DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΙΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΓΙΑ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΑΜΑΞΕΣ

DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΙΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΓΙΑ ΤΡΟΦΟ ΟΣΙΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΗΛΕΚΤΡΑΜΑΞΕΣ ασκαλάκης Νικόλαος Μετ/κος ιπ. Μηχ/κός.Π.Θ., Αδαµίδης Γεώργιος Επ. Καθ..Π.Θ. ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Θράκης Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και. Μηχανικών. Υπολογιστών Τοµέας Ενεργειακών Συστηµάτων Βασ. Σοφίας 12, 67100 Ξάνθη Τηλ. 2541079509, Fax. 2541079515 ndaskal1@otenet.gr, adamidis@ee.duth.gr Περίληψη - Για την τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών µικρής ισχύος και χαµηλής τάσεως απαιτούνται διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος οι οποίες να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις του φορτίου, στο χαµηλότερο λειτουργικό κόστος και στο µικρότερο όγκο και βάρος. Οι DC-DC µετατροπείς οι οποίοι χρησιµοποιούν µετασχηµατιστές υψηλών συχνοτήτων πληρούν τις προϋποθέσεις αυτές. Στην ηλεκτρική έλξη χρησιµοποιούνται τέτοιες διατάξεις για να τροφοδοτήσουν τα κυκλώµατα ελέγχου και οδήγησης. Στη εργασία αυτή θα µελετηθεί ο DC-DC µετατροπέας µισής γέφυρας µε ελεγχόµενα στοιχεία IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) και θα εξηγηθεί η χρησιµότητα των κυκλωµάτων (Snubber) που εγκαθίστανται παράλληλα προς τα στοιχεία IGBT. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Για την κίνηση µιας ηλεκτράµαξας, η οποία τροφοδοτείται από ηλεκτρική ενέργεια µε µια µονοφασική γραµµή εναλλασσόµενου ρεύµατος, η εναλλασσόµενη τάση ανορθώνεται µε συστοιχία µονοφασικών ανορθωτών και στη συνέχεια αντιστρέφεται για να τροφοδοτήσει τα τριφασικά φορτία της ηλεκτράµαξας. Στις Diesel µηχανές των αµαξοστοιχιών (σχ.1), η µηχανή Diesel περιστρέφει µια τριφασική σύγχρονη γεννήτρια (µε διεγέρτρια), της οποίας η τάση εξόδου ανορθώνεται από τριφασικές ανορθωτικές γέφυρες και στη συνέχεια αντιστρέφεται για να τροφοδοτήσει τα τριφασικά φορτία της ηλεκτράµαξας, όπως και τους τριφασικούς κινητήρες για την κίνηση. Αν τα κινητήρια συστήµατα της ηλεκτράµαξας χρησιµοποιούν κινητήρες συνεχούς ρεύµατος, τότε αυτοί τροφοδοτούνται άµεσα από την ανορθούµενη συνεχή τάση. Σχήµα 1. Ηλεκτράµαξα µε µηχανή Diesel. 1

