ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 DC ΔΙΑΚΟΠΤΙΚA ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ, ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα DC Διακοπτικά τροφοδοτικά (Παλμοτροφοδοτικά) Μετατροπείς Flyback, Forward Μετατροπείς με πλήρη γέφυρα Μετατροπείς μισής γέφυρας, Push-pull

2 Διακοπτικά τροφοδοτικά DC Παλμοτροφοδοτικό είναι μια ηλεκτρονική συσκευή η οποία αρχικά μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση τροφοδοσίας σε συνεχή μέσω μιας ανόρθωσης και στη συνέχεια μετατρέπει τη τιμή της συνεχούς τάσης σε κάποια επιθυμητή τιμή μέσω ενός μετατροπέα DC- DC. Εφαρμογές: Συστήματα τροφοδοσίας ηλεκτρονικών υπολογιστών Συστήματα τροφοδοσίας ηλεκτρονικών κυκλωμάτων Συστήματα τροφοδοσίας μέσων τηλεπικοινωνίας Συστήματα τροφοδοσίας όπου το βάρος και μέγεθος είναι κρίσιμα. Διακοπτικά τροφοδοτικά DC Απαιτήσεις: Σταθεροποιημένη έξοδος Ηλεκτρικά απομονωμένη έξοδος από την είσοδο Πολλαπλές έξοδοι Μείωση διαστάσεων Αύξηση απόδοσης Πλεονεκτήματα διακοπτικών τροφοδοτικών: Απόδοση 70-90% Χειρισμός μεγαλύτερης ισχύος Χρησιμοποιείται μετασχηματιστής απομόνωσης ψηλής συχνότητας με μικρό μέγεθος και βάρος Μειονεκτήματα διακοπτικών τροφοδοτικών: Χρειάζεται πολλή προσοχή στο σχεδιασμό για αποφυγή ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής (ΕΜΙ). Έχουν πολύπλοκα κυκλώματα ελέγχου

3 Λειτουργικό διάγραμμα διακοπτικού τροφοδοτικού (0 khz -0 MHz) Δύο κατηγορίες μετατροπέων Μονοκατευθυντική διέγερση πυρήνα (Ι τεταρτημόριο βρόχου υστέρησης Β-Η) Αμφίδρομη διέγερση του πυρήνα (Ι και ΙΙΙ) III I Σε ένα καλά σχεδιασμένο μετασχηματιστή το L Μ είναι μεγάλο σε όλο το διάστημα των συχνοτήτων λειτουργίας, ώστε το ρεύμα μαγνήτισης να είναι πολύ μικρότερο του ρεύματος του πρωτεύοντος πηνίου Ισχύει η αρχή εξισορρόπησης τάσης στο πηνίο: στη κατάσταση ισορροπίας η μηδενική συνιστώσα της τάσης (DC) πρέπει να είναι μηδέν, διαφορετικά σε κάθε διακοπτικό κύκλο θα υπάρχει καθαρή αύξηση του ρεύματος μαγνήτισης και κατά συνέπεια αύξηση του κορεσμού 3

4 Δύο κατηγορίες μετατροπέων Μονοκατευθυντική διέγερση πυρήνα (Ι τεταρτημόριο βρόχου υστέρησης Β-Η) Flyback, Μετατροπείς που προέρχονται από τους μεικτούς μετατροπείς (ανύψωσης υποβιβασμού τάσης) Forward, Μετατροπείς που προέρχονται από τους μετατροπείς υποβιβασμού τάσης Αμφίδρομη διέγερση του πυρήνα (Ι και ΙΙΙ) Πλήρους γέφυρας (προέρχονται από τους μετατροπείς υποβιβασμού τάσης) Push pull Μισής γέφυρας (προέρχονται από τους μετατροπείς υποβιβασμού τάσης) Μετατροπέας Flyback Να θυμηθούμε τον μικτό μετατροπέα (Buck Boost) Να τον σχεδιάσουμε λίγο διαφορετικά 4

5 Μετατροπέας Flyback Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ισχύος κάτω των 50 W Εδώ τοποθετούμε δεύτερο τύλιγμα στην αυτεπαγωγή για να πετύχουμε ηλεκτρική απομόνωση Τα μαγνητικά συνδεδεμένα πηνία είναι τυλιγμένα με τέτοιο τρόπο ώστε, όταν ο διακόπτης ανοίξει, το ρεύμα που περνά από το δεύτερο πηνίο για να διατηρήσει την ίδια μαγνητική ροή στον πυρήνα να έχει φορά που να συνάδει με ορθή πολικότητα στην έξοδο. Κυματομορφές του μετατροπέα Flyback (συνεχής αγωγή ρεύματος) Όταν ο διακόπτης άγει, από το νόμο του Faraday Δφ p p Δφ p p Vin = = Δt DT Vin Δφ p p = DTs Η μαγνητική ροή αυξάνεται, η επαγομένη τάση ( / ) V in προσθέτει στη τάση εξόδου και πολώνει ανάστροφα τη δίοδο. Απότησχέση Δ => s φ = i / R RVin = DT iin s 5

