Post on 28-Feb-2019
1
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Wydzia Elektryczny
ROZPRAWA DOKTORSKA
mgr in. Mariusz Zdanowski
Wielogaziowy wysokoczstotliwociowy przeksztatnik DC/DC z cznikami z SiC i elementami magnetycznymi o zredukowanej
pojemnoci pasoytniczej
Promotor
prof. dr hab. in. Roman Barlik
Promotor pomocniczy
dr hab. in. Jacek Rbkowski , prof. PW
Warszawa, 2015
2
3
Podzikowania
Tematyka prezentowana w niniejszej rozprawie doktorskiej stanowi podsumowanie
wynikw prac naukowo - badawczych prowadzonych przeze mnie w Instytucie Sterowania i
Elektroniki Przemysowej Politechniki Warszawskiej w latach 2010 - 2015 w ramach
realizacji nastpujcych projektw i programw stypendialnych:
projekt "Kompleksowy system energoelektroniczny z elementami z wglika krzemu
(SiC) w zastosowaniu do odnawialnych rde energii i poprawy jej jakoci"
realizowany w latach 2013 - 2015 objty programem VENTURES Fundacji na rzecz
Nauki Polskiej, wspfinansowany przez Uni Europejsk z Europejskiego Funduszu
Rozwoju Regionalnego, nr projektu: Ventures/2012-10/7, kierownik projektu:
mgr in. Mariusz Zdanowski
4 miesiczny zagraniczny sta naukowy (2011 r.) w Electrical Energy Conversion
Laboratory (E2C) na uczelni KTH (szw. Kungliga Tekniska Hgskolan, ang. Royal
Institute of Technology) w Sztokholmie, wspfinansowany przez Uni Europejsk w
ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego, projekt Program Rozwojowy
Politechniki Warszawskiej realizowany przez Centrum Studiw Zaawansowanych
Politechniki Warszawskiej.
Jednak niniejsza rozprawa by nie powstaa gdyby nie wsparcie jakie otrzymaem podczas
tego okresu od wielu innych osb.
Przede wszystkim, specjalne wyrazy wdzicznoci kieruj w stron prof. Romana
Barlika oraz dr. hab. in. Jacka Rbkowskiego, penicych funkcje promotora oraz promotora
pomocniczego. Ogromny potencja wiedzy oraz dowiadczenia z zakresu energoelektroniki,
jakie byo mi dane uzyska od tych osb podczas wieloletniej wsppracy przyczyni si w
znacznym stopniu do ukierunkowania moich zainteresowa naukowych, a tym samym
doprowadzi do powstania tematyki niniejszej rozprawy. Ponadto pomoc i opieka nad jej
realizacj, jak otrzymaem stanowia bardzo due wsparcie i wskazywaa waciw drog do
rozwizania wielu problemw naukowych oraz merytorycznych. Okazana cierpliwo oraz
wiele yczliwoci od tych osb sprawia, e okres studiw doktoranckich bd wspomina nie
tylko jako czas zdobywania dowiadcze zawodowych, ale rwnie yciowych oraz jako czas
spdzony w miej i przyjaznej atmosferze.
4
Pragn rwnie skierowa podzikowania w stron prof. Hansa-Petera Nee z KTH
Royal Institute of Technology w Sztokholmie za umoliwienie prowadzenia prac badawczych
w Electrical Energy Conversion Laboratory podczas stypendium wyjazdowego w 2011 r.
Przy tej okazji wdziczno wyraam rwnie dr-owi Dimosthenisowi Peftitsisowi oraz
dr-owi Georgowi Tolstoyowi za pomoc w odnalezieniu si w strukturach szwedzkiej uczelni
oraz mi atmosfer podczas pobytu w Sztokholmie.
Dzikuj take dr. hab. in. Robertowi Smoleskiemu oraz dr. in. Piotrowi
Leyskiemu z Instytutu Inynierii Elektrycznej Uniwersytetu Zielonogrskiego za
moliwo przeprowadzenia bada laboratoryjnych oraz wsparcie w zakresie tematyki
zaburze elektromagnetycznych (EMI), ktrych rezultaty ilustruj niniejsz rozpraw oraz
stanowi uzupenienie gwnego nurtu pracy. Cz bada z tego zakresu bya rwnie
wykonana w KTH Royal Institute of Technology przy pomocy jak uzyskaem od
dr. Konstantina Kostova, ktremu rwnie skadam wyrazy wdzicznoci.
Ponadto chciabym podzikowa pozostaym Kolegom z zespou badawczego Power
Converters Group (PCG) oraz Pracownikom i Doktorantom Zakadu Elektroniki
Przemysowej za przyjazn atmosfer i cenn wymian dowiadcze zawodowych.
Szczeglne podzikowania skadam moim Rodzicom, Bratu i Dziewczynie za
cierpliwo, wyrozumiao i wsparcie w chwilach zwtpienia, co w znaczny sposb uatwio
pokonywanie wszelkich problemw oraz pomogo zmotywowa do napisania niniejszej
rozprawy.
Niniejsz prac dedykuj Rodzicom
w podzikowaniu za pomoc, trosk i wychowanie
5
Streszczenie
W niniejszej rozprawie przedstawiono ukad wielogaziowego, podwyszajcego
przeksztatnika DC/DC z cznikami z wglika krzemu (SiC, ang. Silicon Carbide) i
elementami magnetycznymi o zredukowanej pojemnoci pasoytniczej uzwoje,
przeznaczonego do wsppracy z odnawialnymi rdami energii, w tym bateri moduw
fotowoltaicznych.
W pracy mona wyrni dwie zasadnicze czci, z ktrych p ierwsza zostaa
powicona analizie zjawisk wystpujcych w elementach magnetycznych ukadu, przy czym
szczeglny nacisk pooono na parametry uytkowe oraz elektryczne, majce wpyw na prac
systemu i jako procesu pozyskiwania energii ze rde odnawialnych. Wzito przy tym pod
uwag takie wskaniki jak poziom ttnie prdu wejciowego i straty mocy w elementach
magnetycznych pracujcych niezalenie oraz sprzonych za porednictwem rdzenia
magnetycznego. Jeden z podrozdziaw zosta powicony zagadnieniu pojemnoci
pasoytniczej uzwoje, gdzie zaproponowano now metod realizacji uzwoje elementw
magnetycznych, zapewniajc redukcj pojemnoci midzyzwojowej, ktra stanowi
dominujcy skadnik pojemnoci wypadkowej uzwoje. Dokonano rwnie opisu
analitycznego, ktry pozwoli na oszacowanie wartoci tej pojemnoci w odniesieniu do
zaproponowanej metody.
W drugiej, zasadniczej czci pracy, przedstawiono analiz strat mocy w elementach
pprzewodnikowych prezentowanego ukadu w odniesieniu do rnych struktur i typw
przyrzdw z wglika krzemu (SiC), z uwzgldnieniem podziau na straty czeniowe,
przewodzenia oraz sterowania, w tym take w specyficznych warunkach wsppracy tych
elementw z elementami magnetycznymi. W sposb szczegowy ukazano wpyw
pojemnoci pasoytniczej uzwoje na procesy czeniowe w elementach
pprzewodnikowych, charakteryzujce si du stromoci napi (du/dt) i prdw (di/dt).
Wykazano, e zaproponowana przez autora, oryginalna metoda realizacji uzwoje elementw
magnetycznych wpywa na zmniejszenie strat mocy w ukadzie.
Istotnym uzupenieniem pracy jest rwnie rozdzia powicony tematyce zaburze
elektromagnetycznych (EMI) i wpywu pojemnoci pasoytniczej uzwoje elementw
magnetycznych oraz przyjtej metody sterowania ukadu na poziom tych zaburze.
Rozprawa zawiera liczne wyniki bada symulacyjnych i eksperymentalnych,
potwierdzajcych poprawno rozwaa analitycznych, a take przydatno zaproponowanej
metody realizacji uzwoje elementw magnetycznych.
6
Abstract
In this dissertation an interleaved DC/DC boost converter with Silicon Carbide (SiC)
semiconductors and magnetic components with reduced parasitic capacitance, suitable to
work with renewable energy sources, including PV battery modules is presented.
This work consist of two main parts, the first one is dedicated to the analysis of
phenomenons in magnetic components, with a particular emphasis on operational and electric
parameters, which have impact on operation of the system and the quality of the energy
conversion process. During analysis, indicators such as the level of the input current ripple,
power losses in magnetic components working independently and coupled through a magnetic
core are taken into account. In the one of the chapters, an issue of inductors parasitic
capacitance and new winding method were presented. This method allows to reduce
inter-winding capacitance - the main dominant component of coil. An analytical description
that lead to the estimation of the value of the capacitance with respect to the proposed method
is also presented.
In the second, a substantial part of this work an analysis of power losses in the
semiconductor devices of the presented converter in relation to different types of structures
and types of Silicon Carbide devices is presented. The analysis includes switching,
conduction and control losses in the specific conditions of the co-operation between the
semiconductors and the magnetic elements. The impact of the parasitic capacitance of the
winding on switching processes in semiconductors, characterized by fast changing of voltage
(du/dt) and current (di/dt) is show in detail. It has been shown that the original method,
proposed by author of the winding implementation reduces power losses in converter.
An important complement to this work is also a chapter about electromagnetic
disturbances (EMI) and the impact of parasitic capacitance of magnetic components and
system control method adopted on the level of these distortions.
The dissertation contains also a number of simulation and experimental results,
confirming the correctness of the analytical considerations, as well as the usefulness of the
proposed method of magnetic components winding design.
7
Spis treci
1. Wstp .................................................................................................................................. 9
2. Cel i zakres pracy .............................................................................................................. 10
3. Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych napicie -
przegld rozwiza ........................................................................................................... 15
3.1. Ukady z separacj galwaniczn ................................................................................ 15
3.2. Bezporednie przeksztatniki napicia staego .......................................................... 18
4. Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika ..................... 25
4.1. Topologie dawikw wejciowych ............................................................................ 26
4.1.1. Dawiki niezalene ......................................................................................... 27
4.1.2. Dawiki z ujemnym sprzeniem magnetycznym .......................................... 30
4.1.3. Dawiki z dodatnim sprzeniem magnetycznym .......................................... 33
4.2. Pojemno pasoytnicza uzwoje elementw magnetycznych................................. 37
4.2.1. Pojemno uzwoje w ujciu analitycznym ................................................... 38
4.2.2. Metody pomiaru pojemnoci pasoytniczej ................................................... 47
4.2.3. Sposoby redukcji wypadkowej pojemnoci uzwoje ..................................... 54
4.2.3.1. Nowa metoda ograniczenia pojemnoci pasoytniczej dawika ................. 54
4.3. Straty mocy w elementach magnetycznych przeksztatnika DC/DC ........................ 61
4.3.1. Straty w uzwojeniach dawikw..................................................................... 61
4.3.2. Straty w rdzeniach magnetycznych ................................................................ 64
5. Analiza strat mocy w elementach pprzewodnikowych z SiC ........................................ 68
5.1. Elementy pprzewodnikowe z wglika krzemu ....................................................... 68
5.2. Straty mocy zwizane z przeczaniem ..................................................................... 70
5.2.1. Wpyw pojemnoci pasoytniczej uzwoje dawika na procesy czeniowe
tranzystora z SiC............................................................................................. 70
5.2.1.1. Proces zaczenia tranzystora ...................................................................... 71
5.2.1.2. Proces wyczenia tranzystora .................................................................... 74
5.2.1.3. Badania eksperymentalne procesw czeniowych .................................... 77
8
5.2.1.4. Podsumowanie ............................................................................................ 85
5.2.2. czeniowe straty mocy w elementach pprzewodnikowych w ukadzie
czterogaziowym ........................................................................................... 85
5.2.2.1. Wpyw wysterowania ukadu...................................................................... 85
5.2.2.2. Twarde i mikkie przeczanie ................................................................... 90
5.3. Straty mocy przewodzenia ........................................................................................ 93
5.4. Straty mocy w ukadzie sterowania ........................................................................... 97
5.5. Podsumowanie........................................................................................................... 98
6. Wpyw sterowania ukadu i pojemnoci pasoytniczej uzwoje na poziom zaburze
elektromagnetycznych (EMI) ......................................................................................... 100
6.1. Wpyw pojemnoci pasoytniczej uzwoje............................................................. 100
6.2. Wpyw metody sterowania elementw pprzewodnikowych na poziom zaburze
elektromagnetycznych ............................................................................................. 106
7. Badania eksperymentalne przeksztatnika czterogaziowego ....................................... 109
7.1. Rejestracje oscyloskopowe...................................................................................... 110
7.2. Pomiar strat mocy i sprawnoci energetycznej ....................................................... 113
7.3. Rejestracje termowizyjne ........................................................................................ 117
7.4. Dyskusja bdw pomiarowych .............................................................................. 121
8. Podsumowanie ................................................................................................................ 123
Dodatek A. Projekt i budowa modelu laboratoryjnego czterogaziowego przeksztatnika
DC/DC z elementami SiC ............................................................................ 128
Dodatek B. Konstrukcja i parametry dawika o zredukowanej pojemnoci uzwoje ..... 148
Dodatek C. Metody pomiaru pojemnoci pasoytniczej uzwoje................................... 152
Dodatek D. Modele symulacyjne..................................................................................... 169
Dodatek E. Zestawienie aparatury laboratoryjnej ........................................................... 177
9. Bibliografia ..................................................................................................................... 183
1 Wstp
9
1. Wstp
Prac powicono problemowi naukowemu, polegajcemu na ocenie wpywu
pasoytniczych pojemnoci uzwoje elementw magnetycznych na procesy czeniowe w
ukadach energoelektronicznych z szybkimi cznikami pprzewodnikowymi z wglika
krzemu (SiC) i propozycji rozwizania tego problemu poprzez zastosowanie oryginalnej
metody realizacji uzwoje dawikw.