Στο σχήµα 1 φαίνεται ένα σύστηµα ηλεκτράµαξας µε µηχανή diesel η οποία αποτελείται από τον κινητήρα Diesel, ο οποίος περιστρέφει τη γεννήτρια έξι τυλιγµάτων (εξαφασική τάση εξόδου) καθώς επίσης και τη διεγέρτρια µε την τριφασική γέφυρα. η οποία βρίσκεται στον ίδιο άξονα µε την εξαφασική γεννήτρια.. Η εξαφασική τάση ανορθώνεται µε δύο γέφυρες οι οποίες είναι συνδεδεµένες σε σειρά και οι οποίες ανορθώνουν την τάση εξόδου της γεννήτριας. H ανορθούµενη τάση (U d =500 1900 V) τροφοδοτεί, µέσω αντιστροφέων εξαναγκασµένης σβέσης τους ηλεκτροκινητήρες έλξης. Επίσης µέσω των DC-DC µετατροπέων µε Μ/Σ υψηλών συχνοτήτων η U d συνεχής τάση γίνεται 600 V και µέσω τριφασικών αντιστροφέων δύο σηµείων µε IGBT τροφοδοτεί τα υπόλοιπα τριφασικά φορτία (βλ. σχ.1). Για τον έλεγχο όµως, καθώς και για την οδήγηση ολόκληρου του κινητήριου συστήµατος απαιτείται χαµηλή συνεχής τάση. Αυτή η χαµηλή τάση λαµβάνεται από την ανορθωµένη τάση των 600 V µε την εγκατάσταση DC-DC µετατροπέων που χρησιµοποιούν µετασχηµατιστές υψηλών συχνοτήτων. Αυτοί οι µετατροπείς υποβιβάζουν την DC τάση των 600 V σε χαµηλές επιθυµητές τιµές ανάλογα µε τα φορτία που θέλουµε να τροφοδοτήσουµε. Στην συγκεκριµένη εφαρµογή της ηλεκτράµαξας, το ύψος της DC τάσεως εισόδου είναι 600 V ενώ οι τάσεις εξόδου 24-28V (βλ. σχ.1). Οι DC/DC µετατροπείς που αναφέραµε διακρίνονται κυρίως για το µικρό τους βάρος και το µικρό τους όγκο. 2. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑ ΜΙΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ Στην εργασία αυτή θα εξεταστεί η συµπεριφορά ενός DC-DC µετατροπέα (κόκκινη πλαίσιο στο σχήµα 1). Η διάταξη του µετατροπέα θα είναι µισής γέφυρας µε Μ/Σ υψηλών συχνοτήτων µε µείωση της τάσης εξόδου στην επιθυµητή τιµή των 24 28 Volts.(σχήµα 2). Ο DC-DC µετατροπέας διερευνήθηκε µέσω υπολογιστή και στη συνέχεια υλοποιήθηκε. Τόσο από την προσοµοίωση στον υπολογιστή όσο και από την υλοποίηση προκύπτει το συµπέρασµα ότι θα πρέπει στα στοιχεία των IGBT και Z2 να υπολογιστούν και να τοποθετηθούν κατάλληλα snubber, ώστε η διάταξη να λειτουργεί µε τη βέλτιστη αξιοπιστία και απόδοση. Στο σχήµα 2 φαίνεται η διάταξη αυτή. Σχήµα 2. DC-DC µετατροπέας µισής γέφυρα. Σχήµα 3. Η απλή µορφή κυκλώµατος snubber. 2

To κύκλωµα snubber είναι ένας συνδυασµός πυκνωτή, αντίστασης και διόδου, το οποίο βοηθά στην απόσβεση ανεπιθύµητων ρευµάτων σβέσης των ηµιαγώγιµων στοιχείων κατά την λειτουργία της διάταξης του µετατροπέα (σχήµα 3). Κατά την διάρκεια της προσοµοίωσης του κυκλώµατος, καθώς και των πειραµατικών αποτελεσµάτων δοκιµάστηκαν διάφορα κυκλώµατα snubber. 2.1. DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΙΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΧΩΡΙΣ SNUBBER Στο σχήµα 2 φαίνεται ένας µετατροπέας µισής γέφυρας χωρίς snubber. Στο σχήµα 4 φαίνεται η κυµατοµορφή της τάσης στα άκρα του πρωτεύοντος του µετασχηµατιστή. Στο παράδειγµα που εξετάζουµε η συνεχής τάση εισόδου είναι 125 V. Όταν παλµοδοτείται (άγει) το στοιχείο Ζ 1 στο πρωτεύων τύλιγµα του Μ/Σ (στο L 2 ) εµφανίζεται θετική τάσή, όταν όµως σταµατήσει η παλµοδότηση του Ζ1 τότε γίνεται αγώγιµη η δίοδος D11 µε αποτέλεσµα η τάση στο πρωτεύων του Μ/Σ να εφαρµοστεί αρνητική τάση. Η ίδια λογική ισχύει όταν παλµοδοτείται (άγει) η δεν άγει το στοιχείο Ζ2 µε αποτέλεσµα να εµφανιστούν στο πρωτεύων του Μ/Σ αντίθετες όµως τάσεις. Οι ανεπιθύµητοι αντίθετης πολικότητας τάσεις υφίστανται µέχρι να µηδενιστούν τα ρεύµατα των διόδων D11 ή D10. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας θεωρείται µη ιδανικός γιατί η µορφή της τάσης πρωτεύοντος εξαρτάται από το φορτίο και επίσης δεν είναι δυνατή η θεώρηση µαθηµατικής σχέσης που να υπολογίζει την τάση εξόδου. Στο σχήµα 5 φαίνονται τα ρεύµατα και η διάρκεια αγωγής των στοιχείων, Z2, D10 και D11 και στο σχήµα 4 οι τάσεις στο πρωτεύων του Μ/Σ σε σχέση µε τη διάρκεια αγωγής των στοιχείων της διάταξης του σχήµατος 2. D10 D11 Z2 Σχήµα 4. Τάση στα άκρα του πρωτεύοντος πηνίου του µετασχηµατιστή. D11 D10 Z2 Σχήµα 5. Κυµατοµορφή του ρεύµατος του πρωτεύοντος ου µετασχηµατιστή. 3

