Stejnosměrné měniče. přednášky výkonová elektronika

Stejnosměrné měniče přednášky – výkonová elektronika

Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů.

Stejnosměrné měniče

• Stejnosměrné měniče - charakteristika – vstupní proud – stejnosměrný, – výstupní proud – stejnosměrný – vlastní komutace spínaní, spínací prvek – tranzistory MOSFET, IGBT, tyristory GTO nebo IGCT, rychlý tyristor s komutačním obvodem

• Rozdělení – nábojové pumpy • vhodné přepínání nabitých kondenzátorů k dosažení vyššího nebo záporného napětí • pro malé odběry proudu

– měniče s induktorem nebo transformátorem • pracují s proudem v induktorech • transformátor s primární a sekundární částí

Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

2


• Základní nábojové pumpy – Dvoufázový napěťový zdvojovač • 1 fáze – nabití kondenzátoru C • 2 fáze – kondenzátor se přepne tak, aby výsledné napětí bylo Uin + UC a nabíjí se výstupní kondenzátor (volit vhodné velikosti • realizace – dva spínače (MOSFET) a diody • dá se řetězit

U out C 2 U in C  Cout

– Invertující nábojová pumpa • realizace – dva spínače (MOSFET) • integrovaný obvod


3


• Dicsonova nábojová pumpa – méně spínačů, více stupňů – vyrábí se jako integrovaný obvod – N počet stupňů, Ud – úbytek napětí na diodách

U out  U in  N U in  U d   U d – při zátěži

 C  I out   U d U out  U in  N  U in  U d  C  CS  f ocs   C  CS Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

4


• Stejnosměrné měniče s induktorem – propustné (přímé) • na výstup teče proud ve stejném okamžiku, kdy teče proud do měniče

– blokovací • v první fázi se akumuluje energie v magnetickém obvodu, v druhé fázi se z magnetického obvodu uvolňuje do spotřebiče

• módy měniče - podle odebíraného proudu, spínací frekvence a indukčnosti induktoru – spojitý mód – • proud induktorem teče po celou dobu periody (neklesne na nulu), • výstupní napětí závisí jen na střídě a vstupním napětí • spínače v režimu tvrdého spínání

– nespojitý mód – • po určitou část periody induktorem proud neteče • výstupní napětí závisí také na frekvenci a indukčnosti Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

5


• PWM – vyšší harmonické

D  t1 T

– PWM jako neharmonický periodický průběh – obsahuje stejnosměrnou složku a vyšší harmonické složky – SS – roste lineárně se střídou A0  D  AM – harmonické složky – změna podle střídy, maximum: 2A

AMn 

M

n

– složka pro střídu D:

AMn

2 AM  sin nD  n

– měniče se doplňují filtry, aby se vyšší harmonické potlačily Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

6


• Výpočet harmonických pro danou střídu

A0  D  AM

AMn 

2 AM sin nD  n

střída D = 0,3 AM 0  0,300 AM AM 1  0,515 AM AM 2  0,303 AM AM 3  0,066 AM AM 4  0,094 AM AM 5  0,127 AM Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

7


• Rozdělení měničů s induktorem a transformátorem – jednočinné – induktorem prochází proud pouze jedné polarity (induktor a transformátor) • přímé – snižující (buck), přímý transformátorový • blokující (nepřímé) – zvyšující (boost), invertující (buck/boost), nepřímý transformátorový (flyback)

– dvojčinné s transformátorem – induktorem prochází proud obou polarit (jen transformátor) • před transformátorem je střídač • pro větší výkony


8


• snižující měnič (buck) – funkce – spínač na vstupu snižuje střední hodnotu napětí, dioda, tlumivka a kondenzátor jako filtrace – spojitý mód t1

U out  DUin

– nespojitý

U out  U in

T

D

1 2 LI 0 1 U in D 2T

– mezní parametry prvků • • • •

IDMAX = ILMAX = UoutMAX/R= Iout UDSMAX = Uin IDZ=Iout (1 - D) UDZ= Uin


9


• Snižující měnič pro stejnosměrnou motorovou trakci – výkony měničů 105 – 107 W – tyristory s komutačním obvodem, GTO, IGCT, IGBT jako spínač

• Celospínaný (synchronní) snižující měnič (buck) – nulová dioda nahrazena spínačem (tranzistor MOSFET při sepnutí sníží úbytek na diodě, sepnutý kanál pracuje obousměrně) – určený pro měniče na nízká napětí (úbytek na diodě snižuje účinnost měniče) – řídící obvod pro spínání obou tranzistorů (spínají proti sobě)