Zalety elementw pprzewodnikowych z SiC, m.in. niewielkie wartoci
czeniowych strat energii pozwalaj podwyszy czstotliwo przecze, co prowadzi do
redukcji wymiarw, masy, a take kosztw elementw biernych (dawikw, kondensatorw),
wchodzcych zwykle w skad ukadw przeksztacania energii elektrycznej. Ponadto
niewielkie wartoci rezystancji kanau przewodzenia tranzystorw polowych (rzdu
kilkudziesiciu m) oraz niewielkie wartoci spadku napicia na przewodzcych
tranzystorach bipolarnych, obok relatywnie maych strat czeniowych przyczyniaj si
rwnie do znacznej redukcji sumarycznych strat mocy i zwikszania sprawnoci
energetycznej ukadw przeksztacajcych energi elektryczn [1], [2], [3], [4]. Prowadzi to
do polepszania wspczynnika gstoci mocy oraz poprawy jakoci przekszta canej energii
poprzez uzyskanie lepszych pod wzgldem jakoci przebiegw wartoci chwilowych napi i
prdw.
Z drugiej strony, szybkie procesy czeniowe i zwizane z tym due stromoci napi i
prdw (du/dt, di/dt) w elementach pprzewodnikowych mocy, oprcz wydatnych korzyci
energetycznych mog by przyczyn zjawisk, na ktre maj wpyw pasoytnicze parametry
podzespow wchodzcych w skad obwodw gwnych ukadw przeksztacania energii
elektrycznej [5], [6], [7]. Dotyczy to rwnie pojemnoci uzwoje elementw
magnetycznych [8]. Wzajemne oddziaywanie poprzez pojemnoci pasoytnicze cznikw i
innych elementw obwodw gwnych przeksztatnika ma wpyw na szybkozmienne
przebiegi wartoci chwilowych napi i prdw cznikw pprzewodnikowych, a std na
wartoci energii wydzielanej w tych elementach w trakcie przecze. Dlatego te istotnym
zagadnieniem w obszarze stosowania elementw z SiC jest dokadna analiza parametrw
pasoytniczych oraz zjawisk wystpujcych w elementach magnetycznych takich jak dawiki
i transformatory, przeznaczonych do pracy przy podwyszonej czstotliwoci przecze.
Cel i zakres pracy 2
10
2. Cel i zakres pracy
Gwnym celem rozprawy jest wszechstronna ocena waciwoci wielogaziowego,
podwyszajcego przeksztatnika typu DC/DC (rys. 2.1), wynikajcych z zastosowania
elementw pprzewodnikowych z wglika krzemu oraz dokonanie analizy zjawisk
wynikajcych z wzajemnego oddziaywania szybkich elementw pprzewodnikowych i
elementw magnetycznych, wpywajcych na efektywno energetyczn ukadw
energoelektronicznych na przykadzie przeksztatnika DC/DC charakteryzujcego si wysok
czstotliwoci przecze oraz du stromoci napi i prdw.
Przyjta w rozprawie metodyka bada obejmuje rozwaania teoretyczne, badania
symulacyjne oraz badania eksperymentalne.
Rys. 2.1. Uproszczony schemat m-fazowego przeksztatnika podwyszajcego napicie
Osignicie tak sformuowanego celu pracy wymagao zrea lizowania szeregu prac
naukowo-badawczych, a take rozwizania zada o charakterze naukowym, z ktrych
najwaniejsze to:
I. ocena waciwoci szybkich cznikw pprzewodnikowych z SiC w zastosowaniu
do ukadw energoelektronicznych z elementami magnetycznymi na przykadzie
wielogaziowego przeksztatnika DC/DC z ukierunkowaniem na okrelenie strat
mocy;
II. analityczny opis zjawisk rezonansowych wystpujcych w wyniku wzajemnego
oddziaywania cznikw pprzewodnikowych i elementw magnetycznych w
stanach zaczenia i wyczenia (podczas procesw czeniowych) elementw z SiC,
uwzgldniajcy analiz strat mocy;
T1 T2 Tm
D1 D2Dm
C2
C1U1
U2
m L x
i1
i2
2 Cel i zakres pracy
11
III. zaproponowanie sposobu rozwizania problemw zwizanych z negatywnymi
skutkami oddziaywania parametrw pasoytniczych w przeksztatniku, ktrego
elementy pprzewodnikowe cechuje wysoka czstotliwo przecze oraz due
stromoci napi i prdw;
IV. przeprowadzenie analizy zjawisk zachodzcych w elementach magnetycznych
dawikw wejciowych ukadu DC/DC, na przykadzie dawikw pracujcych
niezalenie oraz sprzonych magnetycznie;
V. opracowanie metody realizacji uzwoje elementw magnetycznych,
charakteryzujcych si zredukowan pojemnoci pasoytnicz;
VI. przedstawienie metody analitycznej sucej oszacowaniu wartoci pojemnoci
pasoytniczej uzwoje elementw magnetycznych, wykonanych z zastosowaniem
zaproponowanej przez autora oryginalnej metody;
VII. przeprowadzenie analizy i porwnanie strat mocy w elementach pprzewodnikowych
mocy z wglika krzemu (SiC) pracujcych z podwyszon czstotliwoci przecze
w ukadzie wielogaziowego przeksztatnika typu DC/DC o charakterystyce
podwyszajcej napicie;
VIII. dokonanie analitycznego opisu zachodzcych procesw oraz wpywu pojemnoci
pasoytniczej uzwoje elementu magnetycznego (dawika) na jako przeksztacanej
energii oraz na warto strat mocy w elementach pprzewodnikowych na przykadzie
ukadu podwyszajcego napicie;
IX. ocena wpywu metody sterowania wielogaziowego przeksztatnika DC/DC na
poziom zaburze elektromagnetycznych (EMI);
X. opracowanie stanowiska laboratoryjnego i przeprowadzenie eksperymentalnej
weryfikacji wynikw uzyskanych analitycznie i symulacyjnie.
Powysze zadania naukowo - badawcze przeprowadzono przyjmujc do analizy
typowy, stosowany w systemach energetyki odnawialnej, ukad przeksztatnika DC/DC, w
ktrym wystpuj czniki i elementy magnetyczne. W zwizku z obserwowanym w ostatnich
latach intensywnym rozwojem energetyki odnawialnej oraz cigym wzrostem mocy
zainstalowanych systemw obserwuje si potrzeb doskonalenia ukadw
przeksztatnikowych, charakteryzujcych si lepszymi waciwociami uytkowymi. Od
wspczesnych urzdze energoelektronicznych oczekuje si m.in. wysokiej jakoci
przeksztacanej energii elektrycznej, wyszej sprawnoci energetycznej oraz miniaturyzacji.
Energia elektryczna rde odnawialnych jak i magazynw energii charakteryzuje si
Cel i zakres pracy 2
12
napiciem jednokierunkowym, zmieniajcym si w szerokich granicach, zalenie od
prdkoci wiatru, nasonecznienia czy te stanu naadowania magazynu. Dlatego w tych
systemach musz wystpowa ukady energoelektroniczne, ktrych zadaniem jest
odpowiednie przeksztacanie energii elektrycznej oraz dopasowanie parametrw napiciowo -
prdowych do rodzaju odbiornika. Std te jeden z najbardziej intensywnie rozwijajcych si
obszarw energoelektroniki dotyczy przeksztatnikw sucych do pozyskiwania i
uzdatniania energii rde odnawialnych, w tym ukadw wsppracujcych z bateriami
paneli fotowoltaicznych (rys. 2.2).
Rys. 2.2. Typowe systemy przetwarzania i przeksztacania energii elektrycznej pochodzcej ze rde odnawialnych w postaci: a) baterii ogniw fotowoltaicznych; b) elektrowni wiatrowej lub wodnej
Zwykle w skad topologii tych ukadw wchodzi przeksztatnik DC/DC
podwyszajcy napicie, poczony kaskadowo z jedno- lub trjfazowym falownikiem
napicia, poczonym poprzez dawiki z odbiornikami lub/i sieci elektroenergetyczn o
napiciu 230V/50Hz lub 3x400V/50Hz. W celu uzyskania napi przemiennych o takich
wartociach, napicie na wejciu falownika powinno by stabilizowane na poziomie okoo
400 V dla falownika jednofazowego lub okoo 650 V dla falownika trjfazowego [9].
W przypadku coraz popularniejszych instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi przeksztatnik
DC/DC powinien podwysza napicie do jednego z wymienionych poziomw, zapewniajc
jednoczenie maksymalne wykorzystanie aktualnej wydajnoci energetycznej fotoogniw
poprzez ledzenie punktu maksymalnej mocy (ang. Maximum Power Point Tracking, MPPT),
wynikajcego z ich charakterystyk napiciowo - prdowych. Skuteczno wykorzystania
wydajnoci energetycznej ogniw zaley nie tylko od zastosowanego (jednego z wielu)
algorytmu ledzenia MPPT, ale take od przebiegw wartoci chwilowych napicia i prdu
a)
b)
2 Cel i zakres pracy
13
baterii fotowoltaicznej. Szczeglnie niekorzystne pod tym wzgldem s ttnienia prdu, ktre
mog by ograniczone dziki zastosowaniu przeksztatnikw DC/DC o topologiach
wielogaziowych, znanych rwnie w literaturze pod nazw ukadw
wielofazowych [10], [11], [12].
Przy odpowiednim sterowaniu, czstotliwo ttnie prdu wejciowego takich
przeksztatnikw i jednoczenie prdu pobieranego z ogniw fotowoltaicznych jest iloczynem
czstotliwoci przecze tranzystorw i liczby gazi wystpujcych w przeksztatniku
DC/DC. W celu redukcji gabarytw i masy przeksztatnikw korzystne jest stosowanie
parzystej liczby gazi, przy czym w poszczeglnych parach gazi wczane s dawiki
sprzone magnetycznie [13].
