Elektroniczne Układy i Systemy Zasilania Wykład 10 Zasady projektowania transformatorów Analiza strat mocy w sterowniku impulsowym Politechnika Śląska w Gliwicach Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki dr inż. Ryszard Siurek

Transformator przetwornicy dwutaktowej (zaporowej) IT D1 I0 IC Ipmax Uwe Zp Zw C R0 U0 B IT t BS T gromadzenie energii w takcie I DB H minimalna liczba zwojów uzwojenia pierwotnego dla t = tmax, DB = Bs, Uwe = Uwemax: A d Załóżmy, że wymagana moc wyjściowa P0 zpmin – ustalone dla wybranego rdzenia Szczelina konieczna dla osiągnięcia konkretnej mocy wyjściowej

Takt II - tranzystor T wyłączony ID ID D1 I0 IDmax IC T Zw C R0 t t’ B U0 BS Energia magnetyczna oddawana Jest z rdzeniu w takcie II H Jeżeli dla maksymalnej mocy wyjściowej Po dobierzemy t’ < T-t, to mamy do czynienia z nieciągłym przepływem strumienia w rdzeniu w całym zakresie obciążeń. Przy wzroście t’ wzrasta Lw, a więc i liczba zwojów zw. Gdy t’ = T-t transformator zaczyna pracować w zakresie ciągłego przepływu strumienia. Dla przepływu nieciągłego Dla przepływu ciągłego

Uproszczona procedura projektowania transformatora dla przetwornicy dwutaktowej Określenie maksymalnej (nominalnej) mocy wyjściowej Po Wybór częstotliwości pracy – w oparciu parametry dostępnych materiałów magnetycznych, półprzewodnikowych itp. Określenie czasu tmax, prądu Imax oraz wymaganej indukcyjności Lp Dobór gabarytów rdzenia na podstawie wykresów Hahn’a lub wykresów „AP” (tak, jak przy projektowaniu dławika) Obliczenie (dobór z wykresów) szczeliny Wybór rodzaju pracy (nieciągły lub ciągły przepływ strumienia) Obliczenie liczby zwojów uzwojenia wtórnego zw Zazwyczaj w przetwornicach dwutaktowych wykorzystuje się zakres pracy z nieciągłym przepływem strumienia magnetycznego z następujących powodów: mniejsze liczby zwojów (mniejsze straty mocy w miedzi)mniejsze poziomy zakłóceń (załączanie tranzystora przy zerowym prądzie) łatwość realizacji samowzbudnej struktury przetwornicy (najtańsze rozwiązanie)

Transformator przetwornicy jednotaktowej Ip Ip Iw IM Uwe Zp Zw Uw Lp transformator schemat zastępczy Dobieramy rdzeń - najczęściej na podstawie wykresów (nomogramów itp.) uzależniających wielkość rdzenia od mocy przetwornicy określonego typu Obliczamy minimalną liczbę zwojów dla dobranego rdzenia, aby dla najbardziej niekorzystnych warunków pracy nie uległ nasyceniu Wzór identyczny dla każdego rodzaju przetwornicy! Określamy przekrój przewodu biorąc pod uwagę skuteczną wartość prądu Ip i sprawdzamy dla jakiej liczby zwojów (na podstawie znajomości stałej Al rdzenia) uzyskuje się żądaną indukcyjność Lp – pamiętając, że zp > zpmin

Obliczamy liczbę zwojów uzwojenia (uzwojeń) wtórnych Obliczamy przekrój przewodu (taśmy, licy) uzwojenia wtórnego na podstawie skutecznej wartości prądu Iwsk=nIpsk Sprawdzamy, czy uzwojenia się mieszczą w oknie korpusu rdzenia– należy uwzględnić miejsce na izolację i odpowiednie rozmieszczenie uzwojeń wymagane przez normy bezpieczeństwa korpus uzwojenie wtórne rdzeń droga upływu (6 mm) izolacja bezpieczeństwa (3 warstwy) uzwojenie pierwotne izolacja funkcjonalna (między warstwami) 3 mm