10


• Generování napětí na řídící elektrodě tranzistoru ve snižujícím měniči při velkých hodnotách napětí Uin – využití principu nábojové pumpy, řídící obvod oddělen běžně optočlenem – tranzistor S vypnut, proud protéká nulovou diodou • pravá elektroda kondenzátoru Cbootstr na potenciálu nižším, než je záporný pól napájecího napětí, kondenzátor se nabíjí na napětí Ucontr přes diodu

– tranzistor S zapnut, na horním konci nulové diody napětí Uin • pravá elektroda kondenzátoru Cbootstr na potenciálu na potenciálu stejném, jako je Uin, na kondenzátoru dostatečné napětí pro sepnutí a udržení sepnutí tranzistoru


11


• výstupní charakteristika snižujícího měniče – normovaná


12


• zvyšující měnič (boost) – spojitý mód

U out  U in

1 1 D

– nespojitý mód  U in D 2T   U out  U in 1  2 LI out   – mezní parametry prvků • • • •

IDMAX = Iout (1/(1-D)) UDSMAX = Uout IDZ=Iout UDZ= Uout


13


• výstupní voltampérová charakteristika zvyšujícího měniče – – normovaná


14


• invertující měnič (buck/boost) – spojitý mód

U out D  U in 1 D – nespojitý mód

U out U in D 2T  U in 2 LI out – mezní parametry prvků • • • •

IDMAX = Iout (1/(1-D)) UDSMAX = Uout IDZ=Iout UDZ= Uout


15


• výstupní voltampérová charakteristika


16


• Ćukův měnič U out D  U in 1 D

Mezní parametry prvků • IDMAX = Iout (D/(1-D)) • UDSMAX = Uin + Uout • IDZ=Iout • UDZ= Uin + Uout

• Sepic U out D  U in 1  D

– oddělení od ss složky na vstupu, snadnější řízení


17


• Blokující měnič s transformátorem (fly-back) – – – –

vychází z principu invertujícího měniče, oddělení primární a sekundární strany transformátorem používá se rozhraní mezi spojitým a nespojitým módem výstupní napětí pro spojitý mód

U in D U out  n 1 D – mezní parametry prvků • • • •

IDMAX = (Uin . t1)/LP UDSMAX = Uin + Uout(NP/NS) IDZ=Iout UDZ= Uout + Uin(NS/NP)


18


• Přímý jednočinný měnič s transformátorem – vinutí pro demagnetizaci – mezní parametry prvků • • • •

IDMAX = Iout .(NS/NP) UDSMAX = 2Uin IDZ=Iout .D UDZ= Uout + Uin(NS/NP)

U out N S t1  U in N P T


19


• Dvojčinný měnič (Push/pull) – magnetizace jádra o obou polaritách, lepší využití z hlediska výkonu – složitější řízení – mezní parametry prvků • • • •

IDMAX = (Uin . t1)/LP UDSMAX = Uin + Uout(NP/NS) IDZ=Iout UDZ= Uout + Uin(NS/NP)

U out N S t1  U in 2 N P T

U out N S t1  U in N P T


20


• Dvojčinný měnič (Push/pull) – průběh proudu a napětí v měniči


21


• Regulace výstupního napětí měniče – dvoustavová regulace • měnič je nastaven na maximální napětí, regulátor ho pouští, pokud je výstupní napětí klesne pod nastavenou mez

– spojitá regulace – změna šíře PWM,

• Principy návrhu regulátoru pro měnič – měnič má náhradní frekvenční přenosovou charakteristiku • kondenzátory, induktor, zátěž, • střída měniče (u některých typů)

– regulační obvod se zpětnovazební smyčkou • musí fungovat tak, aby pro celou použitelnou frekvenční charakteristiku (< fs) zůstal stabilní

– ochranné obvody (chrání tranzistor proti nadproudu) • bývá vložen bočníkový rezistor do větve s tranzistorem nebo do napájecího přívodu

– malé měniče – vhodný integrovaný obvod, návrh měniče podle návodu v technických specifikacích Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů

22


• Snížení vypínacích ztrát na tranzistorech – použití odlehčovacích obvodů – rezonanční topologie

• Quasirezonanční DC měniče – běžně pracují tranzistory v DC měniči s tvrdým vypínáním – rezonanční obvod zajišťuje snížení napětí v době rozepnutí spínače snížení vypínacích ztrát, možnost vyšší frekvence – konstantní doba sepnutí tranzistoru (není možná modulace PWM)


23


• Literatura: – Ned Mohan, Tore M. Udeland, William P.Robbins: Power Electronics: Converter, Application and Design. 2nd. ed. John Wiley & sons. 1989


24


Děkuji za pozornost

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a inovace výuky technických předmětů, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Stejnosměrné měniče. přednášky výkonová elektronika

Recommend Documents