DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ Ε. Καρφόπουλος, Π. Πάχος, Π. Παναγής, Κ. Παύλου, Στ. Μανιάς Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος Καθηγητής Στέφανος Ν. Μανιάς Tel: +32-772-353, Fax: +32-772-3593, Email: manias@cenral.nua.gr Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση βασικών τοπολογιών DC-DC μετατροπέων πολλαπλών επιπέδων. Οι τοπολογίες αυτές θα παρουσιαστούν, θα αναλυθούν και θα συγκριθούν έτσι ώστε να προσδιοριστούν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των διατάξεων αυτών. Βασικό πλεονέκτημα των μετατροπέων πολλαπλών επιπέδων είναι η δυνατότητα χειρισμού υψηλών επιπέδων τάσης και ισχύος. Η θεωρητική ανάλυση συμπληρώνεται από τη πειραματική, μέσω προσομοιώσεων στον Η/Υ, έτσι ώστε να ολοκληρωθεί η σύγκριση αυτών των τοπολογιών.. DC-DC Μετατροπείς πολλαπλών επιπέδων Υπάρχουν πολλά συστήματα ισχύος στα οποία απαιτείται μετατροπή μιας συνεχούς τάσης εισόδου υψηλής τιμής σε συνεχή τάση εξόδου διαφορετικής τιμής. Παραδείγματα τέτοιων συστημάτων είναι: συστήματα μεταφοράς υψηλής συνεχούς τάσης (HVDC), φωτοβολταϊκά συστήματα, συστήματα οδήγησης κινητήρων συνεχούς ρεύματος, όργανα ακτινών Χ και υπερήχων. Για παράδειγμα σε κινητήρες συνεχούς ρεύματος, τέτοιου είδους μετατροπείς χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτήσουν τον οπλισμό της μηχανής με υψηλή τάση. Επιπρόσθετα, στα φωτοβολταϊκά συστήματα τέτοιου είδους μετατροπείς χρησιμοποιούνται για την για την ανύψωση ή τον υποβιβασμό της τάσης των φωτοβολταϊκών συστοιχιών στα επιθυμητά επίπεδα που απαιτεί το φορτίο ή στην επιθυμητή τάση εισόδου ενός AC-DC μετατροπέα, ο οποίος τροφοδοτεί με τη σειρά του ένα AC φορτίο. Εξ αιτίας της υψηλής τάσης και ισχύος που απαιτούνται σε τέτοια συστήματα, είναι δύσκολη η χρήση συμβατικών τοπολογιών μετατροπέων. Υπάρχουν πέντε κύριες τοπολογίες DC-DC μετατροπέων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να επιτύχουμε υψηλά επίπεδα τάσης και ισχύος. Αυτές οι τοπολογίες παρουσιάζονται παρακάτω:. DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων με διόδους περιορισμού 2. DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων με αιωρούμενους πυκνωτές 3. Αμφίπλευρος DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων 4. DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων με εν σειρά σύνδεση μετατροπέων 2. DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων με διόδους περιορισμού Στο σχήμα παρουσιάζεται η τοπολογία ενός DC-DC μετατροπέα με διόδους περιορισμού τεσσάρων επιπέδων. Η τοπολογία αυτή έχει τη δυνατότητα αμφίπλευρης λειτουργίας, μιας και μπορεί να λειτουργεί είτε ως μετατροπέας υποβιβασμού είτε ως μετατροπέας ανύψωσης. Στο σχήμα παρουσιάζεται η λειτουργία της τοπολογίας