Przekształtniki impulsowe prądu stałego (dc/dc)

Transkrypt

1 Przekształtniki impulsowe prądu stałego (dc/dc) Wprowadzenie Sterowanie napięciem przez Modulację Szerokości Impulsów MSI (Pulse Width Modulation - PWM) Przekształtnik obniżający napięcie (buck converter) Przekształtnik podwyższający napięcie (boost converter) Przekształtnik odwracający (buck-boost) Przekształtniki dwu- i czterokwadrantowe Unipolarne i bipolarne sterowanie MSI przekształtnika mostkowego Wpływ przewodzenia przerywanego na pracę przekształtników buck, boost, buck-boost 1

2 Wprowadzenie do przekształtników dc/dc Główne zastosowania: Zasilacze impulsowe prądu stałego Napędy z silnikami prądu stałego Cel: regulować napięcie wyjściowe Schemat blokowy: 2

3 Sterowanie wartością średnią napiecia przez MSI 3

4 Realizacja sterowania MSI 4

5 Przekształtnik obniżający (buck converter) Tętnienia napięcia są filtrowane dolnoprzepustowym filtrem LC Dioda jest niezbędna, aby zapewnić drogę dla prądu i L gdy nie przewodzi łącznik 5

6 Napięcie wyjściowe przekształtnika V d Vd średnie zależy liniowo od D V 0 = D V d Częstotliwości harmoniczne są wielokrotnościami f s : f s, 2f s, 3f s,... Filtrowanie tym skuteczniejsze im większa częstotliwość łączeń fs i im mniejsza częstotliwość graniczna (-3dB) filtru f c «f s 6

7 Przebiegi i,u przy przewodzeniu ciągłym i L > 0 W stanie ustalonym: A = B (v L ) śr = 0 Bilans mocy przy pominięciu strat: 7

8 Przekształtnik podwyższający napiecie (boost) Takie same elementy, inaczej połączone Napięcie wyjściowe nie może być mniejsze od wejściowego 8

9 Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu ciągłym całka napięcia na indukcyjności: Bilans mocy: 9

10 Ograniczenia w podwyższaniu napięcia Dławik i kondensator nie są idealne (straty) Spadki napięcia stają się istotne przy dużych prądach i dużych D Napięcie wyjściowe niedokładnie odpowiada teoretycznemu D musi być ograniczone:

11 Przekształtnik buck-boost (obniżająco-odwracający) Napięcie wyjściowe może być niższe lub wyższe od wejściowego Napięcie wyjściowe ma przeciwny znak niż wejściowe 11

12 Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu ciągłym 12

13 Przekształtniki dwukwadrantowe (półmostkowe) Przełączanie między dodatnim a ujemnym biegunem napięcia Ud Średnie napięcie wyjściowe dodatnie, prąd dodatni lub ujemny (I i II ćwiartka) Stanowią jedno ramię (leg) w przekształtnikach złożonych dc/dc lub dc/ac 13

14 Przekształtnik czterokwadrantowy o jednym ramieniu Obciążenie włączone między biegun wyjściowy przekształtnika, a punkt środkowy zasilania Zarówno prąd jak i napięcie wyjściowe mogą być dodatnie lub ujemne Zastosowania: zasilacze impulsowe przekształtniki dc/ac 14

15 Przekształtnik czterokwadrantowy mostkowy Napięcie wyjsciowe może być regulowane w zakresie napięcie zasilające 15

16 Przekształtnik czterokwadrantowy mostkowy Zastosowania: Napędy prądu stałego Falowniki dc/ac Zasilacze impulsowe z izolacją we/wy 16

17 Napięcia wyjściowe biegunów przekształtnika Napięcia (chwilowe) w punktach A, B oraz ich różnica zależą od napięcia zasilającego i sygnałów sterujących, a są niezależne od prądu obciążenia Napięcia średnie zależą od względnych czasów wysterowania łączników T A+, T B+ (łączniki T A-, T B- są sterowane komplementarnie) 17

18 Sterowanie MSI w przekształtnikach mostkowych Dwie metody sterowania MSI: Bipolarna (dwubiegunowa) MSI : pary łączników (TA+, TB-) oraz (TA-, TB+) są wysterowywane równocześnie Unipolarna (jednobiegunowa) MSI : między wysterowaniem TA+ a TB- oraz między TA- a TB+ jest 180 o przesuniecia fazowego Unipolarna MSI jest zdecydowanie lepsza, choć jej realizacja jest nieco bardziej skomplikowana 18

19 Porównanie MSI unipolarnej i bipolarnej Wartość skuteczna składowej zmiennej (wszystkich harmonicznych łącznie) jest mniejsza dla MSI unipolarnej, zwłaszcza dla średnich wartości napięcia wyjściowego bliskich zeru Częstotliwość podstawowej harmonicznej w napieciu wyjsciowym jest dla modulacji unipolarnej dwukrotnie wyższa niż częstotliwość przełaczeń zaworów fs, a dla bipolarnej równa fs 19

20 Sterowanie w bipolarnej MSI TA+ i TBprzewodza, gdy sygnał sterujący v control jest większy niż trójkątny sygnał odniesienia Napięcie wyjściowe przełącza się od wartości +V d do -V d Przejście prądu przez zero nie wywołuje żadnych komplikacji 20

21 Sterowanie MSI - wzory Napięcie trójkątne w przedziale ¼ okresu Ts: Względny czas wysterowania TA+: Średnie napięcie wyjściowe liniowo zależy od sygnału sterującego 21

22 Sterowanie unipolarne MSI Dwa oddzielne napięcia sterujące dla łączników TA i TB Tak jak poprzednio: 22

23 Przewodzenie przerywane W przekształtnikach dwu- i czterokwadrantowych przewodzenie przerywane praktycznie nie wystepuje W prostych przekształtnikach (buck, boost, buck-boost), przy niewielkich obciążeniach prąd w indukcyjności może w pewnych przedziałach spadać do zera mówimy wtedy o przewodzeniu przerywanym Dla przewodzenia przerywanego znacznie komplikują się wzory na napięcie wyjsciowe; napięcie to staje sie zależne od prądu i parametrów obwodu Analizę pracy przy przewodzeniu przerywanym najlepiej przeprowadzic symulacyjnie, lub skorzystać z ipes 23

24 Praca na granicy przewodzenia ciągłego i przerywanego w przekształtniku obniżającym (buck) 24

25 Przebiegi w stanie ustalonym przy przewodzeniu przerywanym w przekształtniku obniżającym (buck) 25

26 Charakterystyki V(I) dla przekształtnika obniżającego (buck) z uwzględnieniem strefy przewodzenia przerywanego 26

27 Charakterystyki D(I) dla przekształtnika obniżającego (buck) z uwzględnieniem strefy przewodzenia przerywanego 27

28 Przekształtnik obniżający (buck) ćwiczenia ipes 28

29 Przekształtnik podwyższający granice przewodzenia ciągłego i przerywanego 29

30 Przekształtnik podwyższający przebiegi na granicy przewodzenia ciągłego oraz przy przewodzeniu przerywanym 30

31 Przekształtnik podwyższający charakterystyki D (I o ) z uwzględnieniem przewodzenia przerywanego 31

32 Przekształtnik podwyższający ćwiczenia ipes 32