Przedmiotem rozprawy jest opis analityczny zjawisk wynikajcych z istnienia
pojemnoci pasoytniczych uzwoje elementw magnetycznych na przykadzie ukadu
czterogaziowego przeksztatnika podwyszajcego napicie o mocy Pn = 6 kW, w ktrym
elementy pprzewodnikowe kadej gazi pracuj z czstotliwoci fs = 125 kHz. Dobr
czstotliwoci o takiej wartoci, moliwy jest dziki bardzo dobrym waciwociom
dynamicznym (krtkie czasy procesw czeniowych) elementw z SiC, w ktrych energie
strat czeniowych s nieporwnywalnie mniejsze ni w dotychczas stosowanych elementach
krzemowych. Dziki temu, przy napiciach na poziomie 600 - 700 V, parametry elektryczne
(pojemnoci, indukcyjnoci) i wymiary geometryczne dawikw i kondensatorw ulegaj
istotnej redukcji, prowadzc do podwyszenia wskanikw uytkowych, takich jak mae
gabaryty i dua gsto mocy wyraona w kW/dm3.
Tre rozprawy zostaa podzielona na osiem rozdziaw, przy czym w rozdziale
pierwszym i drugim przedstawiono problemy bdce przedmiotem rozprawy oraz zakres
pracy przeksztatnika stanowicego cz systemu przeksztacania energii pochodzcej ze
rde odnawialnych, penicego funkcj sprzgu z ukadem przeksztatnika DC/AC.
Rozdzia trzeci zosta w caoci powicony przegldowi topologii ukadw sucych
do przeksztacania energii elektrycznej prdu staego w energi elektryczn prdu staego o
charakterystyce podwyszajcej napicie.
W rozdziale czwartym skupiono uwag na zjawiskach wystpujcych w dawikach
wejciowych wielofazowego ukadu DC/DC, przy czym gwny nacisk pooono na
parametry uytkowe oraz elektryczne majce wpyw na prac systemu i jako pozyskiwania
energii ze rde odnawialnych. Znaczna cz rozdziau zostaa powicona tematyce
Cel i zakres pracy 2
14
pojemnoci pasoytniczej dawikw oraz propozycji nowego sposobu realizacji uzwoje
elementw magnetycznych.
Rozdzia pity zosta powicony analizie korzyci wynikajcych z zastosowania
elementw pprzewodnikowych z wglika krzemu w topologii ukadu wielogaziowego,
przy czym wan czci tego rozdziau jest analiza zjawisk zwizanych z oddziaywaniem
pojemnoci pasoytniczej uzwoje dawikw.
Rozdzia szsty stanowi uzupenienie poruszanej tematyki i przedstawia analiz
wpywu pojemnoci uzwoje oraz metody sterowania ukadu na poziom zaburze
elektromagnetycznych (EMI).
W rozdziale sidmym zaprezentowano rezultaty przeprowadzonych bada
laboratoryjnych, uwzgldniajcych m.in. ocen poprawnej pracy przeksztatnika przy
podwyszonej czstotliwoci przecze oraz uzyskane wskaniki parametrw uytkowych,
dotyczcych gwnie strat mocy i sprawnoci energetycznej ukadu.
Gwn cz rozprawy zamyka rozdzia smy, w ktrym zostay przedstawione
wnioski oraz najwaniejsze osignicia wasne autora.
Rozpraw kocz zaczniki, w ktrych przedstawiono szczegowe dane (w tym
poszczeglne etapy projektu) dotyczce modelu eksperymentalnego wielogaziowego ukadu
przeksztatnika DC/DC o cechach prototypu oraz szczegy techniczne stanowiska
laboratoryjnego. W dodatkach zamieszczono rwnie dane konstrukcyjne prototypw
dawikw, ktrych uzwojenia charakteryzuj si zredukowan wartoci pojemnoci
pasoytniczej oraz modele symulacyjne ukadw, suce przeprowadzeniu analiz bdcych
treci niniejszej pracy.
Rozpraw koczy wykaz symboli oraz skrtw, a take spis pozycji literaturowych.
3 Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ...
15
3. Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych
napicie - przegld rozwiza
Ukady przeksztacania energii elektrycznej przeznaczone do pracy w systemach, w
ktrych wystpuj odnawialne rda energii (rys. 2.2) powinny charakteryzowa si przede
wszystkim wysokim wspczynnikiem zwikszenia napicia oraz wysok sprawnoci
energetyczn, w celu podniesienia efektywnoci caego systemu pozyskiwania energii z tych
rde. Rozrnia si szereg rozwiza tego typu ukadw, ktrych najbardziej oglny
podzia w zalenoci od struktury systemu oraz funkcji jak ma spenia pozwala na
wyrnienie dwch podstawowych grup - z separacj galwaniczn oraz bezporednich
przeksztatnikw napicia staego. Na uwag zasuguj prace [14], [15], [16], w ktrych
dokonano klasyfikacji najnowszych rozwiza wysokosprawnych przeksztatnikw
podwyszajcych napicie z uwzgldnieniem podziau na powysze kategorie. W niniejszym
rozdziale przedstawiono najczciej spotykane w literaturze i stosowane topologie
przeksztatnikw energoelektronicznych reprezentujce wspomniane grupy ukadw, przy
czym ograniczono si gwnie do prezentacji oglnych zaoe i najwaniejszych parametrw
ukadw, odwoujc si przy tym do bardziej szczegowych waciwoci podanych w
literaturze przedmiotu.
3.1. Ukady z separacj galwaniczn
Wrd szerokiej gamy rozwiza topologii przeksztatnikw o mocy kilku kilowatw,
zapewniajcych oprcz podwyszenia napicia, separacj galwaniczn pomidzy jego
wejciem a wyjciem naley wymieni zamieszczony na rysunku 3.1 ukad przeksztatnika
mostkowego z wyjciowym obwodem podwajacza napicia [17],[18].
Rys. 3.1. Ukad izolowanego, mostkowego przeksztatnika podwyszajcego z podwajaczem napicia
U1RO
T4
U2
i2
s4 T2s2
T1s1 T3
s3
C1
C3
C2
D2
D1
C4
L
Tr
i1
1:n1
Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ... 3
16
Wystpujce na schemacie elementy pprzewodnikowe mostka typu "H" T1 T4 przeczane
s parami T1,T2 i T3,T4 z uwzgldnieniem przesunicia fazowego midzy ich sygnaami
sterujcymi (s1, s2 i s3, s4) o poow okresu (180). Przy wspczynniku wypenienia
impulsw sterujcych tranzystorw (D) wikszym ni 50% dochodzi do naoenia impulsw
prdw poszczeglnych gazi zapewniajc cigy prd dawika L. Dziki zastosowaniu
obwodu podwajacza napicia, przekadnia transformatora Tr moe by dwukrotnie mniejsza,
co pozwala na osignicie wzgldnie duych wartoci sprawnoci energetycznej rzdu 98%,
pomimo uycia transformatora, ktrego sprawno przy duych przekadniach zwykle
wykazuje mniejsze wartoci [17]. W bilansie strat mocy dla tego ukadu sumaryczne straty w
transformatorze stanowi okoo 1/4 strat cakowitych, natomiast niespena 60% strat mocy
zwizane jest z przewodzeniem tranzystorw w falowniku oraz diod prostownika [14].
Wspczynnik wzmocnienia napiciowego dla tego typu ukadw moe by wyraony
zalenoci (3.1).
D
n
U
UKu
1
1
1
2 (3.1)
Dla systemw przetwarzania energii elektrycznej, ktrych moc znamionowa jest na
poziomie od kilku do kilkunastu kilowatw proponowane s topologie zawierajce
rwnolegle poczone falowniki mostkowe [19] - tak jak to przedstawiono na rysunku 3.2.
Rys. 3.2. Ukad izolowanego przeksztatnika podwyszajcego napicie z dwoma rwnolegle poczonymi falownikami mostkowymi
T4s4 T2
s2
T1s1 T3
s3Tr1
T8s8 T6
s6
T5s5 T7
s7Tr2
ROU2
i2
D4
D1
C2
D2
D3
U1
i1L
1:n1
1:n1
Tr3
M-1
M-2
3 Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ...
17
Elementy pprzewodnikowe T1 T4 oraz T5 T8 s zaczane jednoczenie (synchronicznie),
zasilajc odpowiednio transformator Tr1 oraz Tr2. Dawik L przy wsppracy z
transformatorem Tr3 o uzwojeniach skonfigurowanych przeciwsobnie zapewnia lepsz
filtracj prdu pobieranego ze rda i1 oraz rwnomierno podziau jego wartoci pomidzy
dwa mostki falownika (M-1, M-2). Warto sprawnoci energetycznej dla tego ukadu zostaa
okrelona na poziomie 97-98%. Najwicej strat mocy, bo a okoo 70% wystpuje w
elementach pprzewodnikowych falownikw oraz mostka D1 D4. Okoo 18% cakowitych
strat mocy wydziela si w elementach magnetycznych [19]. Podobnie jak w przypadku
ukadu jednomostkowego z obwodem wyjciowym podwajacza napicia, wspczynnik
wzmocnienia napiciowego dla prezentowanej topologii moe by wyraony zalenoci
(3.1).
Rozszerzeniem przedstawionych ukadw jest rwnolegy izolowany przeksztatnik
podwyszajcy napicie z obwodem wyjciowym w postaci podwajacza napicia [15],
ktrego schemat zaprezentowano na rysunku 3.3.
Rys. 3.3. Ukad rwnolegego izolowanego przeksztatnika podwyszajcego z podwajaczem napicia
W ukadzie tym nastpuje rozdzia prdu rda na dwie gazie z dawikiem L1 i L2
oraz z transformatorami Tr1, Tr2, co pozwala na ograniczenie prdu cznikw T1,T2 i T3, T4.
Dodatkowo, zadaniem transformatorw Tr1 i Tr2 jest rwnomierny podzia prdw dawikw
wejciowych i zapewnienie jednakowych prdw cznikw. S one wysterowane w podobny
sposb jak w ukadzie mostkowym - parami T1, T4 oraz T2, T3 z uwzgldnieniem przesunicia
fazowego o 180. Umoliwia to uzyskanie wspczynnika wzmocnienia napiciowego na
poziomie 4 - krotnie wikszym ni w przypadku poprzednich topologii (3.2) [15].
T1s1 T2
s2
T3s3 T4
s4
Tr4
ROU2
i2
D2
D1
C3
U1
iL1L1 Tr1
iL2L2 Tr2
Tr3
C2
C11:n1
1:n1
Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ... 3
18
D
n
U
UKu
1
4 1
1
2 (3.2)
Takie rozwizanie pozwala na dodatkowe obnienie strat przewodzenia tranzystorw,
poprzez zmniejszenie wymaganego wspczynnika wypenienia impulsw sterujcych D,
przy porwnywalnym wzmocnieniu ukadu. Okoo 40% strat mocy wydziela si w
tranzystorach T1-T4, okoo 10% w diodach D1 i D2, natomiast w elementach indukcyjnych
sigaj one 38% [15].
3.2. Bezporednie przeksztatniki napicia staego
Obok ukadw o topologii, w ktrej wystpuje ukad poredniczcy umoliwiajcy
separacj galwaniczn , rwnie du popularnoci ciesz si ukady o bezporednim
przeksztacaniu energii elektrycznej. Jednym z podstawowych, a zarazem najprostszych
reprezentantw tej grupy jest dobrze znana z literatury [20] topologia ukadu typu
podwyszajcego napicie (ang. boost converter, step-up converter) (rys. 3.4).
Rys. 3.4. Podstawowa topologia bezporedniego przeksztatnika podwyszajcego napicie (typu "boost")
Prosta struktura, w ktrej skad wchodzi tylko jeden element sterowany (T) posiada
jedynie dwa stany pracy zwizane z jego zaczeniem oraz wyczeniem. W czasie trwania
zaczenia tranzystora do zaciskw dawika zostaje doprowadzone napicie U1, co powoduje
liniowe narastanie prdu oraz gromadzenie energii w dawiku L. Wyczenie tranzystora
powoduje, e energia zgromadzona w dawiku zostaje przekazywana do kondensatora C i
odbiornika za porednictwem prdu pyncego poprzez diod D.
Dziki niewielkiej liczbie elementw sprawno energetyczna prezentowanego ukadu
jest dua (97-98%), jednak wraz ze wzrostem mocy ronie prd elementw
pprzewodnikowych, w ktrych straty przewodzenia uzalenione s m.in. od kwadratu jego
wartoci skutecznej.