ως μετατροπέας υποβιβασμού, ο οποίος στην έξοδο του παράγει τα ακόλουθα επίπεδα τάσης:, V dc 2V dc, 3V dc. Η δημιουργία των τεσσάρων επιπέδων τάσης εξόδου δημιουργούνται από τη συστοιχία των τριών πυκνωτών που χρησιμοποιούνται στο dc ζυγό. Για παράδειγμα, όταν άγουν οι διακόπτες S a, S a2, S a3 και S b, S b2, S b3, τότε οι τάσεις εξόδου v ab, v ao and v bo είναι ίσες με, 3V dc, 3V dc αντίστοιχα. Για την παραγωγή θετικής τάσης εξόδου v ab θα πρέπει η τάση v ao να είναι μεγαλύτερη από τη τάση v bo. Για παράδειγμα, εάν θέλουμε να παράγουμε μια τάση εξόδου ίση με v ab= 3V dc τότε άγουν μόνο οι διακόπτες S a, S a2, S a3. Επιπρόσθετα, εάν θέλουμε να παράγουμε μια Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

τάση εξόδου v ab = 2V dc τότε πρέπει να άγουν οι διακόπτες S a, S a2, S a3, S b3 ή οι διακόπτες S a2, S a3. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί το γεγονός ότι όταν άγει ένας από τους κύριους διακόπτες (πχ. S a, S a2, S a3, S b, S b2, S b3) τότε ο συμπληρωματικός του διακόπτης (πχ. S a, S a 2, S a 3, S b, S b 2, S b 3) δεν πρέπει να άγει και αντίστροφα. Στο πίνακα παρουσιάζονται οι διακοπτικές καταστάσεις αγωγής των διακοπτών της φάσης α και φάσης β του μετατροπέα με διόδους περιορισμού τεσσάρων επιπέδων. Επίσης, ο πίνακας δείχνει με διαφορετικά χρώματα, τρεις διακοπτικές καταστάσεις που μπορούν να παράγουν μια τάση εξόδου v ab = v ao-v bo ίση με V dc, με την παραδοχή ότι η τάση εισόδου είναι ίση με 3V dc. Ένα σημαντικό μειονέκτημα του dc-dc μετατροπέα με διόδους περιορισμού είναι ο έλεγχος της τάσης εξόδου, μιας και επιτυγχάνεται μόνο μέσω συγκεκριμένων διακοπτικών συνδυασμών. Αυτό σημαίνει ότι δεν εφαρμόζεται κάποιος PWM έλεγχος. Εξετάζοντας τη τοπολογία του σχήματος προκύπτουν τα παρακάτω τοπολογικά χαρακτηριστικά: για m επίπεδα τάσης εξόδου Αριθμός πυκνωτών στο dc ζυγό= m- () Αριθμός διακοπτών ανά φάση= 2(m-) (2) Αριθμός διόδων περιορισμού = (m-)(m-2) (3) Τάση στα άκρα των διακοπτών = Vin/(m-) (4) Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, τα οποία προέκυψαν με τη βοήθεια του προγράμματος Spice. Στην προσομοίωση αυτή η τάση εισόδου είναι ίση με 5V. Η διακοπτική στρατηγική που επιλέχθηκε είναι τέτοια ώστε η τάση εξόδου v ab να είναι ίση με V dc, δηλαδή 5V. Η διακοπτική συχνότητα είναι ίση με 2kHz. Στο σχήμα 2(β) παρουσιάζεται η τάση εξόδου στα 5V. Στο σχήμα 2(δ) παρουσιάζονται οι τάσεις στα άκρα των διακοπτών, που είναι ίσες με το /3 της τάσης εισόδου, κάτι που επιβεβαιώνει τα θεωρητικά αποτελέσματα. Στο σχήμα 2(ε) παρουσιάζονται τα ρεύματα που διαρρέουν τους διακόπτες S a, S a2 και S a3. Παρατηρούμε ότι οι διακόπτες δεν έχουν ομοιόμορφη κατανομή ρεύματος και τάσεως, με αποτέλεσμα η καταπόνηση των διακοπτών να είναι ανομοιόμορφη. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί με την εύρεση νέας διακοπτικής στρατηγικής που θα εξασφαλίζει την ομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος στους διακόπτες. S a S b V dc S a2 S b2 S a3 S b3 V dc a b Vou Sa Sb V dc S a 2 S b 2 Sa 3 Sb 3 Σχήμα : DC-DC μετατροπέας υποβιβασμού 4-επιπέδων με διόδους περιορισμού Πίνακας Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Συνδυασμοί διακοπτικών καταστάσεων ενός μετατροπέα 4-επιπέδων με διόδους περιορισμού V ao S a Swich Sae (a) S a2 S a3 V bo S b Swich Sae (b) S b2 S b3 3V dc 3V dc 2V dc 2V dc V dc V dc Οι χρωματιστές γραμμές δείχνουν τις διακοπτικές καταστάσεις που παράγουν τάση εξόδου ίση με v ab=v ao-v bo=v dc (α) (β) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

S a S a2 S a3 S b S b2 S b3 (γ) (δ) i Sa i Sa2 i Sa3 (ε) Σχήμα 2: Αποτελέσματα προσομοίωσης του μετατροπέα υποβιβασμού 4 επιπέδων με διόδους περιορισμού α) Τοπολογία προσομοίωσης β) Τάση εξόδου γ) Παλμοί έναυσης διακοπτών S a, S a2, S a3, S b, S b2, S b3 δ)τάσεις στα άκρα των διακοπτών S a, S a2, S a3 ε) Ρεύματα που ρέουν διαμέσου των διακοπτών S a, S a2, S a3 Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

2.2 DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων με αιωρούμενους πυκνωτές Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η τοπολογία ενός dc-dc μετατροπέα υποβιβασμού τεσσάρων επιπέδων με αιωρούμενους πυκνωτές. Επιπρόσθετα, στον πίνακα 2 παρουσιάζονται οι διακοπτικές καταστάσεις που παράγουν τα τέσσερα επίπεδα τάσεις στα άκρα των v ao, v bo και v ab. Όπως φαίνεται από τον πίνακα 2 για να παραχθεί μια τάση ίση με v ab = 3V dc θα πρέπει να άγουν οι διακόπτες S a, S a2, S a3, ενώ οι διακόπτες S b, S b2, S b3 θα πρέπει να είναι σε κατάσταση OFF. Οι χρωματιστές γραμμές δείχνουν τους διακοπτικούς συνδυασμούς έτσι ώστε στην έξοδο να παραχθεί τάση ίση με Vdc. Παρατηρώντας το πίνακα 2 και συγκρίνοντας τις διακοπτικές καταστάσεις του μετατροπέα με αιωρούμενους πυκνωτές σε σχέση με τις αντίστοιχες το μετατροπέα με διόδους περιορισμού, προκύπτει ότι υπάρχουν περισσότερες διακοπτικοί συνδυασμοί που δίνουν τάση εξόδου Vdc (5 συνδυασμοί έναντι 3 συνδυασμών). Η δυνατότητα χειρισμού πολλών διακοπτικών συνδυασμών συμβάλλει στην ομοιόμορφη φόρτιση-εκφόρτιση των πυκνωτών. Για την παραγωγή του μηδενικού επιπέδου στη τάση εξόδου δεν πρέπει να άγει κανένας διακόπτης. Όσον αφορά τον έλεγχο της τάσης εξόδου, μόνο ορισμένα επίπεδα τάσης μπορούν να επιτευχθούν ανάλογα με το συνδυασμό αγωγής των διακοπτών. Αυτό είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα μια και δε μπορεί να εφαρμοστεί κάποιος PWM έλεγχος. Εξετάζοντας τη τοπολογία του σχήματος 3 προκύπτουν τα παρακάτω τοπολογικά χαρακτηριστικά: για