ΜΑΘ.. 12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΥΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 1. ΓΕΝΙΚΑ Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος επιτελούν τη μετατροπή μιας τάσης συνεχούς μορφής, σε συνεχή τάση με ρυθμιζόμενο σταθερό πλάτος ή και πολικότητα. Ειδικότερα, η συνεχής τάση εισόδου μετατρέπεται σε μεταβαλλόμενη τάση υψηλής συχνότητας, με τη χρήση διακοπτών. Η ελεγχόμενη συνεχής τάση εξόδου λαμβάνεται με το φιλτράρισμα, ή/και την ανόρθωση της εσωτερικά παραγόμενης τάσης υψηλής συχνότητας. Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, ανάλογα με το αν η τάση εξόδου τους είναι γαλβανικά απομονωμένη από την είσοδο. Σε μετατροπείς συνεχούς ρεύματος χωρίς γαλβανική απομόνωση και σε μετατροπείς συνεχούς ρεύματος με μετασχηματιστή απομόνωσης. Οι δύο κύριες τοπολογίες μετατροπέων συνεχούς ρεύματος χωρίς απομόνωση είναι ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (sep down, buck) και ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης (sep up, boos). Παραλλαγές των μετατροπέων αυτών είναι οι μετατροπείς υποβιβασμού ανύψωσης τάσης (buck boos) με ένα ή δύο διακόπτες ελέγχου. Ακόμη, ο μετατροπέας πλήρους γέφυρας (full bridge) χρησιμοποιείται ως μετατροπέας συνεχούς ρεύματος. 1
2. ΑΡΧΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Ο στοιχειώδης διακοπτικός μετατροπέας συνεχούς ρεύματος αποτελείται από ένα διακόπτη και τροφοδοτεί ένα ωμικό φορτίο. Η συνεχής τάση στην είσοδο του μετατροπέα προέρχεται από μπαταρίες, ή συνήθως από την ανόρθωση της τάσης του δικτύου, η οποία εξομαλύνεται με πυκνωτές. Σκοπός του μετατροπέα είναι η ρύθμιση της τάσης εξόδου u o στην επιθυμητή τιμή, η οποία πρέπει να διατηρείται σταθερή ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης εισόδου V dc και του φορτίου R L. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με έλεγχο των χρόνων αγωγής και αποκοπής του διακόπτη, οπότε η τάση εξόδου αποκτά παλμική μορφή. Sw V dc ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ u o R L Στοιχειώδης μετατροπέας συνεχούς ρεύματος 2
Η μέση τιμή της τάσης εξόδου V ο διατηρείται σταθερή στην επιθυμητή τιμή, με έλεγχο της σχετικής διάρκειας αγωγής του διακόπτη (duy cycle) D, ενώ η συχνότητα μετάβασης (swiching frequency) f s παραμένει σταθερή. To duy cycle ορίζεται από τη σχέση on D = T όπου, T s είναι η περίοδος μετάβασης T = = Αυτή η τεχνική ελέγχου του διακόπτη ονομάζεται, διαμόρφωση εύρους παλμών (Pulse Widh Modulaion, PWM) και είναι η πλέον χρησιμοποιούμενη σε όλους τους τύπους διακοπτικών μετατροπέων. s s on off 1 f s u o V dc V o 0 on off D 1-D T s Κυματομορφή της τάσης εξόδου του στοιχειώδη μετατροπέα 3
Μια τυπική μέθοδος ελέγχου του duy cycle παρουσιάζεται στο σχήμα. Η τάση εξόδου του μετατροπέα u o συγκρίνεται με την επιθυμητή τιμή της τάσης. Το σήμα σφάλματος επεξεργάζεται από ένα ελεγκτή, συνήθως του τύπου αναλογικός διαφορικός (Proporional Inegral, PI). Ο ελεγκτής παράγει το σήμα ελέγχου u c, το οποίο συγκρίνεται με μια περιοδική κυματομορφή, συνήθως πριονωτής μορφής. Από τη σύγκριση του σήματος ελέγχου με την περιοδική κυματομορφή, παράγονται οι παλμοί οδήγησης του διακόπτη με το κατάλληλο duy cycle. Η συχνότητα της περιοδικής κυματομορφής καθορίζει τη συχνότητα μετάβασης του μετατροπέα. Κύκλωμα Οδήγησης V dc Sw ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗΣ ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΑΣ u o R L V o Σ * V o e Ελεγκτής ur u c u c u r u sw u sw on off Έλεγχος του διακοπτικού μετατροπέα σε κλειστό βρόχο με την τεχνική PWM T s 4
3. ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιούνται στην υλοποίηση διατάξεων τροφοδοσίας, οι οποίες χαρακτηρίζονται διακοπτικά τροφοδοτικά ή παλμοτροφοδοτικά. Η δεύτερη κατηγορία τροφοδοτικών διατάξεων είναι τα γραμμικά τροφοδοτικά, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για τις ανάγκες τροφοδοσίας των ηλεκτρονικών διατάξεων με συνεχές ρεύμα. Τα διακοπτικά τροφοδοτικά άρχισαν να εκτοπίζουν τα γραμμικά τα τελευταία χρόνια, με τη ραγδαία πρόοδο στην τεχνολογία κατασκευής ημιαγωγών διακοπτών ικανών να λειτουργούν σε υψηλές συχνότητες. Στα γραμμικά τροφοδοτικά η ηλεκτρική απομόνωση της συνεχούς τάσης εξόδου από την τάση του δικτύου εξασφαλίζεται μ ένα μετασχηματιστή. Ο μετασχηματιστής λειτουργεί στη συχνότητα του δικτύου (50Ηz) και ο λόγος μετασχηματισμού του επιλέγεται ανάλογα με την επιθυμητή τιμή της τάσης εξόδου. u ce = u dc - u o i o Δίκτυο 1φ ή 3φ Μετασχηματιστής 50Ηz Ανορθωτής C u dc Κύκλωμα Οδήγησης Ελεγκτής Λειτουργικό διάγραμμα των γραμμικών τροφοδοτικών με είσοδο από το δίκτυο i b u c * V o u o R L 5
Η εναλλασσόμενη τάση από το δευτερεύον του μετασχηματιστή μετατρέπεται σε συνεχή, μέσω ενός ανορθωτή με διόδους και εξομαλύνεται από ένα πυκνωτή μεγάλης χωρητικότητας. Η φιλτραρισμένη ανορθωμένη τάση u dc ρυθμίζεται και σταθεροποιείται στην επιθυμητή τιμή u o μέσω ενός ransisor, το οποίο λειτουργεί στη γραμμική (ενεργό) περιοχή. Η τάση εξόδου συγκρίνεται με την τάση αναφοράς και το σήμα σφάλματος μέσω ενός ελεγκτή και του κυκλώματος οδήγησης, ελέγχει το ρεύμα βάσης του ρυθμιστικού ransisor ισχύος. To ransisor ισχύος στα γραμμικά τροφοδοτικά λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση, η πτώση τάσης στα άκρα της οποίας είναι ίση με uce = udc uo Αν i o είναι το ρεύμα στο φορτίο, οι απώλειες ισχύος στο ransisor είναι ίσες με p = u i Sw loss Προκειμένου οι απώλειες ισχύος στο ransisor να είναι περιορισμένες, η τάση στο δευτερεύον του μετασχηματιστή πρέπει να επιλεγεί προσεκτικά, έτσι ώστε η ελάχιστη τάση u dc να είναι λίγο μεγαλύτερη της τάσης εξόδου u o. CE o 6
3.1 ΔΙΑΚΟΠΤΙΚΑ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΑ Η διαφορά των διακοπτικών από τα γραμμικά τροφοδοτικά έγκειται στον τρόπο λειτουργίας των ransisors ισχύος. Στα διακοπτικά τροφοδοτικά τα ransisors ισχύος λειτουργούν ως διακόπτες σε υψηλή συχνότητα. Λειτουργώντας τα ransisors στις περιοχές κόρου και αποκοπής, αντί στην ενεργό περιοχή, επιτυγχάνουμε πολύ μικρότερες απώλειες ισχύος. Το κύριο τμήμα των παλμοτροφοδοτικών με είσοδο από το δίκτυο είναι ο μετατροπέας συνεχούς ρεύματος με απομόνωση. Η συνεχής τάση στην είσοδο του μετατροπέα προέρχεται από την απευθείας ανόρθωση της τάσης του δικτύου, την οποία εξομαλύνει ο πυκνωτής C. Μετατροπέας Συνεχούς Ρεύματος με Απομόνωση i o Δίκτυο 1φ ή 3φ Φίλτρο ΕΜΙ Ανορθωτής C u dc Κύκλωμα Οδήγησης Κύκλωμα Απομόνωσης Μ/Σ Ισχύος Υψηλής Συχνότητας PWM Ανορθωτής και Φίλτρο u c Ελεγκτής u o R L * V o Κύκλωμα Ελέγχου Λειτουργικό διάγραμμα των διακοπτικών τροφοδοτικών με είσοδο από το δίκτυο 7
Η μετατροπή της συνεχούς τάσης εισόδου u dc, στην επιθυμητή σταθεροποιημένη τάση εξόδου u o, επιτελείται σε δύο στάδια. Αρχικά, με τη βοήθεια των διακοπτών, η συνεχής τάση εισόδου μετατρέπεται σε μεταβαλλόμενη τάση υψηλής συχνότητας. Με τη μεταβαλλόμενη τάση οδηγείται το πρωτεύον ενός μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας. Ο μετασχηματιστής αυτός, επειδή λειτουργεί σε συχνότητες της τάξης των εκατοντάδων khz, έχει εξαιρετικά μικρές διαστάσεις για δεδομένη ισχύ, σε σχέση με το συμβατικό μετασχηματιστή 50 60Hz των γραμμικών τροφοδοτικών. Η μεταβαλλόμενη τάση στο δευτερεύον του μετασχηματιστή ανορθώνεται από διόδους υψηλής