Uwagi ogólne Należy pamiętać, że straty mocy w rdzeniu rosną ze wzrostem częstotliwości oraz amplitudy zmian indukcji w rdzeniu - tak więc należy dążyć do dużej wartości Lp Ale przy dużej wartości Lp jest większa liczba zwojów – a więc trudności ze zmieszczeniem uzwojenia, większe straty mocy w miedzi Należy wybierać rdzeń o jak najlepszych parametrach – maksymalna indukcja nasycenia Bs, minimalne straty mocy, minimalne gabaryty Należy rozważyć zastosowanie minimalnej szczeliny w rdzeniu przetwornicy jednotranzystorowej (forward)– zapewnia to lepsze wykorzystanie rdzenia przez zmniejszenie remanencji magnetycznej B DB - bez szczeliny DB - z niewielką szczeliną H Należy pamiętać, ze Bs maleje z temperaturą - w temperaturze 100oC jest mniejsza o około 20% – 25% od deklarowanej dla temperatury 25oC

Analiza strat mocy w sterowniku impulsowym 1. Straty mocy przy przełączaniu (dynamiczne strat mocy) Ls L UT IL ILmax IL I0 I0 IT ID T Uwe D C Ro t T Uster t ILmax IT ILmin ts QR - ładunek wsteczny diody [mC] td tf ILmax , ID t1 t1 ILmin Przepięcie spowodowane indukcyjnością rozproszenia UT -IRmax Uwe ITskrds Przeładowanie pojemności CBC i CBE (dla tranzystorów bipolarnych) Estr

Zestawienie strat mocy w zasilaczu impulsowym Straty mocy w elementach biernych - rezystancje uzwojeń ( z uwzględnieniem zjawiska naskórkowości i efektu zbliżeniowego) - rezystancja szeregowa (ESR) kondensatorów elektrolitycznych w filtrze wyjściowym - straty w rdzeniach magnetycznych (przemagnesowanie i prądy wirowe) - straty w układach tłumiących przepięcia Straty statyczne w elementach czynnych: - spowodowane rezystancjami kanałów w tranzystorach unipolarnych lub spadkami napięcia na przewodzących (w stanie nasycenia tranzystorach bipolarnych) - spowodowane spadkami napięć na diodach prostowniczych (prostowniki sieciowe) oraz diodach szybkich w obwodach wyjściowych WAŻNE! dla tranzystorów bipolarnych i diod dla tranzystorów polowych Straty dynamiczne przy przełączaniu tranzystorów

Metody minimalizacji strat mocy Straty mocy w elementach biernych - dobór właściwych przekrojów przewodów, nawijanie taśmą miedzianą lub licą - stosowanie kondensatorów o małej rezystancji szeregowej (specjalnych), dużych gabarytowo, łączonych po kilka równolegle, - stosowanie szerokich i cynowanych ścieżek obwodów drukowanych - rdzenie najnowszej generacji o małych stratach i małych gabarytach - możliwie mały zakres zmian indukcji w rdzeniu - wykorzystywanie układów rozmagnesowujących transformator przez umożli- wienie oddawania energii magnesowania do wejścia - stosowanie układów o małych przepięciach – niewielkie wpływy rozproszenia magnetycznego na przepiecia (struktura „forward” dwutranzystorowa) Straty statyczne w elementach czynnych: - stosowanie tranzystorów o jak najmniejszych rezystancjach kanałów - w układach dużej mocy i w obwodach wysokonapięciowych stosowanie bloków IGBT (sterowanie jak dla tranzystorów polowych, spadek napięcia jak dla nasyconego tranzystora bipolarnego) - stosowanie diod Shottky’ego (spadek napięcia poniżej 0,5V) - stosowanie układów tzw. prostowania synchronicznego Po załączeniu się diody wewnętrznej następuje załączenie tranzystora o małej rezystancji przewodzenia – spadek napięcia znacznie mniejszy niż na diodzie

IT Zp UT Cwe Uwe Cs IT UT T Ds Dynamiczne straty mocy w tranzystorze - stosowanie bardzo szybkich tranzystorów - stosowanie specjalnych struktur przetwornic zapewniających przełączanie tranzystorów w stanie bez prądu lub bez napięcia (struktury rezonansowe) - wykorzystanie układów tłumiących do rozdziału czasowego przebiegu napięcia i prądu IT Zp UT Cwe Kondensator opóźnia narost napięcia w stosunku do prądu w tranzystorze Uwe Cs IT UT T t Ds Możliwe jest takie dobranie wartości kondensatora Cs, aby suma strat mocy w tranzystorze i rezystorze układu tłumiącego osiągnęła minimum