m επίπεδα τάσης εξόδου Αριθμός πυκνωτών στο dc ζυγό= m- (5) Αριθμός διακοπτών ανά φάση= 2(m-) (6) Αριθμός αιωρούμενων πυκνωτών = (m-)(m-2)/2 (7) Τάση στα άκρα των διακοπτών = Vin/(m-) (8) Sa Sb V dc S a2 S b2 S a3 S b3 a V dc V ou b S a 3 S b 3 V dc S a 2 S b 2 S a S b Σχήμα 3: DC-DC μετατροπέας υποβιβασμού 4-επιπέδων με αιωρούμενους πυκνωτές Πίνακας 2 Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Συνδυασμοί διακοπτικών καταστάσεων ενός μετατροπέα 4-επιπέδων με αιωρούμενους πυκνωτές Swich Sae (a) Swich Sae (b) V ao V bo S a S a2 S a3 S b S b2 S b3 3V dc 3V dc 2V dc 2V dc V dc V dc Στο σχήμα 4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, τα οποία προέκυψαν με τη βοήθεια του προγράμματος Spice. Στην προσομοίωση αυτή η τάση εισόδου είναι ίση με 5V. Η διακοπτική στρατηγική που επιλέχθηκε είναι τέτοια ώστε η τάση εξόδου v ab να είναι ίση με V dc, δηλαδή 5V. Οι διακοπτικές καταστάσεις που χρησιμοποιήθηκαν είναι οι εξής: ( ) a ( ) b, ( ) a ( ) b and ( ) a ( ) b. Η διακοπτική συχνότητα είναι ίση με 2kHz. Στο σχήμα 4(β) παρουσιάζεται η τάση εξόδου στα 5V. Στο σχήμα 4(δ) παρουσιάζονται οι τάσεις στα άκρα των διακοπτών, που είναι ίσες με το /3 της τάσης εισόδου, κάτι που επιβεβαιώνει τα θεωρητικά αποτελέσματα. Στο σχήμα 4(ε) παρουσιάζονται τα ρεύματα που διαρρέουν τους διακόπτες S a, S a2 και S a3. Παρατηρούμε ότι οι διακόπτες δεν έχουν ομοιόμορφη κατανομή ρεύματος και τάσεως, με αποτέλεσμα η καταπόνηση των διακοπτών να είναι ανομοιόμορφη. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να λυθεί με την εύρεση νέας διακοπτικής στρατηγικής που θα εξασφαλίζει την ομοιόμορφη κατανομή του ρεύματος στους διακόπτες. (α) (συνεχίζεται) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

(β) S a S a2 S a3 S b S b2 S b3 (γ) (δ) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

i Sa i Sa2 i Sa3 (ε) Σχήμα 4: Αποτελέσματα προσομοίωσης του μετατροπέα υποβιβασμού 4 επιπέδων με αιωρούμενους πυκνωτές α) Τοπολογία προσομοίωσης β) Τάση εξόδου γ) Παλμοί έναυσης διακοπτών S a, S a2, S a3, S b, S b2, S b3 δ)τάσεις στα άκρα των διακοπτών S a, S a2, S a3 ε) Ρεύματα που ρέουν διαμέσου των διακοπτών S a, S a2, S a3 2.3 Αμφίπλευρος DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων Στο σχήμα 5 φαίνεται η τοπολογία του αμφίπλευρου dc-dc μετατροπέα πολλαπλών επιπέδων. Η κάτω ομάδα διακοπτών (S a, S a 2, S a 3) είναι συμπληρωματική της πάνω ομάδας διακοπτών (S a, S a2, S a3). Οι παλμοί αγωγής των διακοπτών S a, S a2, S a3 φαίνονται στο σχήμα 5. Όπως φαίνεται, κάθε διακόπτης άγει μόνο για το /3 κάθε διακοπτικής περιόδου και είναι φασικά μετατοπισμένοι μεταξύ τους κατά 2 ο. Οι πυκνωτές C 2 and C 3 χρησιμοποιούνται απλά για την μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας από την μία πλευρά στη άλλη. Ένας τέτοιος μετατροπέας λειτουργεί σαν μετατροπέας ανύψωσης όταν συνεχή τάση εφαρμόζεται στη πλευρά χαμηλής dc τάσης, ενώ λειτουργεί ως μετατροπέας υποβιβασμού όταν συνεχή τάση εφαρμόζεται στη πλευρά υψηλής dc τάσης. Όταν λειτουργεί ως μετατροπέας ανύψωσης, τότε η απαιτούμενη τάση εξόδου παράγεται χρησιμοποιώντας μόνο την κάτω ομάδα διακοπτών και τις επάνω διόδους ελεύθερης διέλευσης. Αντίθετα, όταν λειτουργεί ως μετατροπέας υποβιβασμού, τότε η απαιτούμενη τάση εξόδου παράγεται χρησιμοποιώντας μόνο την πάνω ομάδα διακοπτών και τις κάτω διόδους ελεύθερης διέλευσης When he converer operaes as a sep-down converer, hen he required oupu volage is generaed by using only he op group of swiches ogeher wih he boom group of free-whiling diodes. Σε κάθε κατάσταση λειτουργίας πάντα άγουν δύο διακόπτες και μία δίοδος. Η τάση στα άκρα κάθε διακόπτη είναι ίση με το /3 της τάσης εισόδου, κάτι που επιτρέπει τον χειρισμό υψηλών τάσεων. Sa Da Sa2 Da2 Sa3 Sa 3 Da3 Da 3 C2 C3 36V Baery 42V load 4V load C Sa 2 Da 2 Sa Da (α) (συνεχίζεται) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Sa3 Sae I Sa2 Sae II Sa Sae III T (β) Σχήμα 5: Αμφίπλευρος μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων (α) Τοπολογία (β) Παλμοί αγωγής Στο σχήμα 6 παρουσιάζεται η λειτουργία του μετατροπέα όταν αυτός λειτουργεί ως μετατροπέας ανύψωσης. Η λειτουργία του μπορεί να περιγραφεί από τρεις διακοπτικές καταστάσεις, όπως φαίνεται στα σχήματα 6(α-γ). ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Ι: ΜΕΤΑΦΟΡA ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ C ΣΕ C 2 Σχ. 6(α) Κατά τη διάρκεια αυτής της διακοπτικής κατάστασης το ρεύμα ακολουθεί τη διαδρομή C -D a3 -C 2-S a 2- S a και έτσι μεταφέρεται ενέργεια από τη πλευρά χαμηλή dc τάσης στο πυκνωτή C 2. Η πορεία του ρεύματος φαίνεται στο σχήμα 6(α). Στη κατάσταση αυτή οι πυκνωτές C και C 2 παραλληλίζονται και έτσι η χαμηλή τάση εισόδου εφαρμόζεται στα άκρα των δύο πυκνωτών. Από το σχήμα 6(α) προκύπτει η παρακάτω εξίσωση περιγραφής της παρούσας κατάστασης: όπου V dc είναι η χαμηλή τάση εισόδου. V c= V c2=χαμηλή τάση εισόδου = V dc (9) ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΙΙ: ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ C 2 ΣΕ C 3 Σχ. 6(β) Κατά τη διάρκεια αυτής της διακοπτικής κατάστασης το ρεύμα ρέει διαγράφει την εξής πορεία C -S a 3 -C 2- D a2-c 3-S a. Στη κατάσταση αυτή, ο πυκνωτής C είναι συνδεδεμένος εν σειρά με τον C 2 και οι δύο μαζί είναι παράλληλα συνδεδεμένοι με το πυκνωτή C 3. Από το σχήμα 6(β) προκύπτει η παρακάτω εξίσωση περιγραφής της παρούσας κατάστασης: V c3 =V c+v c2 = 2 x low volage source = 2V d () ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΙΙΙ: ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ C 3 ΣΤΗΝ ΕΞΟΔΟ ΥΨΗΛΗΣ ΤΑΣΗΣ Σχ. 6(γ) Κατά τη διάρκεια της διακοποτικής αυτής κατάστασης το ρεύμα ακολουθεί την εξής πορεία C -S a 3-S a 2- C 3-D a. Στην κατάσταση αυτή, ο πυκνωτής C είναι εν σειρά συνδεδεμένος με το πυκνωτή C 3 και η τάση εξόδου προκύπτει από το άθροισμα της τάσης των δύο αυτών πυκνωτών. Από το σχήμα 6(γ) προκύπτει η παρακάτω εξίσωση περιγραφής της παρούσας κατάστασης: V dc-high-side= V c+v c3 = V dc+2v dc=3v dc () Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Sa Da Sa2 Da2 Sa3 Da3 V 42 C2 C3 V 4 C S a3 S a2 Da 3 Da 2 S a Da 3 (α) Πορεία ρεύματος κατά τη διακοπτική κατάσταση Ι (συνεχίζεται) Sa Sa2 Sa3 V 42 C2 C3 V 4 C S a3 S a2 S a (β) Πορεία ρεύματος κατά τη διακοπτική κατάσταση ΙΙ Sa Sa2 Sa3 V 42 C2 C3 V 4 C S a3 S a2 S a (γ) Πορεία ρεύματος κατά τη διακοπτική κατάσταση ΙΙΙ Σχήμα 6: Οι διακοπτικές καταστάσεις ενός αμφίπλευρου dc-dc μετατροπέα ανύψωσης πολλαπλών επιπέδων. Οι έντονες γραμμές δείχνουν τη πορεία του ρεύματος σε κάθε διακοπτική κατάσταση: α) Κατάσταση Ι β) Κατάσταση ΙΙ γ) Κατάσταση ΙΙΙ Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Παρατηρώντας τα σχήματα 6(α-γ) διαπιστώνουμε ότι σε κάθε διακοπτική κατάσταση άγουν τρεις ημιαγωγοί, δύο ημιαγωγοί διακόπτες της κάτω ομάδας και μια δίοδο ελεύθερης διέλευσης από τη πάνω ομάδα. Για το λόγο αυτό όταν η τοπολογία αυτή χρησιμοποιείται σε εφαρμογές χαμηλής ισχύος θα πρέπει να χρησιμοποιούνται ημιαγωγοί με χαμηλή πτώση τάσης. Τέλος, θα πρέπει να αναφερθεί και το γεγονός ότι οι μετατροπείς λειτουργού με συγκεκριμένο «duy cycle» (/3) και συγκεκριμένη διακοπτική συχνότητα, επομένως δε μπορεί να εφαρμοστεί έλεγχος της τάσης εξόδου. Στο σχήμα 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για τον αμφίπλευρο dc-dc μετατροπέα ανύψωσης πολλαπλών επιπέδων. Η τάση εισόδου είναι 4 Vol, το φορτίο είναι ωμικό Ω και η διακοπτική συχνότητα είναι 3.3kHz. Όπως μπορεί να φανεί από το σχήμα 7(γ) η μέση τιμή της τάσης στα άκρα των πυκνωτών C 2 και C 3 είναι περίπου ίση με.23 και 2.73 Vols, αντίστοιχα. Αυτές οι τάσεις θεωρητικά θα έπρεπε να είναι 4 και 28 Vols αντίστοιχα αλλά οι πτώσεις τάσης πάνω στους διακόπτες δημιουργούν σημαντικές αποκλίσεις. Γι αυτό η τοπολογία αυτή πρέπει να χρησιμοποιείται σε εφαρμογές υψηλής ισχύος. (α) S a3 S a2 S a (β) (συνεχίζεται) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Vc Vc2 Vc3 (γ) (δ) (ε) (συνεχίζεται) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

