ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΙΣΧΥΟΣ ΗΜΥ 444 ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΙ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ DC -DC Δρ Ανδρέας Σταύρου ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τα Θέματα Ανάλυση διακοπτικών μετατροπέων: Υποβιβασμού τάσης (Buck Converter) Ανύψωσης τάσης (Boot converter) Μικτών (ανύψωσης και υποβιβασμού) SEPIC Cuk Δυναμική μέση απεικόνιση μετατροπέα Ασυνεχής ροή ρεύματος(dcm)
Μετατροπείς DC - DC Η ροή ισχύος σε τέτοιους μετατροπείς είναι προς μια κατεύθυνση Χρήσεις DC τροφοδοτικά DC κινητήρια συστήματα Κατάσταση ισορροπίας di v L L dt il( t) v dτ L > L τ Όταν ο μετατροπέας λειτουργεί σε μόνιμη κατάσταση ισορροπίας ισχύει: 2
Παραδείγματα Παραδοχές κατά την εξέταση Διακοπτικών μετατροπέων DC-DC Λειτουργία στην μόνιμη κατάσταση. (όχι μεταβατικά φαινόμενα) Οι διακόπτες είναι ιδανικοί. Αμελούνται οι απώλειες στα πηνία και στους πυκνωτές. Η dc πηγή τάσης στην είσοδο έχει μηδενική αντίσταση. Η τάση εξόδου αν και είναι αρχικά θα τη θεωρήσουμε σταθερή και θα υπολογίσουμε μετά το κυμματισμό 3
Έλεγχος μετατροπέα DC-DC Διαμόρφωση εύρους παλμών (PWM) Συχνότητα μετάβασης συχνότητα πριονωτού σήματος Διακόπτης on όταν υ c >υ r t D T on υc V r Έλεγχος μετατροπέα DC-DC Περίοδος μετάβασης Τ t on +t off Διατηρείται σταθερή η T, αλλά μεταβάλλεται η σχετική διάρκεια αγωγής (duty cycle) H V (μέση τιμή της τάσης εξόδου) εξαρτάται από την D t D T on 4
Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης ΗτάσηεξόδουV <V V T vo Σε καθαρά ωμικό φορτίο είναι ton ton ( t) dt Vdt V T T T o D V Χαμηλοπερατό φίλτρο Στην πράξη δεν υπάρχει αμιγώς ωμικό φορτίο. Μια αυτεπαγωγή στο φορτίο θα δημιουργούσε υπερτάσεις στο διακόπτη. Το πρόβλημα λύνεται με την εγκατάσταση μιας διόδου στο φορτίο. Λειτουργία Κυματομορφές Το μέσο ρεύμα διαμέσου του πυκνωτή είναι μηδέν, επομένως Υπολογισμός κυμάτωσης ΔiL ( V V ) DT ( εμβαδ ό Α) L V ( D) T ( εμβαδ ό Β) L Για το ρεύμα κυμάτωσης ο πυκνωτής έχει πολύ μικρότερη αντίσταση: i ( t) i, ( t) c L ripple Ισχύς εισόδου ισχύ εξόδου V I V I 5
Εξομοίωση στο PSpice Mετατροπέας ανύψωσης τάσης V t d on V T + ( Vd V ) toff V t D d off Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός η δίοδος πολώνεται ανάστροφα. Το φορτίο αποσυνδέεται από την πηγή και τροφοδοτείται από τον πυκνωτή. Όταν q ν L V Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός, το φορτίο απορροφά ενέργεια από την είσοδο και το πηνίο. Ταυτόχρονα φορτίζεται και ο πυκνωτής. Όταν q ν L ( V V ) 6