6 Σχέσεις στο μετατροπέα Flyback Στη διάρκεια DT s το φορτίο τροφοδοτείται από την ενέργεια αποθηκεμένη στον πυκνωτή Έχουμε μέγιστη τιμή μαγνητικής ροής και ρεύματος εισόδου στο τέλος αυτής της περιόδου ˆ Vin φm = φm(0) + DTs Vin V I ˆ R in = Im(0) + DTs = I m(0) + L in m DT Όταν ο διακόπτης ανοίξει, η ενέργεια του πυρήνα δεν μπορεί να αλλάξει ακαριαία, έτσι: Iˆ Έτσι όταν ο διακόπτης δεν άγει Δφ p p V0 = ( Iˆ Iˆ out = in out = in= 0 out= 0 D) T s => V V 0 in = Iˆ in s D D Παράδειγμα V in =90 V, V o =0 V /=6 L m =00μH, f s =00 khz Υπολογίστε την αύξηση του ρεύματος εισόδου 6

7 Εξομοίωση στο PSpice Θα δούμε το flyback.sch Μετατροπέας Forward Χρησιμοποιείται σε εφαρμογές μέχρι ένα kw Το τρίτο πηνίο σε σειρά με τη δίοδο D 3 χρησιμοποιείται για να απομαγνητίζει τον πυρήνα σε κάθε διακοπτικό κύκλο. Τα τυλίγματα Ν και Ν 3 τυλίγονται δίμιτα (bifilar), γεγονός που ελαχιστοποιεί τις επαγωγές διαρροής μεταξύ τους. Αναλύουμε και πάλι κατά τη συνεχή αγωγή ρεύματος, το ρεύμα στο πηνίο, i L δηλαδή, ρέει συνεχώς. Θεωρούμε τη μαγνητική ροή διαρροής μηδέν. 7

8 Μετατροπέας Forward Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, στον χρόνο DT s η μαγνητική ροή στον πυρήνα αυξάνεται, όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός η συσσωρεμένη ενέργεια στον πυρήνα σπρώχνει ρεύμα να κυκλοφορήσει στο βοηθητικό κύκλωμα για να απομαγνητίσει τον πυρήνα. Παράδειγμα V in =50 V, V o =5 V /=3 L m =00μH, f s =00 khz, Po=5W 8

9 Εξομοίωση στο PSpice Θα δούμε το forward.sch Μετατροπέας πλήρους γέφυρας Χρησιμοποιεί το Ι και III τεταρτημόριο του βρόχου υστέρησης Β-Η Τ, Τ άγουν Λόγω κόστους χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές μερικών εκατοντάδων watt Ρυθμίζουμε τη σχετική διάρκεια αγωγής(d) για να ελέγξουμε τη τάση εξόδου Τ 3, Τ 4 άγουν 9

10 Διαμόρφωση εύρους παλμών Σε σχέση με τη μέθοδο μηδενισμού της τάσης στο πηνίο οι μετατροπείς πλήρους γέφυρας χωρίζονται στους: Διαμόρφωσης εύρους παλμών (την οποία θα δούμε) Διαμόρφωσης φάσης Για το μηδενισμό της τάσης, σε αυτή τη περίπτωση όλοι οι διακόπτες ανοίγουν, το ρεύμα του πηνίου κυκλοφορεί στα δύο παράλληλα κυκλώματα. Λειτουργία μετατροπέα Στο διάστημα DT s άγουν τα Τ, Τ, εφαρμόζεται θετική τάση στο πρωτεύον τύλιγμα και D πολώνεται ανάστροφα. Το ρεύμα στο φορτίο περνά από την D, οπόταν Στο διάστημα (/-D)T s όλοι οι διακόπτες δεν άγουν, το ρεύμα στο φορτίο μοιράζεται μεταξύ D και D. (Αυτό επιβεβαιώνει ότι ο συνολικός αριθμός αμπέρ-σπειρών που εφαρμόζεται στον πυρήνα του μετασχηματιστή είναι μηδέν => που επιβεβαιώνει ότι και η πρωτεύουσα τάση είναι μηδέν). Στον επόμενο μισό κύκλο για διάστημα DTs άγουν τα Τ3, Τ4, εφαρμόζεται αρνητική τάση στο πρωτεύον τύλιγμα και D πολώνεται ανάστροφα. Το ρεύμα στο φορτίο περνά από την D. Στο δεύτερο διάστημα (/-D)Ts όλοι οι διακόπτες δεν άγουν. 0

11 Κυματομορφές Μετατροπέα πλήρους γέφυρας Παράδειγμα V in =30 V, V o =5 V Po=50W /=4 f s =00 khz, Δi L =0%i L

12 Μετατροπέας μισής γέφυρας Χρησιμοποιείται για ισχείς εξόδου W ΗΤάσηστοπρωτεύον πηνίο του μετασχηματιστή = 0. 5 V in Μια παραλλαγή του μετατροπέα πλήρους γέφυρας, που χρησιμοποιεί μόνο δύο διακόπτες, αλλά χρειάζεται δύο πυκνωτές για να διαμορφωθεί σημείο μέσης τάσης εισόδου ν Οπόταν η τάση εξόδου θα γίνει V V o in = D Μετατροπέας Push-Pull Ο μετατροπέας εναλλαγής Χρησιμοποιείται για ισχείς εξόδου 800 W 5 kw Κυματομορφές παραμένουν οι ίδιες Έχει το πλεονέκτημα να έχει τις πύλες και των δύο τρανζίστορ σχετικά με τη χαμηλή πλευρά τάσης της πηγής. Το μειονέκτημα είναι ότι χρησιμοποιείται μισό πρωτεύον και μισό δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή κάθε φορά.