Innym, wanym zagadnieniem przy zastosowaniu ukadu jako sprzgu z
odnawialnymi rdami energii jest utrzymanie cigoci prdu pobieranego ze rda, co
U1 RO
D
T
iT
Li1 iD
U2
C
i2
s
3 Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ...
19
wymaga doboru indukcyjnoci wejciowej o odpowiednio duej wartoci lub/i zwikszenia
czstotliwoci przecze elementw pprzewodnikowych. Prowadzi to dodatkowo do
zwikszenia ich strat czeniowych oraz strat w rdzeniu elementu magnetycznego, w wyniku
podwyszenia czstotliwoci ttnie prdu w uzwojeniu dawika.
Dlatego dla ukadw o wikszej mocy znamionowej (rzdu kilku, kilkudziesiciu
kilowatw), czsto proponowanym ukadem jest wielogaziowy przeksztatnik (ang.
interleaved boost converter), zoony z dwch [10], [11], [21], [22] (rys. 3.5) lub wikszej
liczby przeksztatnikw typu "boost" [23], [24], [25] mogcych pracowa synchronicznie
(rwnolegle) lub z przesuniciem fazowym midzy stanami przewodzenia cznikw
poszczeglnych gazi (ukad wielofazowy) [26].
Rys. 3.5. Topologia wielofazowego przeksztatnika podwyszajcego napicie typu "boost" (a) z dawikami rozdzielonymi (b), z ujemnym sprzeniem magnetycznym (c) oraz z dodatnim sprzenim magnetycznym (d)
Prd rda i1 zostaje rozdzielony rwnomiernie pomidzy poszczeglne gazie
ukadu, co obnia wartoci prdw tranzystorw oraz diod, redukujc w ten sposb straty
mocy przewodzenia wydzielane w tych elementach. Dodatkowo, w przypadku topologii z
przesuniciem fazowym, zwikszeniu ulega czstotliwo ttnie prdu wejciowego ukadu,
co przy danej indukcyjnoci znacznie redukuje warto tych ttnie.
Czstym rozwizaniem, gwnie w przypadku parzystej liczby gazi, jest stosowanie
dawikw sprzonych magnetycznie [27], [28], [29], przy czym o znaku sprzenia decyduje
U1 RO
D1(1)
T1(1)
iT1(1)
i1 iD1(1)
U2=UoC
i2
s1(1)
D2(1)iD2(1)
T2(1)
iT2(1)
s2(1)
L2
L1 M12
b) c) d)
iL1(1)
iL2(1)
L2
L1 M12
L2
L1
T1( )m
iT1( )ms1( )m
iT2( )ms2( )m
Lwe iL1( )m
iL2( )m
D1( )miD1( )m
D2( )miD2( )m
T2( )m
a)
Lwe
Lwe Lwe Lwe
Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ... 3
20
sposb poczenia obu uzwoje dawika (rys. 3.5 - (c), (d)). Wzmocnienie napiciowe ukadu
podstawowego (boost), jak i w konfiguracji wielogaziowej, przy cigym prdzie dawikw
moe by wyraone zalenoci
DU
UKu
1
1
1
2 (3.3)
W przypadku, gdy wymagane jest uzyskanie duego wzmocnienia napiciowego w
torze przetwarzania energii elektrycznej stosuje si kaskadowe poczenie podstawowych
przeksztatnikw typu "boost" (rys. 3.6). Otrzymuje si wwczas wzmocnienie bdce
iloczynem wzmocnie napiciowych poszczeglnych stopni przeksztacania energii
211
2
1
1
1
1
DDU
UKu
(3.4)
przy czym: D1, D2 - wspczynniki wysterowania tranzystorw odpowiednio T1 oraz T2
Poza duym wzmocnieniem napiciowym ukadu, ktre jest jego niewtpliw zalet,
ukad cechuje si rwnie lepszym stopniem odsprzenia pomidzy wejciem a wyjciem
oraz lepszym wykorzystaniem prdowo - napiciowym elementw pprzewodnikowych.
Rys. 3.6. Przykad topologii przeksztatnika podwyszajcego napicie zoonego z dwch ukadw typu boost w konfiguracji kaskadowej
Ponadto kaskadowa struktura ukadu pozwala na prac tranzystorw przy mniejszych
wspczynnikach wypenienia impulsw sterujcych D1, D2, co ma wpyw na straty mocy
przewodzenia generowane w tranzystorach. Prezentowany ukad, w porwnaniu do
podstawowej topologii typu "boost" charakteryzuje si rwnie bardziej skomplikowanym
obwodem, w skad ktrego wchodzi wiksza liczba elementw, wymagajcych bardziej
zoonego ukadu sterowania gwarantujcego stabiln prac caego systemu. Elementy bierne
wystpujce na wejciu ukadu drugiego stopnia przeksztacania energii (C1, L2), dziki
wstpnej filtracji prdu za porednictwem dawika L1 stopnia pierwszego, posiadaj zwykle
mniejsze wartoci ni elementy stopnia pierwszego. Rwnie czstotliwo przecze
tranzystora T2 moe zosta zredukowana w porwnaniu z T1, co pozwala ograniczy straty
U1
D1
T1
iT1
L1i1 iD1
U1-2C1s1 RO
D2
T2
iT2
L2i1-2 iD2
U2
C2
i2
s2
pierwszy stopie drugi stopie
3 Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ...
21
czeniowe, wystpujce w stosowanych zwykle w kocowych stopniach przeksztacania
energii takiej topologii ukadu, tranzystorach wysokonapiciowych. Wie si to jednak z
koniecznoci zwikszenia pojemnoci kondensatora C2.
Poprzez eliminacj tranzystora T2 oraz zastosowanie wsplnego rdzenia
magnetycznego dla dawikw L1 i L2 uzyskuje si przedstawion na rysunku 3.7 topologi
przeksztatnika z dawikami sprzonymi magnetycznie (ang. tapped inductor converter)
[30], [31], gdzie N1, N2 - liczba zwojw dawika L1 i L2.
Rys. 3.7. Topologia przeksztatnika podwyszajcego napicie typu "boost" z dawikami sprzonymi
Dziki temu tranzystor ukadu (T) wsppracujcy z diod D1 moe pracowa przy
niszym napiciu blokowania, zalenym od stosunku liczby zwojw (n = N2/N1). Obydwie
diody przewodz prd o takiej samej wartoci redniej, rwnej co do wartoci prdu
wyjciowego (i2). Pomimo tego, e ukad charakteryzuje si duym wspczynnikiem
wzmocnienia napicia (wzr (3.5)), to posiada szereg wad, do ktrych naley zaliczy przede
wszystkim due ttnienia prdu wejciowego (i1), trudne napiciowe warunki pracy diody D2
oraz kopotliwe w wykonaniu uzwojenia wejciowego dawika w konfiguracji sprzonej. Dla
ukadu z rysunku 3.7 obowizuje zaleno
D
Dn
U
UKu
1
1
1
2 (3.5)
gdzie: n = N2/N1
Kolejn odmian przeksztatnika zawierajcego w swojej strukturze dawik sprzony
jest ukad przedstawiony na rysunku 3.8 [14], [15]. Ze wzgldu na zblion konfiguracj
elementw, wspczynnik podwyszenia napicia w tym przypadku jest taki sam jak w
odniesieniu do poprzedniego ukadu (wzr (3.5)). Pomimo wystpujcych dodatkowych
elementw magnetycznych w porwnaniu z klasyczn topologi "boost", sprawno
energetyczna prezentowanego ukadu moe osiga wiksze wartoci [14], [32].
Dodatkowym atutem, podobnie jak dla topologii podstawowej jest moliwo zwikszenia
czstotliwoci ttnie prdu wejciowego ukadu, poprzez stosowanie wikszej liczby
U1 RO
D1
T
iTLM
i1
iD1
U2
C1
i2
s
D2
L2
C2
L1 n=N :N2 1
N2N1
Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ... 3
22
rwnolegle poczonych gazi, ktrych elementy pprzewodnikowe s zaczane z
przesuniciem fazowym o kt 360/m. Dodatkowym elementem ukadu, jest czsto dodawana
dioda poziomujca Dc, ktrej zadaniem jest eliminacja przepi wystpujcych na
tranzystorze T, w wyniku wystpujcego w praktyce nieidealnego sprzenia pomidzy
uzwojeniami dawikw.
Rys. 3.8. Topologia przeksztatnika podwyszajcego napicie typu "boost" z dawikiem sprzonym w konfiguracji wielofazowej (m - liczba rwnolegle poczonych gazi ukadu)
Ciekawym rozwizaniem, zaprezentowanym m.in. w pracy [14], jest ukad o topologii
przeksztatnika przeciwsobnego podwyszajcego napicie typu "boost" z dwoma dawikami
i transformatorem (rys. 3.9). Stanowi on rozszerzenie topologii popularnego przeciwsobnego
ukadu typu push-pull, sterowanego z wypenieniem D > 0,5 [14].
Modyfikacja tego ukadu w stosunku do typowego przeksztatnika push-pull polega gwnie
na zamianie skomplikowanego w projektowaniu i budowie transformatora zoonego z t rzech
uzwoje przez zastosowanie dwch dawikw wejciowych oraz prostszego w konstrukcji
transformatora o przekadni zwykle n = 1 3. Wspczynnik wzmocnienia napiciowego
ukadu z rysunku 3.9 jest wikszy ni dla ukadu z rysunku 3.4 i jest okrelony wzorem
D
n
U
UKu
1
21
1
2 (3.6)
Ponadto zdwojona czstotliwo ttnie w prdzie wejciowym oraz wyjciowym umoliwia
redukcj parametrw elektrycznych i wymiarow elementw biernych ukadu (transformatora
Tr i kondensatorw C1 C3). Ukad cechuj rwnie korzystne warunki pracy tranzystorw,
na ktrych przy przekadni n = 1 bdzie wystpowa napicie rwne 1/3 napicia
wyjciowego U2.
U1 RO
D1
T
iT
LM
i1 iD1
U2
i2
s
L2
C2
L1
D1m
Tm
iTm
LMm
i1m iD1m
sm
L2mL1m
Dc
Dcm
n =N :Nm 2m 1m
n=N :N2 1
N2mN1m
N1 N2
3 Topologie przeksztatnikw DC/DC o waciwociach podwyszajcych ...
23
Rys. 3.9. Topologia przeciwsobnego przeksztatnika DC/DC podwyszajcego napicie z dwoma dawikami i transformatorem
W niniejszym rozdziale, w sposb skondensowany przedstawiono typowe ukady
energoelektroniczne suce do przeksztacania energii prdu staego w energi prdu staego,
posiadajce zdolno podwyszania napicia wyjciowego. Waciwo t uzyskuje si dziki
zastosowaniu w tych przeksztatnikach elementw magnetycznych, ktrych zadaniem jest
magazynowanie energii elektrycznej. Prezentujc poszczeglne ukady ograniczono si do
najwaniejszych parametrw takich jak wspczynnik wzmocnienia napiciowego (Ku),
sprawno energetyczna, a take obcialno prdowa i napiciowa elementw skadowych.
Istotnym parametrem tych ukadw, przy zastosowaniu ich do uzdatniania energii rde
odnawialnych jest rwnie poziom ttnie prdu wejciowego, zwizany bezporednio z ich
czstotliwoci, wynikajc z czstotliwoci przecze tranzystorw. W tabeli 3.1 dokonano
zestawienia podstawowych parametrw opisanych ukadw. Z tabeli tej wynika, e
najprostsza co do struktury, klasyczna topologia przeksztatnika typu "boost" posiada
najmniejszy wspczynnik wzmocnienia. Ta niekorzystna cecha jest w pewien sposb
zrekompensowana nisz cen maej liczby uytych podzespow. Niemniej jednak za
uzasadnione naley uzna dalsze prace, prowadzce do penej oceny waciwoci
energetycznych ukadw zawierajcych rwnolegle poczone elementy pprzewodnikowe
bd te rwnolegle poczone przeksztatniki DC/DC podwyszajce. Przemawia za tym ich
prosta budowa oraz cenna z punktu widzenia rda energii moliwo zmniejszenia ttnie
ich prdu i jednoczenie redukcji parametrw elektrycznych, a take masy i wymiarw
elementw inercyjnych (dawikw i kondensatorw) wystpujcych w tych ukadach. Wzrost
liczby elementw pprzewodnikowych (skonfigurowanych rwnolegle lub w rwnolegle
pracujcych gaziach) moe przynie te due korzyci przy redukcji strat mocy, a tym
samym doprowadzi do zwikszenia sprawnoci energetycznej.