Λειτουργία Κυματομορφές V DT V V + ( V V ) ( D) T T T ( D) D Υπολογισμός κυμάτωσης ΔiL V DT ( εμβαδ ό Α) L ( V V ) ( D) T ( εμβαδ ό Β) L Ισχύς εισόδου ισχύ εξόδου V I V I Το ρεύμα στον πυκνωτή i ( t) i i I c diode, ripple( t) diode Παραδείγματα V 2 V, D.6 Po2 W L24μH, f 2 khz V 5 V, V ο 2 V Po W Δi2 Α, f 2 khz 7
Εξομοίωση στο PSpice Μικτός DC-DC μετατροπέας Μπορεί να λειτουργήσει σαν ανύψωσης ή σαν υποβιβασμού ανάλογα με το D Βρίσκει εφαρμογή στα DC διακοπτικά τροφοδοτικά Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός μεταφέρεται ενέργεια στο πηνίο. Το φορτίο τροφοδοτείται από τον πυκνωτή. Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός απομονώνεται η πηγή. Το πηνίο τροφοδοτεί το φορτίο και τον πυκνωτή. 8
Λειτουργία Κυματομορφές A B V D T V ( D) T V D I D, V D I D ΔiL V DT ( εμβαδ ό L Α) V ( D) T ( εμβαδ ό L Β) Υπολογισμός κυμάτωσης Το ρεύμα στον πυκνωτή i ( t) i, ( t) c diode ripple Άλλες σχέσεις ΑπότονόμοτουKirchhoff: I L I c Ισχύς εισόδου ισχύ εξόδου Επομένως I V I V I V V I I L I + I + I ( I ) D I D I D V D R 9
Παραδείγματα Άλλοι Μικτοί μετατροπείς Μετατροπείς Cuk Sgle Ended Primary Inductor Converter (SEPIC)
Μετατροπέας Cuk Έξοδος με αντίστροφη πολικότητα σε σχέση με την είσοδο. Ο πυκνωτής C, είναι ένα επιπλέον στοιχείο, και είναι το κύριο μέσο αποθήκευσης και μεταφοράς ενέργειας από την είσοδο στην έξοδο. Πλεονέκτημα σε σχέση με τον μικτό μετατροπέα: Μικρή διακύμανση των ρευμάτων εισόδου και εξόδου. Μειονέκτημα: Η ανάγκη ύπαρξης του C, o οποίος είναι μεγάλος. Μετατροπέας Cuk Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός τα ρεύματα των πηνίων περνούν μέσα από την δίοδο. Ο C φορτίζει. Το i L, μειώνεται γιατί V C >V Toi L2 τροφοδοτεί την έξοδο και έτσι μειώνεται. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός ο C πολώνει ανάστροφα την δίοδο και τα ρεύματα των πηνίων περνούν μέσα από τον διακόπτη. Η είσοδος παρέχει ενέργεια στην L. Το i L, αυξάνεται. Επειδή V C >V, ο C εκφορτίζει στοφορτίοκαιτηνl 2. Έτσι το i L2 αυξάνει.
Μετατροπέας SEPIC Έξοδος με ίδια πολικότητα σε σχέση με την είσοδο. Όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός διάστημα ( D)T τα ρεύματα των πηνίων i L, i L2 περνούν μέσα από την δίοδο. V L2 -Vο Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός ( διάστημα DT ) ο C φορτίζεται και έχει τάση παρόμοια με αυτή της V. Ηδίοδος πολώνεται ανάστροφα και τα i L, i L2 περνούν διαμέσου του διακόπτη. Επίσης V L2 Vc Εφαρμογή σε περιπτώσεις που απαιτείται μικρή κυμμάτωση ρευμάτων εισόδου. Μετατροπέας συγχρόνου ανορθωτή υποβιβασμού πολύ χαμηλών τάσεων Πολύ χαμηλές τάσεις: εξοπλισμός επικοινωνιών ~ V, σε τέτοιες χαμηλές τάσεις η δίοδος στον μετατροπέα έχει απαράδεκτα ψηλή πτώση τάσης. Το πρόβλημα λύνεται με τη χρήση δύο MOSFET, που Διατίθενται με χαμηλή και ελέγχονται από συμπληρωματικούς παλμούς R DS (on) Σύγχρονος ανορθωτής >MOSFET συνδεδεμένος να άγει ανάστροφο ρεύμα 2