ταχύτητας και φιλτράρεται, για τη λήψη της συνεχούς τάσης εξόδου. Η ρύθμιση και η σταθεροποίηση της τάσης εξόδου πραγματοποιείται από το κύκλωμα ελέγχου. Ητάσηελέγχουu c από τον ελεγκτή συγκρίνεται με μια περιοδική κυματομορφή, η οποία ορίζει τη συχνότητα μετάβασης των διακοπτών. To PWM σήμα που παράγεται στην έξοδο του συγκριτή απομονώνεται, πριν χρησιμοποιηθεί στην οδήγηση των διακοπτών. Η απομόνωση στο βρόχο ανάδρασης επιτελείται συνήθως με οπτικό τρόπο. Τα διακοπτικά τροφοδοτικά συγκρινόμενα με τα γραμμικά εμφανίζουν πολύ μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης και έχουν μικρότερο όγκο. Μειονεκτήματα είναι η πολυπλοκότερη κατασκευή, η αυξημένη κυμάτωση της τάσης εξόδου, και προβλήματα ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής από τη διακοπτική λειτουργία των ransisors. 8
4. ΕΙΔΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΜΕ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ Το κρισιμότερο τμήμα των μετατροπέων συνεχούς ρεύματος με απομόνωση είναι ο μετασχηματιστής υψηλής συχνότητας, ο πυρήνας του οποίου κατασκευάζεται από κατάλληλους φερρίτες για την επίτευξη μικρών απωλειών. Οι απώλειες στον πυρήνα αυξάνουν με τη συχνότητα λειτουργίας και την πυκνότητα ροής. Όμως, όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα τόσο μικρότερος μπορεί να γίνει ο πυρήνας. Η σχεδίαση του μετασχηματιστή είναι ιδιαίτερα κρίσιμη και εξαρτάται από την τοπολογία του μετατροπέα. Ανάλογα με τον τρόπο διέγερσης του πυρήνα του μετασχηματιστή, οι μετατροπείς συνεχούς ρεύματος με απομόνωση διακρίνονται σε δύο κατηγορίες: Μετατροπείς με μονοκατευθυντική διέγερση του πυρήνα, όπου εκμεταλλευόμαστε μόνο το πρώτο τεταρτημόριο του βρόχου υστέρησης. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι μετατροπείς flyback και forward. Μετατροπείς με αμφίδρομη διέγερση του πυρήνα, όπου χρησιμοποιούνται και τα δύο τεταρτημόρια του βρόχου υστέρησης. Η κατηγορία αυτή περιλαμβάνει τους μετατροπείς push pull, μισής γέφυρας (half bridge) και πλήρους γέφυρας (full bridge). 9
5. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΕΓΕΘΗ ΤΩΝ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΩΝ Σε μια διάταξη τροφοδοσίας πέντε είναι τα χαρακτηριστικά μεγέθη, τα οποία καθορίζουν την ποιότητα λειτουργίας: Ο βαθμός απόδοσης (efficiency). Η κυμάτωση της τάσης εξόδου (ripple). Η ρύθμιση εισόδου (line regulaion). Η ρύθμιση φορτίου (load regulaion). Η δυναμική απόκριση (line, load ransien response). Ο βαθμός απόδοσης εκφράζει την ικανότητα μετατροπής ισχύος της διάταξης. Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης, τόσο λιγότερες είναι οι απώλειες ισχύος στο μετατροπέα. Η κυμάτωση της τάσης εξόδου ορίζεται σε ορισμένη τάση εισόδου και ρεύμα εξόδου. Η ρύθμιση εισόδου αναφέρεται στη μεταβολή της τάσης εξόδου του μετατροπέα, λόγω μεταβολής της τάσης εισόδου. Η ρύθμιση εισόδου ορίζεται σε κάποια τιμή του ρεύματος εξόδου, σύμφωνα με τη σχέση V V Reg = 100% line I o max min o( dc ) Vo( Vdc ) min Vo( Vdc ) 10
Η ρύθμιση φορτίου αναφέρεται στη μεταβολή της τάσης εξόδου, εξαιτίας της μεταβολής του ρεύματος στο φορτίο, σε κάποια τάση εισόδου, σύμφωνα με τη σχέση V I V I Reg = 100% load V dc min max o( o ) o( o ) min Vo( Io ) Η δυναμική συμπεριφορά του μετατροπέα ορίζεται από τη διαταραχή στην τάση εξόδου, την οποία προκαλούν βηματικές μεταβολές της τάσης εισόδου ή του ρεύματος φορτίου. Στη δυναμική απόκριση των διακοπτικών μετατροπέων καθοριστικός παράγοντας είναι η συχνότητα μετάβασης. ΔV o ΔV o ΔV dc ΔI o (α) Απόκριση του μετατροπέα σε βηματική μεταβολή της τάσης εισόδου (α) και του ρεύματος φορτίου (β) (β) 11