U1
ROD1
T1
iT1
i1iD1
U2
C1
i2
s1
D2iD2
T2
iT2s2
iL1
iL2L2
L1
C2
C3
D3
D4n=N :N1 2
Tr
N1
N2
24
Tabela 3.1. Porwnanie podstawowych parametrw izolowanych oraz bezporednich przeksztatnikw napicia staego [14], [15], [16], [33]
Parametr
Topologia
Izolacja galwaniczna
Wspczynnik wzmocnienia napiciowego Ku
Zakres zmian wspczynnika
D
Czstotliwo prdu
wejciowego i1
Liczba tranzystorw
Liczba diod Liczba
elementw magnetycznych
mostkowy z podwajaczem napicia (rys. 3.1)
TAK D
n
1
1
0,5 < D < 1 2 fs 4 x NN 2 x WN 1 x dawik 1 x transf.
mostkowy z dwoma rwnolegymi falownikami (rys. 3.2)
0,5 < D < 1 2 fs 8 x NN 4 x WN 1 x dawik 3 x transf.
rwnolegy z podwajaczem napicia (rys. 3.3) D
n
1
4 1 0,5 < D < 1 2 fs 4 x NN 2 x WN 2 x dawik 4 x transf.
"boost" (rys. 3.4)
NIE
D1
1
0 < D < 1 fs 1 x WN 1 x WN 1 x dawik
wielogaziowy "boost" (rys. 3.5)
0 < D < 1 m fs m x WN m x WN m x dawik
kaskadowy "boost" (rys. 3.6)
21 1
1
1
1
DD
0 < D < 1 fs
1 x NN 1 x WN
1 x NN 1 x WN
2 x dawiki
"boost" z dawikiem sprzeonym (rys. 3.7)
D
Dn
1
1
0 < D < 1 fs 1 x NN 1 x NN 1 x WN
1 x dawik sprzony
Wielofazowy "boost" z dawikiem sprzonym (rys. 3.8)
0 < D < 1 m fs m x NN m x WN m x dawiki sprzone
z dwoma dawikami i transformatorem (rys. 3.9) D
n
1
21 0,5 < D < 1 2 fs 2 x NN
2 x NN 2 x WN
2 x dawiki 1 x transf.
fs - czstotliwo przecze, NN - niskie napicie, WN - wysokie napicie
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
25
4. Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych
przeksztatnika
Moliwo zwikszenia czstotliwoci ttnie prdu wejciowego ukadu, a tym samym
redukcji tych ttnie (wartoci midzyszczytowych) dziki zastosowaniu topologii
wielofazowej w systemach uzdatniania energii rde odnawialnych moe przynie
wymierne korzyci. Na uwag zasuguj szczeglnie ukady z rysunku 3.5 oraz rysunku 3.8,
przy czym ze wzgldu na mniejsz liczb elementw oraz mniejszy poziom skomplikowania
obwodu dalsze rozwaania dotycz wielofazowego ukadu zoonego z podstawowych
topologii "boost", ktr mona uzna za reprezentatywn dla wikszoci ukadw
zawierajcych czniki pprzewodnikowe i elementy magnetyczne.
Dawiki, wchodzce zwykle w skad tych przeksztatnikw stanowi elementy majce
wpyw na jako przebiegw wartoci chwilowych prdu wejciowego bd wyjciowego
ukadu, jak rwnie na wartoci prdu w przyrzdach pprzewodnikowych mocy.
W ukadach, w ktrych dawiki s poczone bezporednio z elementami
pprzewodnikowymi elementy magnetyczne rzutuj czsto na warunki pracy diod i
tranzystorw. Ponadto, w przypadku zastosowania ukadu uzdatniajcego energi rde
odnawialnych (w tym pochodzc z moduw fotowoltaicznych), ttnienia prdu pobieranego
z takiego rda mog oddziaywa na uzyskanie maksymalnej mocy i moliwoci
skutecznego zastosowania algorytmw ledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT, ang.
Maximum Power Point Tracking) [34], [35]. Dlatego gwne zadania dawikw wejciowych
ukadu stanowi chwilowe magazynowanie energii oraz ograniczenie ttnie prdu
wejciowego. Natomiast do podstawowych parametrw i charakterystycznych wielkoci
dawikw mona zaliczy m.in.:
zalen od czstotliwoci oraz indukcyjnoci warto midzyszczytow ttnie prdu na
wejciu lub wyjciu ukadu (Ip-p);
warto skuteczn prdu uzwojenia (Irms);
maksymaln warto napicia uzwojenia elementu magnetycznego (Umax);
temperatur elementu magnetycznego (Tmag);
warto strat mocy wydzielanych w elemencie magnetycznym (Pm).
W ukadach, w ktrych elementy pprzewodnikowe pracuj z podwyszon czstotliwoci
przecze (fs > 20 kHz), oprcz wyej wymienionych, istotne staj si rwnie parametry
pasoytnicze obwodw magnetycznych, takie jak pojemnoci uzwoje.
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
26
W niniejszym rozdziale przedstawiono podstawowe ukady pocze dawikw filtru
wejciowego wielofazowego przeksztatnika o charakterystyce podwyszajcej napicie ze
wskazaniem analizy korzyci wynikajcych z ich zastosowania. Przedstawiono take opis
analityczny pojemnoci uzwoje elementw magnetycznych oraz zaproponowano now
metod realizacji uzwoje zapewniajc redukcj tej pojemnoci.
4.1. Topologie dawikw wejciowych
Ukad pocze elementw magnetycznych stosowanych w przeksztatnikach DC/DC
ma wpyw na ich prac, w tym na parametry przebiegu wartoci chwilowej prdu na wejciu
bd wyjciu ukadu. Ze wzgldu na atwo wykonania najczciej stosowane s dawiki
pracujce niezalenie [23], [24], [25]. Korzystne waciwoci wykazuj przeksztatniki, w
ktrych dawiki wejciowe s wykonane w postaci dwch cewek sprzonych magnetycznie
[27], [28], [29], [36], przy czym sprzenie to moe by ujemne lub dodatnie.
Analiza zjawisk zachodzcych w elementach magnetycznych zostaa przeprowadzona w
odniesieniu do trzech rnych konfiguracji dawikw wejciowych przeksztatnika DC/DC,
tzn. dla dawikw pracujcych niezalenie (bez sprze), dla dawikw z dodatnim
sprzeniem magnetycznym (dodatnia warto indukcyjnoci wzajemnej) i dla dawikw z
ujemnym sprzeniem magnetycznym (ujemna warto indukcyjnoci wzajemnej) (rys. 4.1).
Dla uproszczenia analizy przyjto, e przeksztatnik DC/DC ma dwie gazie, w ktrych
tranzystory s przeczane z tak sam czstotliwoci i przesuniciem o p okresu
(przesunicie fazowe 180).
Rys. 4.1. Ukady pocze dawikw wejciowych przeksztatnika DC/DC: a) dawiki niezalene; b) dawiki z ujemnym sprzeniem magnetycznym; c) dawiki z dodatnim sprzeniem magnetycznym; d) schemat zastpczy dwugaziowego przeksztatnika DC/DC
A
B
s1 s2
D1 D2
C2
C1U1
U2
i2
Ro
i1
L1
L2
iL1
iL2
(a),(b),(c)i1
L1
L2
iL1
iL2
i1
L1
L2
iL1
iL2
M12
M12
a)
b)
c)
L1
L2
LiL1
iL2
i
L1
L2
LiL1
iL2
d)
A
BA
B
A
B
T1 T2i
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
27
4.1.1. Dawiki niezalene
Na rysunku 4.2 przedstawiono wyidealizowane przebiegi wartoci chwilowych prdw
dawikw, prdu wejciowego, a take napicia i strumieni dawikw dwugaziowego
przeksztatnika DC/DC z rozdzielonymi dawikami L1 i L2 w przypadku wysterowania
D 0,5 i D 0,5. Brak sprzenia magnetycznego midzy dawikami pozwala na
niezalen analiz kadej gazi, przy czym z uwagi na ich identyczn budow, wystarczy
ograniczy si do opisu zjawisk w jednej z nich. Przy zaczonym czniku T1 do dawika L1
zostaje doprowadzone napicie rda (baterii fotowoltaicznej), pod wpywem ktrego prd
iL1 dawika narasta liniowo w czasie. Po wyczeniu tranzystora energia zgromadzona w
dawiku zostaje przekazana do obwodu odbiornika (Ro). Przewodzi wwczas dioda D1, a na
dawiku wystpuje napicie ujemne, rwne U1 - U2. Identyczne procesy zachodz w gazi z
dawikiem L2, z tym e stany przewodzenia tranzystora T2 s opnione o p okresu
przecze Ts/2 wzgldem stanw przewodzenia T1. Dziki temu przesuniciu prd wejciowy
przeksztatnika DC/DC, bdcy sum prdw obu dawikw (i1 = iL1 + iL2) oprcz skadowej
staej wykazuje skadow ttnic (o przebiegu trjktnym), ktrej czstotliwo jest
dwukrotnie wiksza ni czstotliwo przecze kadego z tranzystorw.
Rys. 4.2. Przebiegi czasowe sygnaw sterujcych, prdw i strumieni magnetycznych dawikw w przypadku dawikw niezalenych dla: a) D 0,5 oraz b) D 0,5
s1s2
iL1
iL2
i1
uL1U1
U1-U2
DTs (1-D)TsDTs DTsDTs
(1-D)Ts (D-0,5)Ts
i1(p-p)
iL1(p-p)
iL2(p-p)
tt
t
t
t
t
L1 t
tt0 t1 t2 t3
U1
U1-U2
L2
s1s2
iL1
i1
uL1
L1
L2
iL1(p-p)
iL2(p-p)
i1(p-p)U1 U1
U1-U2 U1-U2
t0 t1 t2 t3
tt
t
t
t
t
t
t
a) b)
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
28
W przypadku przeksztatnika DC/DC jednogaziowego o charakterystyce
podwyszajcej napicie, midzyszczytowa warto prdu dawika moe by wyraona
poprzez
Lf
DDUii
s
ppppL
)1(2)(1)(1
(4.1)
przy czym zaleno ta obowizuje przy cigym prdzie dawika.
Przy ustalonej wartoci napicia wyjciowego, ttnienia prdu wejciowego zale gwnie
od czstotliwoci prdu uzwojenia dawika oraz od wartoci indukcyjnoci tego dawika, przy
czym istotny jest rwnie zakres spodziewanych zmian wspczynnika D.
W przypadku topologii ukadu, zawierajcej wiksz liczb gazi warto
midzyszczytowa prdu pobieranego z baterii fotoogniw zaley rwnie od przyjtego ukadu
pocze dawikw wejciowych, a take od liczby faz/gazi. Ttnienia prdu baterii
fotowoltaicznej, stanowicej rdo energii wejciowej przeksztatnika podwyszajcego
napicie zawierajcego m gazi z niesprzonymi, rozdzielonymi magnetycznie dawikami,
mona wyrazi wzorem [23]
mLf
dDmmUi
s
onpp
)(2)(1 (4.2)
gdzie: U2 napicie wyjciowe przeksztatnika DC/DC; m,mon liczba gazi przeksztanika i
liczba jednoczenie zaczonych gazi (tranzystorw); D wspczynnik wypenienia
impulsw sterujcych; d = tr/ wspczynnik szybkoci narastania prdu; tr, czas
narastania skadowej ttnicej prdu baterii i jej okres; fs czstotliwo zaczania
(przecze) tranzystorw; L indukcyjno kadego z dawikw wejciowych
przeksztatnika DC/DC.
