањења искоришћења прекидача Спуштач ради са великим степеном искоришћења прекидача (U 1) када је D 1 Подизач ради са великим степеном искоришћења прекидача (U ) када је D 0 Трансформаторска изолација доводи до смањења искоришћења прекидача. Претварачи из фамилије спуштача са трансформторском изолацијом (мост, полумост, пуш-пул) имају искоришћење прекидача U Њих треба пројектовати да раде са што већим D, ради могућег оптималног избора преносног односа трансформатора. 184

185 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.стрес и искоришћење прекидача Неизоловане и изоловане варијанте спуштача-подизача, SEPIC и Ћук имају U Највеће искоришћење прекидача јавља се за D=1/3 Неизоловане варијанте спуштача-подизача имају мање искоришћење прекидача од спуштача или подизача Изоловане варијанте спуштача-подизача имају исто искоришћење прекидача као и неизоловане 185

186 $>Ее1:DC-DC.Избор претварача.стрес и искоришћење прекидача Цијена полупроводничких Цијена прекидача по kva полупроводничких номиналне снаге прекидача по kw Фактор Фактор Искоришћење излазне снаге сигурности сигурности пре напона струје кидача (Цијена полупроводничких прекидача по kva номиналне снаге) = цијена полупроводничких компоненти подијељена са производом напона блокирања и ефективне струје (?<$1/kVA) Типичне вриједности фактора сигурности (однос максималног радног напона/струје прекидача и номиналног напона/струје) су Цијена активних прекидача у изолованим DC-DC претварачима:? $1 - $10/kW излазне снаге 186

187 $>Ее1:DC-DC.Закључак DС компонента било ког таласног облика претварача = средњој вриједности Код добро пројектованих претварача прекидачки риплови су много мањи од DC вриједности, па се могу занемарити, чиме се поједностављује анализа Примјена Vs баланса омогућава одређивање DC компоненти напона било ког прекидачког претварача (у средњем 0) Примјена Аs баланса омогућава одређивање DC компоненти струја пригушница прекидачких претварача (у средњем 0) Познавање брзине пораста/пада струје пригушнице и напона кондензатора омогућава прорачунавање амплитуда AC прекидачког рипла и избор L и С Ако претварач садржи излазни филтер тада је струја/напон једне или више пригушница/кондензатора без пулсација. Рачунање AC прекидачког рипла тих компоненти помоћу набоја кондензатора или флукса пригушнице. 187

188 $>Ее1:DC-DC.Закључак Постоји бесконачан број претварача Подизач се може посматрати као инверзија спуштача, а спуштач-подизач и Ћук као каскадна веза спуштача и подизача. Карактеристике претварача добијених каскадним везивањем одговарају карактеристикама претварача од којих су настали. АС излазни напон могуће је добити диференцијалним спајањем оптерећења између излаза 2 2Q претварача Код претварача са трансформаторском изолацијом, трансформатор се моделира идеалним трансформатором коме је паралелно спојен индуктивитет за магнетизацију. За индуктивитет магнетизације важе уобичајена правила, укључујући и Vs баланс. 188

189 $>Ее1:DC-DC.Закључак Анализа претварача са трансформаторском изолацијом, у стационарном стању, проводи се тако што се прво трансформатор замијени еквивалентним кругом (индултивитет магнетизације + идеални трансформатор), а затим се примјене уобичајене технике анализе (примјена Vs баланса на пригушнице и Аs баланса на кондензаторе за проналажење DC струја и напона; коришћење еквивалентних кругова за моделирање губитака и ефикасности и анализа понашања у режиму прекидне струје) Код моста, полумоста и пуш-пул претварача са трансформаторском изолацијом и излазним исправљачем, јавља се ефекат удвостручавања фреквенције. Трансформатор се ресетује док преноси енергију, тако што се поларитет напона/струје мијења у сукцесивним прекидачким периодима. Искоришћење језгра трансформатора одлично. 189

190 $>Ее1:DC-DC.Закључак Код форверд претварача трансформатор се ресетује док је прекидач искључен. Индуктивитет магнетизације трафоа ради у режиму прекидне струје и максимални фактор испуне је ограничен (0.5). Флајбек претварач је заснован на спуштачу-подизачу. Флајбек трансформатор је у ствари вишенамотајна пригушница која акумулира и преноси енергију. Преносни однос трансформатора је додатни степен слободе који може послужити за оптимизацију пројектовања претварача Укупни стрес и искоришћење активних прекидача су два једноставна критеријума за поређење различитих претварачких кругова 190

191 $>Ее1:Литература [1] Ned Mohan, Tore Undeland, and William Robbins, Power Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, [2] MUHAMMAD H. RASHID, POWER ELECTRONICS HANDBOOK, ACADEMIC PRESS, [3] Ned Mohan, POWER ELECTRONICS AND DRIVES, MNPERE, Minneapolis, [4] xxx, INTRODUCTION TO POWER ELECTRONICS, XXX, [5] Миломир Шоја, Нови прилози у примјени струјног управљања у DC/DC и DC/AC претварачима, ЕТФ Источно Сарајево, Robert W. Erickson Dragan Maksimovic, Fundamental of Power Electronics, Springer Science+Business Media, LCC, [7] Bimal K. Bose, Power Electronics and Motor Drives Advances and Trends, Elsevier Inc., [8] Fred C. Lee, Power Electronics System Introduction, Virginia Tech, [9] T. Paul Chow, Power Electronics Systems Integration, Rensselaer Polytechnic Institute, [10] MUHAMMAD H. RASHID, POWER ELECTRONICS: Circuits, Devices And Applications, Pearson Prentice Hall, [11] Timothy L. Skvarenina, THE POWER ELECTRONICS HANDBOOK: Industrial Electronics Series, Pearson Prentice Hall,

192 $>Ее1:Литература [12] M. Filty, Grundlagen der Elektrotechnik II, SS, [13] DORIN O. NEACSU, ACTIVE GATE DRIVERS FOR MOTOR CONTROL APPLICATIONS, IEEE PESC, [14] M. Correvon, ELECTRONIQUE DE PUISSANCE, HES SO, xxxx. [15] [16] Michael A. Briere, GaN-based power devices offer game-changing potential in power-conversion electronics, Industrial Control Design Line, December 30, [17] Michael O'Neill, How silicon carbide diodes make solar power systems more efficient, Power Management DesignLine, 05/20/2007. [18] (POWEREX), [19] (International Rectifier), [20] John William Motto, Jr, Introduction to Solid State Power Electronics, POWEREX, Semiconductor Division Youngwood, Pennsylvania 15697, [21] Dr. Zainal Salam, Power Electronics and Drives (Version 2), [22] Peter Omand Rasmussen & Stig Munk Nielsen, Power converters AC/DC and DC/AC - MM1, Aalborg University, xxxx. [23] Милан Радмановић, Предавања са предмета Енергетска електроника, ЕТФ Источно Сарајево, xxxx. [24] Kjeld Thorborg, Power electronics, Prentice Hall, [25] Issa Batarseh, Power electronic circuits, John Wiley & Sons,

Δείτε περισσότερα