Elektroniczne Układy i Elektroniczne Układy i Systemy ZasilaniaSystemy Zasilania

Politechnika Śląska w GliwicachPolitechnika Śląska w GliwicachWydział Automatyki, Elektroniki i InformatykiWydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki

dr inż. Ryszard Siurekdr inż. Ryszard Siurek

Wykład 10Wykład 10

Zasady projektowania transformatorówZasady projektowania transformatorów

Analiza strat mocy w sterowniku impulsowymAnaliza strat mocy w sterowniku impulsowym

Transformator przetwornicy dwutaktowej (zaporowej)Transformator przetwornicy dwutaktowej (zaporowej)

ZZp ZZw

TT

DD1

CC RR0U0

Uwe

IITT

II00

IICC

nUwe

IITT

IIpmaxpmax

BB

HH

tL

U(t)ip

weT

gromadzenie energii w takcie Igromadzenie energii w takcie I

2T

ILP

2

ILE

2pmaxp

0

2pmaxp

BBSS

e

wepepepwe

epwe

SBtU

ztBSz

dtdBSzU

SBdtdzU

więca

BB

minimalna liczba zwojów uzwojenia pierwotnego dla minimalna liczba zwojów uzwojenia pierwotnego dla = = maxmax, , B = BB = Bs, s, UUwe we = U= Uwemaxwemax::

es

maxwemaxpmin SB

Uz

Załóżmy, że wymagana moc wyjściowa PZałóżmy, że wymagana moc wyjściowa P00

maxp

wemax L

UI

p

2we

0 2LU

P

zzpminpmin – ustalone dla wybranego rdzenia – ustalone dla wybranego rdzenia

0ps

PL l

Szczelina konieczna dla osiągnięcia konkretnej mocy wyjściowej

Takt II - tranzystor T wyłączonyTakt II - tranzystor T wyłączony

ZZw

DD1

CC RR0

II00

IICC

0U

IIDD

IIDmaxDmax

BB

HH

BBSS

U0

IIDD

’ ’

TT

Energia magnetyczna oddawanaEnergia magnetyczna oddawanaJest z rdzeniu w takcie IIJest z rdzeniu w takcie II

2IL

E2Dmaxw

2

tLU

I(t)iw

0DmaxD

'w

0Dmax000

2Dmaxw

L

UIPIU

2TIL

T2

E 2

0

20

w T2P

UL '

'

UU

zzU

U

z

z

U

U

z

z

U

U

L

L

we

0pw

0

we

w

p2

2

20

2we

2w

2p

2

2

20

2we

w

p '''

Jeżeli dla maksymalnej mocy wyjściowej Po dobierzemy ’ < T-, to mamy do czynienia z nieciągłym przepływem strumienia w rdzeniu w całym zakresie obciążeń. Przy wzroście ’ wzrasta Lw, a więc i liczba zwojów zw. Gdy ’ = T- transformator zaczyna pracować w zakresie ciągłego przepływu strumienia.

0p

2

2

0 fI2L

nweU

U

1n

UU we0 Dla przepływu

nieciągłegoDla przepływu ciągłego

Uproszczona procedura projektowania transformatora Uproszczona procedura projektowania transformatora dla przetwornicy dwutaktowejdla przetwornicy dwutaktowej

1. Określenie maksymalnej (nominalnej) mocy wyjściowej Po

2. Wybór częstotliwości pracy – w oparciu parametry dostępnych materiałów magnetycznych, półprzewodnikowych itp.

3. Określenie czasu max, prądu Imax oraz wymaganej indukcyjności Lp

4. Dobór gabarytów rdzenia na podstawie wykresów Hahn’a lub wykresów „AP” (tak, jak przy projektowaniu dławika)

5. Obliczenie (dobór z wykresów) szczeliny

6. Wybór rodzaju pracy (nieciągły lub ciągły przepływ strumienia)

7. 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 jednotaktowejTransformator przetwornicy jednotaktowej

