VISOKOFREKVENCIJSKI ISTOSMJERNI PRETVARAČI

BEZ GALVANSKOG ODVAJANJA

Vrste elektroničke energetske pretvorbe

IZMJENIČNAPRETVORBA

ISTOSMJERNAPRETVORBA

IZRAVNA IZRAVNA

NEIZRAVNANEIZRAVNA

∼ –

∼ –

– ∼

tok energije

ISPRAVLJANJE

IZMJENJIVANJE

ISTOSMJERNAPRETVORBA

IZMJENIČNA

PRETVORBA

Prisjetimo se osnovne ideje istosmjerne pretvorbe

Položaj

preklopke

Istosmjerni pretvarači – Djelotvornost ??

Linearni regulator kao izvor napajanja

Usporedba djelotvornosti linearnog regulatora i istosmjernog pretvarača

Načelo modulacije širine impulsa (PWM)

Načelo upravljanja istosmjernim pretvaračima

modulacija širine impulsa (PWM)

Osnovni tipovi istosmjernih pretvarača

- silazni (buck)

Osnovni tipovi istosmjernih pretvarača

- uzlazni (boost)

Osnovni tipovi istosmjernih pretvarača

- silazno-uzlazni (buck-boost)

Da li su visokofrekvencijski istosmjerni pretvarači idealno rješenje?

Gubici sklopke istosmjernog silaznog pretvarača !!

Da li su visokofrekvencijski istosmjerni pretvarači idealno rješenje? Gubici !

Pojam transformatorskih jednadžbi

istosmjenih pretvarača

Druga transformatorska jednadžba može se dobiti izravno: iz valnog oblika struje izvora VB.

Pojam transformatorskih jednadžbi

istosmjenih pretvarača

Metoda izvođenja transformatorskih jednadžbi istosmjernih pretvarača koji sadrže filtre

Istosmjerni silazni pretvarač

Polazi se od valnog oblika napona na induktivitetu.

Naponska transformatorska jednadžba je evidentna. Srednja vrijednost napona na trošilu jednaka je srednjoj vrijednosti napona na diodi, jer je srednja vrijednost napona na induktivitetu (u ustaljenom stanju) jednaka nuli.

ddIL

ILD = IB

Istosmjerni uzlazni pretvarač

ILk

ILK

Istosmjerni silazno - uzlazni pretvarač

Ćukov pretvarač (uzlazno-silazni)

1.

2.

3.

4.

Ćukov pretvarač

• Osim elektromagnetskog, koristi i elektrostatski prijenos energije.

• Istovremeno mala valovitost struje ulaznog i izlaznog kruga pretvarača.

• Sprezanjem prigušnica moguće je gotovo u potpunosti eliminirati valovitost struje.

Čoper (silazni istosmjerni pretvarač s tiristorskom sklopkom)

Pregled nekih izvedenih istosmjernih pretvarača (silazni)

Dvokvadrantni strujno dvosmjeran čoper

Pregled nekih izvedenih istosmjernih pretvarača (silazni)

Dvokvadrantni naponski dvopolan čoper

Pregled nekih izvedenih istosmjernih pretvarača (silazni)

Četverokvadrantni čoper

Četverokvadrantni čoper ; kako radi ?

Četverokvadrantni čoper ; kako radi ?

Dodatak: Istosmjerni motor kao trošilo

Odabrani primjeri: SILAZNI PRETVARAČ

Za silazni pretvarač s podacima: Vi = 24 V, L = 200 μH, C = 1000 μF, f = 1/T = 10 kHz, D = 0,4 , RL = 20 Ω potrebno je

• provjeriti u kojem načinu rada radi i odrediti izlazni napon,

• odrediti faktor opterećenja tako da pretvarač radi na granici isprekidanog i neisprekidanog načina rada,

• odrediti granični otpor pretvarača potreban da bi pretvarač radio u neisprekidanom načinu rada,

• odrediti izlazni napon na granici isprekidanog i neisprekidanog načina rada.

a) Način rada može se provjeriti na temelju analize struje prigušnice. Najprije se pretpostavi da je struja prigušnice neisprekidana. Tada je njena srednja vrijednost jednaka struji trošila, tj.

IL = IO = VO/RL = DVi/RL = 0,4*24/20 = 0,48 A

Potrebno je odrediti promjenu struje prigušnice tijekom jedne periode pomoću izraza

Budući da je ΔiL/2 = 2,88/2 = 1,44 A > IO = 0,48 A, uvjet neisprekidanog rada nije ispunjen, te pretvarač radi u isprekidanom načinu rada za koji vrijedi prijenosna karakteristika

Odabrani primjeri: SILAZNI PRETVARAČ

ADD

Lf

Vi iL 88,2

101010200

4,014,0241

36

20/16,0

16,0

5,14/20/4,0

4,0

24

5,18

4//

2

2

max

max2

2

OO

O

iOL

OLLOi

O

VV

V

AL

TVI

IRVD

D

V

V

Odabrani primjeri: SILAZNI PRETVARAČ

Potrebno je riješiti jednadžbu

te se dobiva VO = 13,9 V kao rješenje za izlazni napon.