Αξιοποίηση διακοπτών στους DC-DC μετατροπείς Πολύ καλή αξιοποίηση διακοπτών Παραδοχές P V I Ονομ ισχύς εξόδου P T V T I T Ονομ ισχύς διακόπτη i L (t)i L Κατάλληλος όταν το V /V d απέχει από το. v (t)v V μεταβλητή Κατάλληλος όταν θέλουμε λειτουργία στα 4 τεταρτημόρια Δυναμική μέση απεικόνιση μετατροπέα στησυνεχήαγωγήρεύματος(ccm) Οι τάσεις και τα ρεύματα στον διακοπτικό μετατροπέα ισχύος για τη θυρίδα τάσης συμβολίζονται με την υπόστιξη vp(voltage port) και τη θυρίδα ρεύματος με cp (current port) Να θυμηθούμε τη σχετική διάρκεια αγωγής του διακόπτη 3
Δυναμική μέση απεικόνιση μετατροπέα υποβιβασμού τάσης Δυναμική μέση απεικόνιση μετατροπέα ανύψωσης τάσης Σε αντίθεση με τον μετατροπέα υποβιβασμού και το μικτό, ο διακόπτης στον ανύψωσης είναι στη κάτω θέση. Όταν ο διακόπτης άγει με διάρκεια αγωγής d(t) η διάρκεια αγωγής του διακοπτικού πόλου ισχύος είναι [-d(t)]. 4
Δυναμική μέση απεικόνιση μικτού μετατροπέα Εξομοίωση στο PSpice Ας δούμε το αποτέλεσμα των εξομοιώσεων της μεταβατικής αύξησης φορτίου στα 3 m με τη βοήθεια του διακόπτη U2 στο διακοπτικό μοντέλο και το μοντέλο με δυναμική μέση απεικόνιση του μικτού μετατροπέα 5
Αποτέλεσμα με διακοπτικό μοντέλο Εξομοίωση στο PSpice Το μοντέλο με δυναμική μέση απεικόνιση του μικτού μετατροπέα 6
Αποτέλεσμα μοντέλου με δυναμική μέση απεικόνιση του μικτού μετατροπέα Ασυνεχής ροή ρεύματος(dcm) Εάν αρχικά ο μετατροπέας εργάζεται στο όριο μεταξύ συνεχούς-ασυνεχούς ρεύματος, καιτοφορτίομειωθεί(δηλαδή μεγαλώσει η αντίστασή του), τότε το ρεύμα Ι L θα μειωθεί κάτω του Ι L,crit, και θα γίνει ασυνεχές. Ρεύμα στο πηνίο για διάφορα φορτία, κρατώντας τη σχετική διάρκεια αγωγής σταθερή 7
Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης-όριο συνεχούς αγωγής ρεύματος (CCM) Στο όριο το ρεύμα το πηνίου μηδενίζεται στο τέλος της περιόδου που ο διακόπτης είναι ανοικτός. ton DT VT I L, crit, Buck il, peak ( V V ) ( V V ) D( D) 2 2L 2L 2L Μετατροπείς ανύψωσης τάσης-όριο συνεχούς αγωγής ρεύματος (CCM) I L, crit, Boot 2 i L, peak V 2 L t on T V 2L D Κατά παρόμοιο τρόπο I L, crit, buck _ Boot T V 2L D 8
Κρίσιμη αντίσταση φορτίου Η αντίσταση φορτίου είναι R crit, Buck V R I 2L T ( D) Κατά παρόμοιο τρόπο R R crit, Boot crit, buck _ Boot 2L T D( D) 2L T ( D) 2 2 Ασυνεχής ροή ρεύματος στους Μετατροπείς υποβιβασμού τάσης 9
Ασυνεχής ροή ρεύματος στους Μετατροπείς ανύψωσης τάσης Ασυνεχής ροή ρεύματος στους μικτούς Μετατροπείς τάσης 2