i Sa 3 i Sa 2 i Sa (ζ) Σχήμα 7: Αποτελέσματα προσομοίωσης, από το Spice, του αμφίπλευρου dc-dc μετατροπέα ανύψωσης πολλαπλών επιπέδων α) Κύκλωμα προσομοίωσης β)παλμοί διακοπτών S a3, S a2 and S a γ) Τάσεις στα άκρα των πυκνωτών C, C 2, C 3 και εξόδου δ) Τάσεις στα άκρα των διακοπτών S a3, S a2 και S a ε) Ρεύματα που διαρρέουν τις διόδους D a3, D a2, D a και το φορτίο ζ) Ρεύματα που διαρρέουν τους διακόπτες S a 3, S a 2 και S a 2.4 DC-DC μετατροπέας πολλαπλών επιπέδων με εν σειρά σύνδεση μετατροπέων Στο σχήμα 8 παρουσιάζεται η τοπολογία ενός μετατροπέα πολλαπλών επιπέδων με εν σειρά σύνδεση μετατροπέων για εφαρμογές που απαιτούν υψηλά επίπεδα τάσης και ισχύος. Παρά το γεγονός ότι η συγκεκριμένη τοπολογία χρησιμοποιεί μετασχηματιστές απομόνωσης υψηλής συχνότητας, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε μη ωμικά απομονωμένες εφαρμογές. Όπως φαίνεται στο σχήμα 8 (α), απαιτείται μια υπομονάδα για κάθε κλάδο, γι αυτό και χρησιμοποιούνται τρεις μονάδες πλήρους γέφυρας. Το κύκλωμα των μονάδων πλήρους γέφυρας φαίνεται στο σχήμα 8(β). Παρά το γεγονός ότι ο μετατροπέας αυτός έχει παρουσιαστεί χρησιμοποιώντας μονάδες πλήρους γέφυρας, οι μονάδες αυτές δύνανται να αντικατασταθούν από άλλες τοπολογίες, όπως push-pull, ημιγέφυρα ή οποιαδήποτε άλλη τοπολογία. V dc S a S b T Bridge & Filer S a2 S b2 S a3 S b3 V dc T 2 Bridge & Filer V ou S a S b V dc S a 2 S b 2 T 3 Bridge & Filer S a 3 S b 3 (α) (συνεχίζεται) Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

T D3 T3 DC T2 D D 2 D4 T4 V p N N2 D5 D 7 D6 D8 (β) D 3 D 5 DC T D 2 D T 2 D 4 D 6 (γ) Σχήμα 8: Μετατροπέας με εν σειρά σύνδεση των εισόδων και εν παραλλήλω σύνδεση των εξόδων, γα εφαρμογές με ωμική απομόνωση α) Τοπολογία β) Υπομονάδα dc-dc μετατροπέα πλήρους γέφυρας γ) Υπομονάδα ενός dc-dc μετατροπέα push-pull. Το σχήμα 9 παρουσιάζει τις διάφορες κυματομορφές μια μονάδας πλήρους γέφυρας. Q α) Q2 β) Q3 γ) Q4 δ) VT Vin Q2 Q Q Q2 Q2 ε) Q3 Q3 Q4 Q4 Q3 -V in ON VT2 n 2 V in n στ) n 2 V in n Vr n 2 V in n V r ζ) V ou n2 Vin 2D n η) TS/2 T S Σχήμα 9: Κυματομορφές μιας μονάδας πλήρους γέφυρας Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

Η σχέση που περιγράφει τη λειτουργία της μονάδας πλήρους γέφυρας είναι η παρακάτω: V V o in N = 2 N 2 T ON 3. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Συγκρίνοντας τις παραπάνω τοπολογίες dc-dc μετατροπέων πολλαπλών επιπέδων που αναλύθηκαν προκύπτει ότι ο μετατροπέας με διόδους περιορισμού και ο αμφίπλευρος αντιστροφέας έχουν λιγότερες διακοπτικές καταστάσεις απ ότι ο μετατροπέα με αιωρούμενους πυκνωτές, και ως εκ τούτου είναι ευκολότερο να χρησιμοποιηθούν σε ορισμένες εφαρμογές. Η γενικευμένη τοπολογία μετατροπέα πολλαπλών επιπέδων μοιάζει στη λειτουργία της με τη τοπολογία του μετατροπέα με αιωρούμενους πυκνωτές μιας και χρησιμοποιούν πυκνωτές για τη μεταφορά των επιπέδων τάσης. Το κυριότερο μειονέκτημα των παραπάνω τοπολογιών μετατροπέων είναι ότι δεν μπορεί να εφαρμοστεί κάποιος PWM έλεγχος. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι το γεγονός ότι τόσο στο μετατροπέα με διόδους περιορισμού όσο και στον μετατροπέα με αιωρούμενους πυκνωτές υπάρχει ανομοιόμορφη καταπόνηση των διακοπτών. Η επιλογή του μετατροπέα πολλαπλών επιπέδων με εν σειρά συνδεδεμένους μετατροπείς είναι καλύτερη, αφενός μεν γιατί μπορεί να ελεγχθεί η τάση εξόδου εφαρμόζοντας PWM έλεγχο, αφετέρου δε γιατί υπάρχει ομοιόμορφη κατανομή τάσεως και ρεύματος στους διακόπτες. Αυτό μεταφράζεται σε ομοιόμορφη καταπόνηση των διακοπτών. Επιπρόσθετα είναι μια τοπολογία που εξ αιτίας της μη ύπαρξης πυκνωτών και πηνίων έχει χαμηλό κόστος υλοποίησης. Στο πίνακα 3 παρουσιάζονται μερικά συγκριτικά αποτελέσματα για τους dc-dc μετατροπείς πολλαπλών επιπέδων που αναπτύχθηκαν παραπάνω. ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗΣ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΠΟΛΛΑΠΛΩΝ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΤΟΠΟΛΟΓΙΑ DC- DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕ ΔΙΟΔΟΥΣ ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΥ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΟΥΣ ΠΥΚΝΩΤΕΣ ΑΜΦΙΠΛΕΥΡΟ Σ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ Σ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΕ ΕΝ ΣΕΙΡΑ ΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΚΥΡΙΩΝ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ ΜΕ ΑΝΤΙΠΑΡΑΛΛΗΛΕ Σ ΔΙΟΔΟΥΣ 2[2(m-)] 2[2(m-)] 2(m-) 2(m-) ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΔΙΟΔΩΝ ΑΝΑ ΦΑΣΗ (m-)(m-2) ΠΥΚΝΩΤΕΣ DC ΖΥΓΟΥ (m-) (m-) m ΤΥΠΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ STEP-DOWN STEP-DOWN STEP-UP AND STEP-DOWN STEP-UP AND STEP-DOWN ΣΥΣΤΟΙΧΙΕΣ ΠΥΚΝΩΤΩΝ ΑΝΑ ΦΑΣΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΕΛΕΓΧΟΥ ΑΦΘΟΝΙΑ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΩΝ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΩΝ (m-)(m-2)/2 m-2 PWM δε μπορεί να εφαρμοστεί. Μόνο συγκεκριμένες διακοπτικές καταστάσεις Υπάρχει πλεόνασμα διακοπτικών καταστάσεων PWM δε μπορεί να εφαρμοστεί. Μόνο συγκεκριμένες διακοπτικές καταστάσεις Υπάρχουν πολλές επιλογές διακοπτικών καταστάσεων PWM δε μπορεί να εφαρμοστεί. Μόνο συγκεκριμένες διακοπτικές καταστάσεις - PWM μπορεί να εφαρμοστεί - ΦΙΛΤΡΟ ΕΞΟΔΟΥ ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΤΑΣΕΩΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΑΝΩ ΣΤΟΥΣ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΟΧΙ ΟΧΙ ΝΑΙ ΜΗ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΜΗ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΝΑΙ ΟΜΟΙΟΜΟΡΦΗ ΚΟΣΤΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ.85.85.85 Ηλεκτρονικά Ισχύος, συστήματα ηλεκτρικής κίνησης και βιομηχανικές εφαρμογές, ΤΕΕ, Αθήνα, 5-6 Απριλίου 26