Strujno-naponski odnosi na prigušnici koji opisuju prethodno rješenje

08,4602,192 OO VV

Odabrani primjeri: SILAZNI PRETVARAČ

b) Na granici isprekidanog i neisprekidanog načina rada vrijedi

ΔiL/2 = IO = VO/RL

Primjenom izraza

dobiva se za granični faktor opterećenja

Pri graničnom faktoru opterećenja vrijednost izlaznog napona je

VO =DgrVi = 0,8*24 = 19,2 V

DTDL

Vi iL 1

8,0

20

10101020021

21

36

Lgr R

LfD

Odabrani primjeri: SILAZNI PRETVARAČ

c) Uz osnovne zadane podatke granična izlazna struja jednaka je

Budući da je pri D = 0,4 u neisprekidanom načinu rada izlazni napon jednak VO = 0,4 * 24 = 9,2 V, za osiguravanje barem granične struje potrebno je pretvarač opteretiti ukupnim otporom vrijednosti

RLgr = VO/IOgr = 9,2 / 1,44 = 6,666 Ω

što se može izračunati i pomoću izraza

Vrijednost paralelnog otpornika “praznog hoda” prema tome iznosi

Rp = 10 Ω

ADD

L

TVI i

Ogr 44,11010102002

4,014,0241

2 36

Lp

LpLgr RR

RR

DT

LR

6,0

4

4,01

1010102002

1

2 36

Odabrani primjeri: UZLAZNI PRETVARAČ

Uzlazni pretvarač (tranzistor i dioda su idealni) ima sljedeće parametre: Vi = 50 V, L = 250 μH, tON = DT = 50 μs , RL = 2,5 Ω . Potrebno je odrediti:

• radnu frekvenciju pretvarača tako da pretvarač radi u neisprekidanom načinu rada pri izlaznom naponu VO = 75 V,

• srednje vrijednosti ulazne i izlazne struje,

• kapacitet izlaznog kondenzatora potreban da valovitost izlaznog napona ne bude veća od 1%

Odabrani primjeri: UZLAZNI PRETVARAČ

a) Na temelju transformatorske jednadžbe za uzlazni pretvarač slijedi za potreban faktor opterećenja D = 1 – Vi/VO = 1 – 50/75 = 1/3 = 0,333

Budući da je tON = DT = 50 μs ; T = tON /D = 150 μs ;

Slijedi radna frekvencija f = 1/T = 6,66 kHz.

b) Srednja vrijednost izlazne struje jednaka je IO = VO / RL = 75/2,5 = 30 A,

pa je prema strujnoj transformatorskoj jednadžbi srednja vrijednost ulazne struje jednaka Ii = IO /(1-D) = 30/(1-1/3) = 90/2 = 45 A

Promjena struje kroz prigušnicu (valovitost) iznosiADT

L

Vi iL 101050

10250

50 66

Odabrani primjeri: UZLAZNI PRETVARAČ

Minimalna i maksimalna struja prigušnice određene su izrazima

Što je prikazano na slici

AiII

AiII

LiAVLm

LiAVLM

402/10452/

502/10452/

Odabrani primjeri: UZLAZNI PRETVARAČ

Budući da su komponente pretvarača idealne, može se zanemariti ESR (ekvivalentni serijski otpor) izlaznog kondenzatora. Promjena napona na kondenzatoru određena je valnim oblikom struje kondenzatora i iznosi

Možemo odrediti potrebnu vrijednost kapaciteta kondenzatora pomoću

D

D

CR

TVV

L

iC

1

FVVR

TDC

OOL

20001,025

1050

/

6

JOŠ DVA ZADATKA U VEZI

UZLAZNOG I SILAZNOG ISTOSMJERNOG PRETVARAČA

BEZ GALVANSKOG ODVAJANJA

Za silazni pretvarač na slici odredite faktor vođenja D!

Razmišljamo:

– L je tako velik da je struja trošila id konstantna

– C je tako velik da je njegov napon konstantan

– ako se zna napon na C, onda je D = 5/UC

– dakle, treba odrediti UC

– kako je UC = 25 – Is· 0,2, problem se svodi na određivanje Is

– Is se određuje metodom energetskih odnosa

A96,10

A04,114

0250252,0

1,0

52,025

2

1

2

22

s

s

ss

ss

I

I

II

II

Prvo rješenje nije fizikalno moguće.

22,081,22

5

V81,22

2,096,1025

D

U

U

C

C

Za uzlazni pretvarač:

– dokažite da je faktor vođenja sklopke jednak (Ud – UB)/Ud

– dokažite zaključivanjem polazeći od osnovnih zakona elektrotehnike da je srednja vrijednost napona na sklopki UB.

d

BV

d

BVB

pd

V

U

UTt

U

UTtTU

t

TU

T

tD

1d

Bd

d

B

U

UUD

U

UD

1