ZZp ZZwUwe

IIpp

Uw Lp

IIpp

IM

nUw

transformator schemat zastępczy

n

I0,2

UL

n

Ι20

LU

Iw

wep

W

p

weM

IIww n

ΙW

1. Dobieramy rdzeń - najczęściej na podstawie wykresów (nomogramów itp.) uzależniających wielkość rdzenia od mocy przetwornicy określonego typu

2. Obliczamy minimalną liczbę zwojów dla dobranego rdzenia, aby dla najbardziej niekorzystnych warunków pracy nie uległ nasyceniu

es

maxwemaxpmin SB

Uz

Wzór identyczny dla każdego

rodzaju przetwornicy!

3. 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

4. Obliczamy liczbę zwojów uzwojenia (uzwojeń) wtórnych

1

UU

zzUz

zU

we

0pwwe

p

w0

5. Obliczamy przekrój przewodu (taśmy, licy) uzwojenia wtórnego na podstawie skutecznej wartości prądu Iwsk=nIpsk

6. Sprawdzamy, czy uzwojenia się mieszczą w oknie korpusu rdzenia– należy uwzględnić miejsce na izolację i odpowiednie rozmieszczenie uzwojeń wymagane przez normy bezpieczeństwa

korpus

rdzeń

izolacja bezpieczeństwa (3 warstwy)

uzwojenie wtórne

uzwojenie pierwotne

izolacja funkcjonalna (między warstwami)

droga upływu (6 mm)

3 mm

Uwagi ogólneUwagi ogólne

1. 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

2. Ale przy dużej wartości Lp jest większa liczba zwojów – a więc trudności ze zmieszczeniem uzwojenia, większe straty mocy w miedzi

3. Należy wybierać rdzeń o jak najlepszych parametrach – maksymalna indukcja nasycenia Bs, minimalne straty mocy, minimalne gabaryty

4. Należy rozważyć zastosowanie minimalnej szczeliny w rdzeniu przetwornicy jednotranzystorowej (forward)– zapewnia to lepsze wykorzystanie rdzenia przez zmniejszenie remanencji magnetycznej

H

B

B - z niewielką szczelinąB - bez szczeliny

5. 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 impulsowymAnaliza strat mocy w sterowniku impulsowym1. Straty mocy przy przełączaniu (dynamiczne strat mocy)

DDTT

Ro

LL

CC

II0LLss

Uwe

UT IL

ID

IL

ILmin

ILmax

II0

TTUster

0

IT

IT

tdID

ILmin

UT

Uwe

t1

,

t1

-IRmax

ITskrds

ts

tf

ILmax

ILmax

Estr

Przepięcie spowodowaneindukcyjnością rozproszenia

dt

dI2QI T

RRmax

QR - ładunek wsteczny diody [C]

Przeładowanie pojemności CBC i CBE (dla tranzystorów bipolarnych)

Zestawienie strat mocy w zasilaczu impulsowymZestawienie strat mocy w zasilaczu impulsowym

1. 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 wyjściowychWAŻNE! dla tranzystorów bipolarnych i diod dla tranzystorów polowych

3. Straty dynamiczne przy przełączaniu tranzystorów

dson2skstr rIP cessrstr UIP

Metody minimalizacji strat mocyMetody minimalizacji strat mocy1. 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 synchronicznegoPo załączeniu się diody wewnętrznej następuje

załączenie tranzystora o małej rezystancji przewodzenia – spadek napięcia znacznie mniejszy niż na diodzie

3. 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

ZZp

TT

Uwe

Cwe

CCss

DDss

IT

UT tt

IT

UT Kondensator opóźnia narost napięcia w stosunku do prądu w tranzystorze

Możliwe jest takie dobranie wartości kondensatora Cs, aby suma strat mocy w tranzystorze i rezystorze układu tłumiącego osiągnęła minimum