Dla parametrw i charakterystycznych wielkoci ukadu, przyjtych w celu ilustracji
prowadzonej analizy, (U2 = 650 V, fs = 125 kHz) na podstawie zalenoci (4.2) zostay
sporzdzone charakterystyki przedstawiajce wpyw zmian wspczynnika D na warto
ttnie prdu baterii fotowoltaicznej w zalenoci od liczby gazi przeksztatnika
(m = 1; = 2; = 4). Z podanych na rysunku 4.3 charakterystyk wynika, e dla przedziau
D = 0,25 0,55 maksymalna procentowa redukcja ttnie prdu wejciowego I% = i1(p-p)%
przeksztatnika DC/DC dwugaziowego (m = 2) wyniesie 33%, a w przypadku
czterogaziowego (m = 4) nawet 73%, przy czym w tym ostatnim przypadku istnieje
moliwo stuprocentowej redukcji ttnie prdu przy D = 0,25 i D = 0,5.
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
29
a)
b)
Rys. 4.3. Zmiany ttnienia (wartoci midzyszczytowej) prdu wejciowego przeksztatnika DC/DC jedno-, dwu- i czterogaziowego w zalenoci od zmian wspczynnika wypenienia impulsw sterujcych D (a) oraz procentowa redukcja ttnie prdu wyraona jako stosunek ttnie prdu w ukadzie dwu- lub czterogaziowym do ttnie w ukadzie jednogaziowym (b) (U2 = 650 V, L = 220 H, fs = 125 kHz, Pn = 6 kW)
Zarejestrowane przebiegi wartoci chwilowej prdw poszczeglnych dawikw,
podczas pracy ukadu laboratoryjnego zoonego z czterech gazi z rozdzielonymi
dawikami, w ktrych sygnay sterujce tranzystorami s wzajemnie przesunite o kt 90
wskazuj na znaczn warto ttnie prdu sumarycznego dawikw ( iL1(1), iL2(1)) dla
wspczynnika wypenienia impulsw D = 0,25 (rys. 4.4a). Z kolei warto tych ttnie
zostaje ograniczona do minimum, gdy wspczynnik wypenienia impulsw sterujcych
D = 0,5 (rys. 4.4b). W obydwu przypadkach prd wejciowy dawikw ukadu
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
10
20
30
40
D [-]
(I1
p-p
/I1
av)
10
0%
1 ga
2 gazie
4 gazie
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
D [-]
(I1p
-p (
2/4
ga)/I
1p
-p (
1ga))1
00
%
2 gazie
4 gazie
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
30
(i1 = iL1(1) + iL2(1) + iL1(2) + iL2(2)) jest pozbawiony skadowej ttnicej, co potwierdzaj
rezultaty przedstawione na rysunku 4.4.
a) b)
Rys. 4.4. Przebiegi wartoci chwilowej prdw dawikw iL1(1) oraz iL2(1), ich prdu sumarycznego iL1(1), iL2(1) oraz prdu wejciowego czterech dawikw i1 podczas pracy z wypenieniem D = 0,25 (a) oraz D = 0,5 (b) (U2 = 650 V, L = 220 H, fs = 125 kHz, Pn = 6 kW)
4.1.2. Dawiki z ujemnym sprzeniem magnetycznym
W przypadku zastosowania sprzenia magnetycznego midzy uzwojeniami dawika
L1 i L2 (rys. 4.1b, rys. 4.1c), indukcyjno wzajemna oraz warto i znak wspczynnika
sprzenia magnetycznego ( 2112 / LLMk ) maj wpyw na przebiegi wartoci chwilowej
prdw w obu uzwojeniach [37].
Rys. 4.5. Zastpczy, transformatorowy schemat dawikw sprzonych L1 i L2 o ujemnej indukcyjnoci wzajemnej
Przyjmujc transformatorowy zastpczy schemat obwodowy dawikw sprzonych
zamieszczony na rysunku 4.5, po zastosowaniu praw Kirchhoffa, napicia na obu
uzwojeniach mog by opisane wzorami
dt
diL
dt
diLuuu LL
1
111 (4.3)
dt
diL
dt
diLuuu LL
2
222 (4.4)
22111 NiNiNi LL (4.5)
2 s/dz2 s/dz
iL1(1),iL2(1)(2A/dz)
iL2(1)
i1 (5A/dz)
iL1(1) (2A/dz) iL2(1)
iL1(1),iL2(1) (2A/dz)
i1 (5A/dz)
iL1(1) (2A/dz)
L1 L2iL1 iL2
i
L uL2uL1
u1u
u2
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
31
Jak wynika z wartoci parametrw napiciowych wybranych baterii fotowoltaicznych
i wymaganego napicia staego w wyjciowym obwodzie przeksztatnika DC/DC
wspczynnik wysterowania D bdzie w wikszoci przypadkw przyjmowa wartoci w
zakresie nieprzekraczajcym 0,5 (dodatek D).
Dodatkowo, przy analizie przypadku z dawikami w ukadzie o charakterystyce
podwyszajcej napicie dla wspczynnika wypenienia impulsw sterujcych D 0,5, w
czasie przewodzenia cznika T1, napicie panujce na zaciskach dawika L1 bdzie rwne
napiciu zasilania ukadu, natomiast napicie dawika L2 bdzie rnic pomidzy napiciem
wejciowym i wyjciowym (rys. 4.6):
11 uuL (4.6)
212 uuuL (4.7)
Korzystajc z podanych zalenoci, przy zaoeniu tej samej liczby zwojw (N1 = N2)
otrzymuje si rwnania (4.8) oraz (4.9), ktre posu do wyznaczenia pochodnych prdw
pyncych przez uzwojenia poszczeglnych dawikw.
)( 2111
1dt
di
dt
diLu
dt
diL LLL (4.8)
)( 21212
2dt
di
dt
diLuu
dt
diL LLL (4.9)
Przy zaoeniu identycznych warunkw pracy obu uzwoje, charakteryzujcych si tak sam
liczb zwojw (N1 = N2) mona przyj, e ich zastpcze indukcyjnoci, interpretowane jako
indukcyjnoci rozproszenia modelu transformatorowego bd sobie rwne (L1 = L2 = L).
Ponadto, zgodnie z [13] przy znanej indukcyjnoci magnesujcej (L) i rozproszenia (L) oraz
wspczynniku sprzenia magnetycznego (k) i indukcyjnoci wasnej cewek (Ls) mona
zapisa
skLL (4.10)
ss LkN
NLLL )1(
2
1 (4.11)
Otrzymane rwnania pozwalaj na wyznaczenie pochodnych prdw w kadym z uzwoje
cewek sprzonych magentycznie w przedziaach przewodzenia cznikw
s
L
Lk
kUkU
dt
di
)1(
)1(2
211
(4.12)
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
32
s
L
Lk
UkU
dt
di
)1(
)1(2
212
(4.13)
Po uwzgldnieniu rwnania (4.14) uzaleniajcego wspczynnik wypenienia
impulsw sterujcych od napicia wejciowego oraz wyjciowego ukadu z rysunku 3.5
otrzymuje si zalenosci okrelajce wartoci midzyszczytowe prdw cewek sprzonych
magnetycznie (iL1(p-p), iL2(p-p)) oraz prdu wejciowego (i1(p-p)) dla ukadu pracujcego przy
wspczynniku wypenienia impulsw sterujacych D 0,5 (wzory (4.15) (4.17)).
We wzorach wystpuje napicie wyjciowe U2 i wspczynnik D oraz parametry dawikw
tzn. indukcyjnoci wasne Ls i wspczynnik sprzenia magnetycznego k. Przy zaoeniu
cigoci prdw w dawikach wzory te pozwalaj oszacowa poziom ttnie (warto
midzyszczytow) prdu pobieranego ze rda.
DU
U
1
1
1
2 (4.14)
ss
ppLfkL
kDDUi
)1(
)1(122)(1
(4.15)
ss
ppLfkL
kDkDUi
)1(
)1(22)(2
(4.16)
ss
ppfkL
DDUi
)1(
212)(1
(4.17)
Przy ujemnym sprzeniu magnetycznym, zaley nachylenie prostoliniowego
przebiegu wartoci chwilowej prdu iL1 w przedziale czasu t2 t3 od wartoci
sprzenia (rys. 4.6).
Rys. 4.6. Przebiegi czasowe sygnaw sterujcych i prdw uzwoje w przypadku dawika o ujemnej indukcyjnoci wzajemnej przy: a) D 0,5; b) D 0,5
DTs (1-D)TsDTs DTsDTs
(1-D)Ts (D-0,5)Ts
t0 t1 t2 t3t0 t1 t2 t3
iL1(p-p)
s1s2
iL1
iL2
i1
iL2(p-p)
i1(p-p)
s1s2
iL1
iL2
i1
iL1(p-p)
iL2(p-p)
i1(p-p)
tt
t
t
t
tt
t
t
t
a) b)
Ts Ts
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
33
Dla penego sprzenia magnetycznego (k = 1) przebiegi wartoci chwilowych prdw
obu uzwoje bd identyczne, a ich ttnienia bd miay czstotliwo fiL1 = fiL2 = 2fs.
W zakresie sprze wystpujcych w praktyce (k < 1) wartoci chwilowe prdw dawikw
maj ksztaty identyczne, jednak przesunite s wzgldem siebie o p okresu przecze
tranzystorw, przy czym oprcz skadowej ttnicej o czstotliwoci 2fs wystpuje skadowa
podharmoniczna o czstotliwoci fs.
4.1.3. Dawiki z dodatnim sprzeniem magnetycznym
Z punktu widzenia redukcji skadowej ttnicej prdu wejciowego przeksztatnika
DC/DC najlepsze wyniki uzyskuje si w przypadku zastosowania dodatniego sprzenia
magnetycznego midzy uzwojeniami dawikw wejciowych. Odbywa si to jednak kosztem
wzrostu wartoci midzyszczytowych prdw w obu uzwojeniach (rys. 4.7, D 0,5). Dla
dawikw o sprzeniu dodatnim zalenoci okrelajce wartoci midzyszczytowe
poszczeglnych prdw mona przedstawi nastpujco
ss
ppLfkL
kDDUi
)1(
)1(122)(1
(4.18)
ss
ppLfkL
kDkDUi
)1(
)1(22)(2
(4.19)
ss
ppfkL
DDUi
)1(
212)(1
(4.20)
Rys. 4.7. Przebiegi czasowe sygnaw sterujcych i prdw uzwoje w przypadku dawika o dodatniej indukcyjnoci wzajemnej przy: a) D 0,5; b) D 0,5
DTs (1-D)TsDTs DTsDTs
(1-D)Ts (D-0,5)Ts
t0 t1 t2 t3t0 t1 t2 t3
s1s2
iL1
iL2
i1
s1s2
iL1
iL2
i1
tt
t
t
t
tt
t
t
t
iL1(p-p)
iL2(p-p)
i1(p-p)
iL1(p-p)
iL2(p-p)
i1(p-p)
a) b)
Ts Ts
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
34
Korzystajc z zalenoci (4.17) oraz (4.20) sporzdzono wykresy (rys. 4.8) ilustrujce
procentow zmian wartoci midzyszczytowej (I1p-p) odniesion do wartoci redniej prdu
wejciowego (I1av) przeksztatnika DC/DC w funkcji zmian wspczynnika wysterowania
tranzystorw (D) oraz sprzenia magnetycznego (k).
a)
b)
Rys. 4.8. Ttnienia prdu wejciowego przeksztatnika DC/DC (odniesione do wartoci redniej) w zalenoci od wspczynnika wysterowania D tranzystorw przeksztatnika dwugaziowego dla dawikw sprzonych ujemnie (a) oraz dawikw sprzonych dodatnio (b) przy rnych k
00.2
0.40.6
0.81
00.2
0.40.6
0.810
20
40
60
80
100
Dk
(I1p
-p/I
1av)1
00
%
00.2
0.40.6
0.81
00.2
0.40.6
0.810
5
10
15
20
25
Dk
(I1p
-p/I
1av)1
00
%
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
35
Przy braku sprzenia magnetycznego (k = 0) otrzymane wykresy s porwnywalne z
zamieszczonymi na rysunku 4.3a. Wraz ze wzrostem wartoci wspczynnika sprzenia
magnetycznego obserwuje si wzrost ttnie prdu wejciowego w ukadzie z dawikami o
ujemnej indukcyjnoci wzajemnej oraz spadek tych ttnie w przypadku dawikw o
sprzeniu dodatnim. Przy ujemnym sprzeniu magnetycznym ttnienia s tak due, e
zmuszaj do zwikszenia indukcyjnoci wasnych dawikw (warto midzyszczytowa prdu
znacznie przekracza warto redni prdu wejciowego). Zmusza to do zmiany wymiaru
szczeliny powietrznej w klasycznych, najczciej stosowanych obwodach sprze
magnetycznych (rys. 4.9a) [38], [39], co jednak prowadzi do spadku wartoci indukcyjnoci
wasnych uzwoje (L1, L2).