Σχήµα 6α. Κυµατοµορφή της τάσης µετά την ανορθωτική διάταξη Vout Iout Σχήµα 6β. Κυµατοµορφή της τάσης και του ρεύµατος εξόδου Από την πλευρά του δευτερεύοντος του Μ/Σ η τάση ανόρθωσης µετά τις διόδους θα έχει τη µορφή του σχήµατος 6α. Όλοι οι παλµοί της τάσεως εισόδου του σχήµατος 4 θα γυρίσουν σε θετική πολικότητα µε αποτέλεσµα η τάση µετά την ανόρθωση του δευτερεύοντος να αποτελείται από παλµούς µεγαλύτερης διάρκειας από το επιθυµητό. Στην έξοδο της διάταξης µετά το φίλτρο L1 και C3 η τάση εξόδου θα έχει τη µορφή της κυµατοµορφής του σχήµατος 6β. 2.2. DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΙΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΜΕ SNUBBER Η διάταξη µισής γέφυρας µε snubber που µελετήθηκε στο κεφάλαιο αυτό φαίνεται στο σχήµα 7. Η διαφορά της διάταξης αυτής σε σχέση µε την προηγούµενη του σχήµατος 2 είναι, ότι έχει τα κυκλώµατα snubber. Τα κυκλώµατα αυτά αποθηκεύουν την ενέργεια του πρωτεύοντος πηνίου L2 του Μ/Σ. Συγκεκριµένα, όταν σταµατήσει ο παλµός στο ηµιαγώγιµο στοιχείο Ζ1, το ρεύµα που συνεχίζει να ρέει µέσω του L2 εν µέρει διέρχεται από την δίοδο D11 και εν µέρει καταναλώνεται πάνω στην αντίσταση R8. Σύµφωνα µε αυτά το ρεύµα του πρωτεύοντος και η τάση πάνω στο L2 έχουν τις µορφές που φαίνονται στο σχήµα 8. Η κυµατοµορφή της τάσης στο πρωτεύον του Μ/Σ είναι σχεδόν ιδανική. Ο χρόνος ανόδου και καθόδου των παλµών είναι σχεδόν αµελητέος εφόσον το ρεύµα µηδενίζει σε πολύ µικρό χρονικό διάστηµα. Η µικρή µεταβολή στην στάθµη του παλµού της τάσης οφείλεται στην εκφόρτιση των πυκνωτών C1 και C2. Το γεγονός αυτό δεν µας επηρεάζει ιδιαίτερα γιατί η διακύµανση του παλµού ελαχιστοποιείται αφού αυτός περάσει από τον µετασχηµατιστή και ελαττωθεί η µέση τιµή του. Αν το πρόβληµα ήταν πιο έντονο θα µπορούσαµε να τοποθετήσουµε πυκνωτές εισόδου µε µεγαλύτερη χωρητικότητα. Αυτό όµως θα ήταν εις βάρος της απόδοσης και του όγκου της κατασκευής. Από την πλευρά του δευτερεύοντος του Μ/Σ µετά την διάταξη ανόρθωσης (µετά τις διόδους D5 και D6) η τάση ανορθώνεται και προκύπτει η κυµατοµορφή του σχ.9. Το αρνητικό µέρος της κυµατοµορφής οφείλεται στην πτώση τάσης πάνω στα ανορθωτικά στοιχεία (D5 και D6). 4

Σχήµα 7. DC/DC µετατροπέας ηµιγέφυρας µε κύκλωµα snubber και φορτίο 500 W. Z2 Z2 Σχήµα 8. Κυµατοµορφές ρεύµατος (πάνω) και τάσης πρωτεύοντος (κάτω) Σχήµα 9. Κυµατοµορφή της ανορθωµένης τάσης στην είσοδο του φίλτρου 5