Ciekawe rezultaty moe przynie zmiana konfiguracji sprzenia (rys. 4.9b).
Wwczas zalenoci (4.17) oraz (4.20) mona zapisa w postaci
s
ppfL
DDUi
212)(1
(4.21)
s
ppfkL
DkDUi
)1(
)21)(1(2)(1
(4.22)
odpowiednio dla sprzenia ujemnego (4.21) oraz dodatniego (4.22).
Rys. 4.9. Konfiguracja sprze magnetycznych z wykorzystaniem rdzeni ksztatu E (a) oraz U (b) [40]
Wykresy sporzdzone na podstawie powyszych zalenoci przedstawiono na
rysunku 4.10. Przy ujemnym sprzeniu magnetycznym ttnienia prdu wejciowego dwch
gazi s takie same zarwno co do wartoci midzyszczytowej jak i czstotliwoci (2fs) tak
jak w przypadku dawikw niezalenych, natomiast prdy w uzwojeniach dawikw
sprzonych iL1 i iL2 maj mniejszy poziom ttnie i dwukrotnie wiksz czstotliwo ttnie
w porwnaniu z dawikami indywidualnymi. W przypadku dodatniego sprzenia
d
d
iL1 iL2
i1
d iL1 iL2
i1a) b)
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
36
magnetycznego dawikw wejciowych, wraz ze wzrostem wspczynnika sprzenia k
nastpuje zmniejszanie midzyszczytowej wartoci ttnie prdu wejciowego przeksztatnika
DC/DC, przy czym osignicie duych wartoci k wie si z ryzykiem nasycenia rdzenia.
a)
b)
Rys. 4.10. Ttnienia prdu wejciowego przeksztatnika DC/DC (odniesione do redniej wartoci tego prdu) w zalenoci od wspczynnika wysterowania D tranzystorw przeksztatnika dwugaziowego dla dawikw sprzonych ujemnie (a) oraz dawikw sprzonych dodatnio (b) przy rnych k dla modelu dawika z rysunku 4.9b
00.2
0.40.6
0.81
00.2
0.40.6
0.810
5
10
15
20
25
Dk
(I1p
-p/I
1av
)10
0%
00.2
0.40.6
0.81
00.2
0.40.6
0.810
5
10
15
20
25
Dk
(I1p
-p/I
1av)1
00
%
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
37
Wyniki uzyskane na podstawie zalenoci analitycznych, potwierdzone badaniami
eksperymentalnymi (rys. 4.11), wskazuj na istotny wpyw sposobu wykonania dawikw
wejciowych na ttnienia prdu pobieranego z baterii fotowoltaicznych i w konsekwencji na
maksymaln warto mocy pozyskiwanej z ogniw fotowoltaicznych.
Rys. 4.11. Oscylogramy prdw dawikw iL1(1), iL2(1) oraz ich prdu wejciowego i1=iL1(1)+iL2(1) (pomiar skadowej AC) dla przypadku dawikw : a) pracujcych niezalenie; b) sprzonych ujemnie; c) sprzonych dodatnio przy L1 = L2 = L = 150 H, U2 = 650 V, D = 0,25 i fs = 125 kHz, przy danym staym wspczynniku k
4.2. Pojemno pasoytnicza uzwoje elementw magnetycznych
Umieszczone w oknie rdzenia uzwojenia wykonane z materiau przewodzcego prd
elektryczny, gdzie poszczeglne zwoje s wzajemnie odizolowane materiaem
dielektrycznym, bdc w zasigu pola elektrycznego wytwarzanego przez ssiednie zwoje,
charakteryzuj si nie tylko rezystancj i indukcyjnoci, ale take pojemnoci. Parametr ten
ma szczeglne znaczenie w przypadku podzespow magnetycznych, przeznaczonych do
pracy w wysokoczstotliwociowych i wysokonapiciowych ukadach przeksztacania energii
elektrycznej, w ktrych elementach pprzewodnikowych wystpuj due stromoci napi
(du/dt) i prdw (di/dt).
Dokadne wyznaczenie wartoci pojemnoci jest moliwe m.in. poprzez dokonanie
analizy rozkadu pola elektrycznego przy wykorzystaniu zalenoci analitycznych [41], [42]
2 s/dz
2 s/dz2 s/dz
i iL1(1) L2(1) (2A/dz)
i iL1(1) L2(1) (2A/dz) i iL1(1) L2(1) (2A/dz)
iL1(1)+iL2(1) (2,5A/dz)
iL1(1)+iL2(1) (2,5A/dz)iL1(1)+iL2(1) (2,5A/dz)
a)
b) c)
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
38
lub metod numerycznych [43], przy czym te ostatnie nale do najdokadniejszych, jednak
wymagaj precyzyjnego modelu uzwoje oraz cechuj si duym stopniem skomplikowania.
Uwzgldnienie rozkadu geometrycznego wykonanego uzwojenia pozwala na oszacowanie tej
wartoci, przy czym prostsze metody wymagaj znajomoci dokadnych wymiarw uzwoje
[20], [44], [45], [46].
4.2.1. Pojemno uzwoje w ujciu analitycznym
Znaczcy wpyw pojemnoci pasoytniczej uzwoje elementw magnetycznych
(dawikw, transformatorw) na waciwoci ukadw energoelektronicznych, zawierajcych
szybko przeczajce przyrzdy pprzewodnikowe z SiC, skadnia do minimalizacji jej
wartoci ju na etapie projektowania i konstruowania urzdzenia. Mona przy tym
wykorzysta uproszczony model zastpczy dawika [47], [48], zoony z rwnolegle
poczonych gazi zawierajcych kolejno pojemno zastpcz uzwoje Cp, rezystancj Rp
oraz szeregowo poczon indukcyjno L i rezystancj uzwoje Rs (rys. 4.12). Taki model
dawika znajduje zastosowanie w wielu przypadkach, m.in. w celu wyznaczenia
czstotliwoci rezonansowej wynikajcej z indukcyjnoci L i pojemnoci Cp. Czstotliwo
rezonansowa jest przy tym wielkoci wyjciow, ktra pozwala przy danej indukcyjnoci
wyznaczy pojemno, jednak w celu oszacowania wypadkowej pojemnoci uzwoje
wymagana jest znajomo indukcyjnoci i pulsacji rezonansowej ( = 2f).
Rys. 4.12. Uproszczony schemat zastpczy dawika
Spord wielu sposobw analitycznego opisu pojemnoci pasoytniczej uzwoje, na
uwag zasuguj pozwalajce na dokadne wyznaczenie tej pojemnoci, na podstawie
reprezentacji uzwoje dawika jako kondensatora paskiego oraz cylindrycznego [49]. Metody
te uwzgldniaj rwnie sposb uoenia uzwoje, ktry moe dotyczy np. nawinicia zwoju
grnej warstwy dokadnie nad zwojem dolnej warstwy (ang. orthogonal winding) lub w
przestrzeni midzy dwoma zwojami dolnej warstwy - ang. orthocyclic winding). Std te, na
L
C
R
R
s
pp
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
39
wstpnym etapie projektowania elementu magnetycznego, gdy wikszo parametrw
elektrycznych schematu zastpczego dawika nie jest znana, parametry te naley okreli na
podstawie analizy geometrycznego rozkadu uzwoje dawika i wzajemnego usytuowania
poszczeglnych przewodw w oknie rdzenia. Wwczas bardziej przydatny moe okaza si
schemat zastpczy dawika, uwzgldniajcy jego wymiary geometryczne (rys. 4.13), w
ktrym pojemnoci uzwoje elementw magnetycznych (dawikw, transformatorw) maj
charakter rozproszony.
Metoda A:
Jedn z metod analitycznego okrelenia pojemnoci uzwoje elementu magnetycznego
jest metoda, ktra zakada, e warstwy uzwoje dawika odpowiadaj okadzinom
kondensatora paskiego. W takim podejciu, sposb wykonania uzwojenia, uwzgldniajcy
rwnie rodzaj przewodu nawojowego (drut, lica, tama) i jego parametry takie jak wymiary
geometryczne, w tym grubo powoki materiau izolacyjnego (d0 - d) ma wpyw na warto
pojemnoci uzwoje.
Rys. 4.13. Geometryczny rozkad przewodw z zaznaczonymi rozproszonymi pojemnociami elementu magnetycznego na przykadzie dawika o uzwojeniu skadajcym si z dwch warstwach [20]
W obwodowych schematach zastpczych s one reprezentowane poprzez skupione
pojemnoci elementarne (rys. 4.14), przy czym wypadkowa warto pojemnoci zaley
m.in. od rozkadu geometrycznego i wymiarw uzwoje, liczby zwojw w warstwach
(szeregowe poczenie pojemnoci elementarnych Cmz) oraz liczby warstw (poczenie
rwnolege pojemnoci Cmw).
rdze
Cmr Cmw
dz
d0
dlw
A Bmr mw
Cmr Cmw
Cmr Cmw
Cmr Cmw
Cmr Cmr
Cmz
Cmz
Cmz
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
40
Rys. 4.14. Schemat zastpczy elementu magnetycznego na przykadzie dawika z uzwojeniem dwuwarstwowym, uwzgldniajcy indukcyjnoci kadego zwoju (Lz) oraz pojemnoci elementarne wystpujce midzy poszczeglnymi zwojami (Cmz, Cmw) oraz midzy zwojami i rdzeniem magnetycznym (Cmr); A,B - zaciski dawika, [50], [51]
Rozoenie szeregowo poczonych pojemnoci midzyzwojowych Cmz mona
traktowa jako okadki kondensatora, a to co znajduje si pomidzy warstwami (zazwyczaj
izolacja midzywarstwowa) jako dielektryk. W przyjtym modelu dawika mona rwnie
wyrni pojemno Cmr pomidzy pierwsz warstw uzwoje a rdzeniem. Jej wpyw na
wypadkow pojemno pasoytnicz dawika wzrasta w sytuacji, gdy rdze elementu
magnetycznego zostanie uziemiony. Wartoci tych pojemnoci (Cmr) zale gwnie od
odlegoci uzwoje od rdzenia, przewodnoci elektrycznej materiau izolacyjnego r, rodzaju
ekranowania i sposobu podczenia rdzenia (do przewodu ochronnego instalacji elektrycznej -
PE lub do ujemnego bieguna rda zasilania ukadu).
Analityczna interpretacja wymienionych skadowych pojemnoci uzwoje moe
uatwi proces oceny, wyboru i poszukiwania metod redukcji pojemnoci tej skadowej, ktra
najbardziej wpywa na pojemno wypadkow. Przy wykorzystaniu zalenoci (4.23) mona
w prosty sposb oszacowa jej warto [20], [44], [45], [46].
z
rmrl
AC 0 (4.23)
przy czym: 0 = 8,85410-12 F/m przenikalno elektryczna prni; r wzgldna
przenikalno elektryczna dielektryka, utworzonego z materiau izolacyjnego uzwoje (r>1);
A pole powierzchni okadek umylonego kondensatora zastpczego; lz zastpcza grubo
dielektryka midzy warstw uzwojenia a rdzeniem, ktra moe by wyznaczona przy
zastosowaniu zalenoci (4.24), uwzgldniajcej dokadne wymiary geometryczne uzwoje
(rys. 4.13).
rdze
Cmr Cmr Cmr Cmr
Cmw Cmw
Cmr Cmr
Cmw Cmw
Cmz Cmz Cmz Cmz Cmz
Cmw
A
B
LzLzLzLzLzLz
LzLzLzLzLzLz
Cmz Cmz Cmz Cmz Cmz
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
41
)26,015,1(2
10 zmrz dddl (4.24)
Precyzyjne i zwarte uoenie uzwoje pozwala zaoy, e odlego (dz) midzy zwojami jest
rwna gruboci (rednicy) przewodu nawojowego (d0), co umoliwia uproszczenie zalenoci
do postaci
)15,126,1(2
10 ddl mrz (4.25)
Grubo przewodu nawojowego w przypadku stosowania litego drutu jest zazwyczaj znana
lub atwa do zmierzenia, natomiast w przypadku licy, stosowanej do ukadw
wysokoczstotliwociowych, przy znanej rednicy pojedynczej yy (dL) oraz ich liczby (Ns)
w przewodzie, moe zosta okrelona nastpujcym wzorem
s
L
Ndd
40 (4.26)
Pole powierzchni okadek natomiast, interpretowanych jako warstwa o cile uoonych
zwojach moe by w najprostszy sposb wyraona iloczynem dugoci jednego zwoju w
danej warstwie (lN) i wymiaru wysokoci okna - karkasu (lw)
WNllA (4.27)
Dla wikszoci przypadkw wystpujcych w praktyce, w ktrych element
magnetyczny posiada uzwojenia zawierajce wicej ni jedn warstw, kolejnym skadnikiem
pojemnoci wypadkowej staje si pojemno wystpujca midzy warstwami uzwoje (Cmw).
Mona j wyznaczy z zalenoci:
m
rmwl
AC 0 (4.28)
przy czym: lm zastpcza grubo dielektryka midzy dwiema warstwami uzwoje
Na warto pojemnoci pasoytniczej wystpujcej pomidzy dwiema warstwami
uzwoje ma wpyw powierzchnia okadzin utworzonych przez warstwy umylonego
kondensatora paskiego, odlego midzy nimi oraz przenikalno elektryczna przestrzeni
(lub materiau) midzy warstwami. Zastpcz grubo dielektryka dla tego przypadku mona
wyrazi wzorem [44]
zmwm dddl 26,015,10 (4.29)
lub, jak to miao miejsce w poprzednim przypadku, przy zaoeniu starannego (ciasnego)
uoenia zwojw, gdy odlego midzy rodkami przekrojw poszczeglnych przewodw
jest rwna w przyblieniu rednicy drutu nawojowego, w celu okrelenia odstpw midzy
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
42
okadkami rozpatrywanych kondensatorw zastpczych mona skorzysta z zalenoci
uproszczonej
ddl mwm 15,126,1 0 (4.30)
Pojemno wypadkowa uzwojenia zoonego z dwch warstw skonfigurowanych w
taki sposb, e drugie uzwojenie zostao nawinite w przeciwnym kierunku co pierwsze
(pocztek drugiego uzwojenia znajduje si na kocu pierwszego) moe by okrelona
wzorem [46]
312)2(
mwmrp
CCC (4.31)
W przypadku uzwoje charakteryzujcych si wiksz liczb warstw (nw > 2), ktrych
uzwojenia zostay zrealizowane tak jak poprzednio, pojemno wypadkowa moe by
wyraona wzorem [45]
)1
1(3
4
3 2)(
ww
mw
w
mrnp
nn
C
n
CC
w (4.32)
Metoda B i B':
W literaturze [41], [42], [52], [53] przedstawiono bardzo precyzyjne, analityczne
zalenoci, bazujce na dokadnym modelu geometrycznym uzwoje oraz analizie linii pola
elektrycznego midzy ssiednimi zwojami. W pracach tych autorzy prezentuj dwa podejcia
rnice si zaoeniami odnonie rozkadu linii pola elektrycznego. Pierwsze z nich (metoda
B) zakada, e linie pola s przedueniem promienia przekroju poprzecznego zwoju i kocz
si w miejscu styku dwch zwojw, przechodzc midzy ssiednimi zwojami (promie p na
rys. 4.15a). W drugim podejciu (metoda B') zakada si, e linie te wybieraj najkrtsz
drog w szczelinie obejmujcej szczelin powietrzn i izolacj przewodu i kocz si w
miejscu, gdzie napotkaj na powierzchni ssiedniego zwoju (rys. 4.15b).
W odniesieniu do rysunku 4.15a pojemno widziana pomidzy dwoma ssiednimi
zwojami moe by okrelona na podstawie zalenoci [52]
Dr
r
rLmz mtd
d
tmC 02
0
0
22
(4.33)
przy czym wspczynniki mL oraz mD wyznacza si na podstawie wzorw
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
43
6
02
2
0
22
4
3cos
2
121cos
4
3coscossin
2
1
d
d
t
m
r
r
L (4.34)
6
02
2
0
22
4
3cos
2
121cos
4
3coscossin
d
d
t
m
r
r
D (4.35)
gdzie: - kt promienia danego przewodu stycznego do przewodu ssiedniego z tej samej
warstwy, wzgldem osi warstwy; tr - grubo warstwy izolacji przewodu wyraona
jako (d0 - d)/2
Rys. 4.15. Fragment przekroju poprzecznego uzwoje dawika z rozkadem linii pola elektrycznego (linie przerywane) w przypadku metody opisanej w [42], [52] (a) oraz w [41] (b); 1 - przekrj czynny przewodu; 2 - warstwa izolacyjna
W koncepcji przyjtej w [41] pojemno midzyzwojowa jest okrelana wzorem uproszonym
122
*
ln
*
00
ctgctg
d
dlC rNmz (4.36)
przy czym definiuje si zastpczy kt *, ktry dla elementarnej pojemnoci materiau
izolacyjnego (pierwszy skadnik sumy w nawiasie) przyjmuje wartoci || *, natomiast dla
elementarnej pojemnoci wynikajcej z odstpu powietrznego (drugi skadnik sumy w
nawiasie) jest okrelony jako (* < || /6) [41].
d
d0
tr
1
2
a) b)
p
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
44
Uwzgldniajc wymiary uzwoje oraz przenikalno elektryczn materiau izolacyjnego r
kt ten mona wyznaczy na podstawie zalenoci
r
o
d
d
ln
1arccos* (4.37)
Dysponujc wartoci elementarnej pojemnoci midzyzwojowej, pojemno cewki
bezrdzeniowej (powietrznej), zoonej z dwuwarstwowego uzwojenia moe by okrelona
zgodnie z wzorem [48]
mzp CC 618,1 (4.38)
Na podstawie [41] pojemno tego samego dwuwarstwowego uzwojenia, z tym e
umieszczonego na rdzeniu magnetycznym wyraa si zalenoci
mzp CC 83,1 (4.39)
Autorzy [41], [48] podaj rwnie, e w przypadku uzwojenia zoonego z trzech warstw
naley korzysta na nastpujcej relacji
mzp CC 5733,0 (4.40)
Wyprowadzenie i rozwinicie przytoczonych zalenoci, odnoszcych si do metody
zakadajcej najkrtsze linie pola elektrycznego, podano w sposb szczegowy w pracy [48].
Metoda zakadajca zakoczenie linii pola elektrycznego w miejscu styku dwch zwojw jest
wyjaniona w pracy [52], natomiast porwnanie obu sposobw analitycznego okrelenia
pojemnoci uzwoje przedstawiono w [42]. Przegld innych metod analitycznych, rzadziej
stosowanych w praktyce, zosta zamieszczony w pracy [49].
Przytoczone zalenoci autor wykorzysta w dalszej czci pracy do przeprowadzenia
analizy i oceny zaproponowanej metody redukcji pojemnoci pasoytniczej dawikw
zastosowanych w opracowanym przeksztatniku podwyszajcym napicie, bdcym
przedmiotem niniejszej pracy.
Korzystaja z zalenoci (4.23), (4.28) oraz (4.32) wykrelono charakterystyki,
przedstawiajce poszczeglne skadowe pojemnoci wypadkowej Cp w funkcji liczby warstw
uzwojenia (nw). Obliczenia wykonano dla parametrw podanych w dodatku B. Wynika z nich
(rys. 4.16), e wraz ze wzrostem liczby warstw uzwojenia pojemnoci midzy rdzeniem i
pierwsz warstw oraz midzy warstwami zmniejszaj si. Z wykresw wynika rwnie, e
warto pojemnoci midzy rdzeniem a pierwsz warstw uzwojenia jest pomijalnie maa i w
praktycznych obliczeniach mona jej nie uwzgldnia.
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
45
Rys. 4.16. Pojemnoci midzy pierwsz warstw uzwojenia a rdzeniem (Cmr), midzy warstwami uzwoje (Cmw) oraz pojemno cakowita (Cp) w zalenoci od liczby warstw zgodnie z parametrami zamieszczonymi w zaczniku B
Na podstawie tych samych zalenoci analitycznych, przy zaoeniu identycznych
parametrw przewodu nawojowego (d, d0), odlegoci midzy zwojami (dz) oraz wymiarw
caoci uzwojenia (lw, lN) okrelono wpyw parametrw materiau izolacyjnego (r, mr, mw)
umieszczonego midzy rdzeniem a pierwsz warstw uzwojenia (rys. 4.17a) oraz midzy
dwiema warstwami uzwojenia (rys. 4.17b) odpowiednio na warto pojemnoci Cmr oraz Cmw.
Zgodnie z ogln zalenoci okrelajc warto pojemnoci kondensatora (np. wzr (4.28))
zmniejszenie pojemnoci uzwoje dawika mona uzyska poprzez zastosowanie materiau
izolacyjnego o moliwie duej gruboci i jak najmniejszej przenikalnoci eleketrycznej r.
Zwikszenie odlegoci midzy zwojami pozwolioby na znaczn redukcj pojemnoci
uzwoje, ale take zastosowanie materiau izolacyjnego, charakteryzujcego si jak
najmniejsz wartoci przenikalnoci dielektrycznej (r) moe w korzystny sposb przyczyni
si do dalszej redukcji tej pojemnoci. Naley take zaznaczy, e najwikszy efekt
powyszych zmian daje si zaobserwowa w przypadku pojemnoci midzywarstowej, ktra
zgodnie z wzorem (4.32) stanowi wiksz cz pojemnoci wypadkowej uzwoje.
2 3 4 5 6 7 8 9 100
50
100
150
200
nw
[-]
C [
pF
]
Cmr
Cmw
Cp
Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika 4
46
a)
b)
Rys. 4.17. Charakterystyki przedstawiajce wpyw zmian przenikalnoci dielektryka r oraz odlegoci midzy rdzeniem oraz pierwszym uzwojeniem mr oraz warstwami uzwoje mw na wartoci poszczeglnych skadowych pojemnoci uzwojenia dwuwarstwowego
Podobne wyniki uzyskuje si przy wykorzystaniu zalenoci (4.36) (4.40), przy
czym zmianom wartoci kta * odpowiada zmiana gruboci warstwy izolacyjnej midzy
12
34
56
78
0.5
1
1.5
2
0
5
10
15
20
25
30
mr
[mm]r [-]
Cm
r [p
F]
01
23
45
6
01
23
45
67
0
25
50
75
100
mw
[mm]r [-]
Cm
w [
pF
]
4 Analiza zjawisk zachodzcych w dawikach wejciowych przeksztatnika
47
warstwami uzwoje i jednoczenie midzy okadzinami ekwiwalentnego kondensatora. Jest
te oczywiste, e przenikalno dielektryczna r uytego materiau izolacyjnego midzy
warstwami ma wpyw na pojemno midzyzwojow. Na rysunku 4.18 przedstawiono wyniki
oblicze wykonanych na podstawie wzorw (4.38) oraz (4.39). Wraz ze wzrostem kta