Σχήµά 10. Κυµατοµορφές τάσης εξόδου (πράσινο) και ρεύµατος εξόδου (βυσσινί) Όταν οι παραπάνω παλµοί της τάσης διέλθουν από το χαµηλοπερατό φίλτρο, θα ληφθούν οι µέσες τιµές της συνεχούς τάσεως V 0 και του ρεύµατος I 0. Οι κυµατοµορφές αυτές φαίνονται στο σχήµα 10. Παρατηρείται ότι η σταθεροποίηση της τάσης λαµβάνει χώρα πιο αργά ως προς την περίπτωση χωρίς κύκλωµα snubber. Αυτό συµβαίνει γιατί οι παλµοί της τάσης στο δευτερεύον έχουν µικρότερη τιµή και έτσι ο πυκνωτής του φίλτρου (C3) αργεί περισσότερο να φορτίσει. Ο χρόνος σταθεροποίησης της τάσης γίνεται περίπου στα 3ms. Η µέση τάση εξόδου έχει τις προβλεπόµενες από το φίλτρο διακυµάνσεις (µέχρι 5%) ενώ το ρεύµα παρουσιάζει παρόµοια σταθερότητα. 2.3. DC-DC ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ ΜΙΣΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ ΜΕ SNUBBER ΚΑΙ ΠΥΚΝΩΤΗ ΙΟΡΘΩΣΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΠΡΩΤΕΥΟΝΤΟΣ Στην περίπτωση αυτή εξετάζεται η συµπεριφορά της διάταξης του σχήµατος 8. Η διάταξη αυτή διαφέρει από τη διάταξη του σχήµατος 7, επειδή έχει προστεθεί στα άκρα του πρωτεύοντος πηνίου του Μ/Σ ένας πυκνωτή µικρής χωρητικότητας. Η διάταξη αυτή φαίνεται στο σχήµα 11. Υπάρχουν δύο διαφορές στις κυµατοµορφές του παραπάνω κυκλώµατος ως προς τις κυµατοµορφές της προηγούµενης παραγράφου. Κατά την στιγµή της παύσης της έναυσης του ελεγχόµενου στοιχείου, όπου φυσιολογικά θα περιµέναµε τον απότοµο µηδενισµό της V πρωτεύοντος, επεµβαίνει ο πυκνωτής και παρατείνει τον χρόνο µηδενισµού για µερικά nsec ανάλογα τον πυκνωτή που χρησιµοποιούµε. Αυτό διακρίνεται στο σχήµα 12. Σχήµα 11. Κύκλωµα διάταξης µε snubber και πυκνωτή πρωτεύοντος 6

Z2 Ο µηδενισµός αργεί κατά µερικά nsec Z2 Σήµα. 12 Κυµατοµορφές ρεύµατος (πάνω) και τάσης (κάτω) πρωτεύοντος πηνίου Σχήµα 13 Κυµατοµορφές τάσης εξόδου (πράσινο) και ρεύµατος εξόδου (µωβ) Η επίπτωση του πυκνωτή δεν επηρεάζει τις κυµατοµορφές ρεύµατος και τάσης εξόδου γιατί λειτουργεί σαν «αποθήκη» ενέργειας και όχι σαν κατανάλωση. ηλαδή η µέση τιµή της τάσης και η µέση τιµή του ρεύµατος εξόδου θα παραµείνουν ακριβώς στα ίδια επίπεδα (σχ.13). Ο χρόνος σταθεροποίησης των Vo, Io κείται επίσης στην περιοχή των 3 msec για ισχύς εξόδου στα 500W. 2.4 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΤΩΝ ΙΑΤΑΞΕΩΝ ΜΕ Η ΧΩΡΙΣ SNUBBER Από το πρόγραµµα προσοµοίωσης µετρήθηκε ο συντελεστής απόδοσης σε κάθε περίπτωση και βρέθηκε ότι: Pout Χωρίς κυκλώµατα snubber: n 1= 70,75% P = Pout Με κυκλώµατα snubber χωρίς πυκνωτή: n 2 = 86,32% P = Με κυκλώµατα snubber µε πυκνωτή: in P in out n 3= 85,47% P = in Συγκρίνοντας τους παραπάνω συντελεστές απόδοσης διαπιστώνουµε ότι συµφέρει καλύτερα η χρήση ενός απλού κυκλώµατος snubber χωρίς πυκνωτή, επειδή η ολική απόδοση είναι µεγαλύτερη και ο όγκος της διάταξης µικρότερος (λόγω της αφαίρεσης του πυκνωτή). 7

3. ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΠΑΛΜΟΤΡΟΦΟ ΟΤΙΚΟΥ Για την υλοποίηση κατασκευάστηκε το οδηγητικό κύκλωµα που φαίνεται στο σχήµατος 14 Ο DSP λαµβάνει σήµατα εισόδου (ρεύµα και τάση) και µε την σειρά του καθορίζει µέσω του λογισµικού τους παλµούς εξόδου από τα κανάλια PWM. Οι παλµοί των καναλιών ενισχύονται στα 5 Volts και αντιστρέφονται από τον Schmitt trigger 74ΗC14 για να οδηγήσουν τα οπτικά ζεύγη (6Ν137) της βαθµίδας αποµόνωσης του µικροελεγκτή. Τα αποσυζευγµένα σήµατα των optocouples µεταφέρονται στο κύριο οδηγητικό ολοκληρωµένο κύκλωµα IR2110 το οποίο κάνει την απαραίτητη ενίσχυση και οδήγηση των ηµιαγώγιµων στοιχείων της µισής γέφυρας. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ελήφθησαν για διατάξεις µε και χωρίς κυκλώµατα snubber. Οι κυµατοµορφές της τάσης του πρωτεύοντος και της τάσης εξόδου για διάταξη χωρίς snubber φαίνονται στα σχήµατα 15 και 16. Σχήµα 15. Τάση στα άκρα του πρωτεύοντος πηνίου του µετασχηµατιστή για DC-DC µετατροπέα χωρίς snubber Vout Σχήµα 16. Τάση στην έξοδο του DC/DC χωρίς snubber 8

Σχήµα 14. Το συνολικό ηλεκτρικό διάγραµµα του IR2110 και τις συνδέσεις του DSP 9

V1 Μ/Τ Σχήµα 17. Τάση στα άκρα του πρωτεύοντος πηνίου του µετασχηµατιστή µε snubber Vout Σχήµα 18. Τάση στην έξοδο του DC/DC µετατροπέα µε snubber Για την διάταξη µε χρήση snubber οι κυµατοµορφές διέφεραν ως προς την µορφή και την σταθερότητα της τάσης εξόδου. Συγκεκριµένα στα σχήµατος 17 και 18 δείχνονται οι τάσεις στο πρωτεύον του µετασχηµατιστή και στην εξόδου του µετατροπέα. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από την εργασία αυτή προκύπτει το συµπέρασµα ότι όπου απαιτείται χαµηλή συνεχής τάση, είναι απαραίτητη η εγκατάσταση DC-DC µετατροπέων µε Μ/Σ υψηλών συχνοτήτων. Οι µετατροπείς αυτοί έχουν µικρό βάρος, µικρό όγκο και καλό βαθµό απόδοσης. Ένας τέτοιος µετατροπέας είναι ο DC-DC µετατροπέα µισής γέφυρας, ο οποίος µπορεί να εγκατασταθεί και σε µια ηλεκτράµαξα για να τροφοδοτήσει µε χαµηλή τάση τα κυκλώµατα ελέγχου και οδήγησης, 10

καθώς επίσης και για την φόρτιση µπαταριών. Από τη µελέτη της διάταξης αυτής προκύπτει ότι η εγκατάσταση snubber βελτιώνει σηµαντικά την απόδοση αλά και την αξιοπιστία λειτουργίας της διάταξης. 5. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] Keith Billings: Switchmode power supply handbook [2] Manfred Michel: Leistungselektronik, Springer-Verlag Berlin- Heidelberg-New Yorg. [3] N. Mohan, T. Undelend, W. Robbins: Power Electronics, Copyright 1995 by John Wiley- Sons, Inc. [4] Stefan Huth: DC/DC- Converters in Parallel Operation with Digital Load Distribution Control, IEEE international Symposium on Industrial Electronics, Warschau,1996, 808-813 [5] Stefan Huth: Digitale Regelkonzept fuer getaktete Gleichspannungswandler, D17 Darmstaedter Dissertation [6] Mathias Emsermann: Analyse, Entwurf und Aufbau von Parallel- Resonanzwandlern in ueberresonanter Betriebsart, D17 Darmsteadter Dissertation [7] Holme P.R: Digital Control OF High Frequency PWM Converters, Doctoral Thesis Loughborrough University of Technology (U.K.), 1994 [8] Texas Instrument user guide for TMS320LF2407A [9] Herbert Schildt : Programming on C [10] Manu Jain, M. Daniele, and Praveen K. Jain A Bidirectional DC DC Converter Topology for Low Power Application. IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 15, July 2002, p. 595-605. [11] Bojan Ivanovic and Zoran Stojiljkovic: A Novel Active Soft Switching Snubber Designed for Boost Converter. IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 19, May 2004, p. 658-666. [12] Zhenxian Liang, Jacobus Daniel van Wyk Fred C. Lee: Integrated Packaging of a 1 kw Switching Module Using a Novel Planar Integration Technology: Power Electronics, IEEE Transactions on,volume: 19, Issue: 4, January 2004 11