ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
28260620102018
NÁVRH NAPÁJACIEHO MENIČA S VYUŽITÍM
SÚČIASTOK PC ZDROJA TYPU AT
2010
Bc. Tomáš Húdek
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
NÁVRH NAPÁJACIEHO MENIČA S VYUŽITÍM
SÚČIASTOK PC ZDROJA TYPU AT
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Študijný program:
2675836 Výkonové elektronické systémy
Študijný odbor:
5.2.9 Elektrotechnika
Školiace pracovisko: Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta,
Katedra mechatroniky a elektroniky
Školiteľ:
Ing. Vladimír Vavrúš, PhD.
2010
Bc. Tomáš Húdek
Abstrakt
Tomáš Húdek, Spracovanie diplomovej práce na Žilinskej univerzite v Žiline.
Diplomová práca, Katedra mechatroniky a elektroniky Fakulta elektrotechniky Žilinskej
univerzity v Žiline, vedúci diplomovej práce Ing. Vladimír Vavruš, PhD., Žilina 2010,
počet strán a príloh.
V tejto práci môžeme nájsť informácie o sieťových zdrojov a ich porovnanie
s impulznými zdrojmi. Ďalej je v práci zahrnuté zapojenie impulzných zdrojov ich
vlastností, výhody a návrh jednotlivých častí, čo by malo objasniť princíp a funkciu
zapojení jednotlivých typov. Samostatná pozornosť je venovaná PFC regulátoru, ktorý je
v dnešnej dobe neodlúčiteľnou časťou impulzných zdrojov. Práca vytvára prehľad a dobré
predpoklady k ďalším návrhom a spracovaniam podobných tém.
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Bc. Tomáš Húdek
Akademický rok: 2009/2010
Názov práce: Návrh napájacieho meniča s využitím súčiastok PC zdroja typu AT.
Počet strán: 47
Počet obrázkov: 25
Počet tabuliek: 1
Počet grafov:0
Počet príloh: 7
Počet použ. lit.: 9
Anotácia v slovenskom jazyku:
Táto diplomová práca sa zaoberá analýzou a návrhom impulzného zdroja. Prvá
časť je zameraná na porovnanie vlastnosti spínaných a klasických zdrojov. V ďalšej
etape sa zaoberám základným zapojenia impulzných zdrojov, analýzou Pc zdroja
typu AT, rozborom topológie a popisom jednotlivých častí. Záverečná časť je
venovaná návrhu a riadeniu PFC meniča, taktiež návrhu filtra, impulzného
transformátora a simulačnou analýzou overenia obvodu.
Anotácia v anglickom (nemeckom) jazyku:
This diploma work deals with analysis and desing switched mode power supply. The
firs part is fucused on comparison propeties switching and classic supply. In next stage
deals princpal conection switched mode power supply, analisys PC supply type AT,
analyse topology and charakteristic single parts. Finishing part is devoted design and
control PFC converter, too desing filter, switching transformer and simulation analysis
this verification circiut.
Kľúčové slová:
Menič, riadenie, PFC, PC zdroj typu AT, boost, forward, dvojčinný menič, frekvencia
spínania, priepustný menič, filter, transformátor
Vedúci diplomovej práce: Ing. Vladimír Vavrúš, PhD.
Recenzent:
Dátum odovzdania práce: 7. mája 2010
Obsah
1
Úvod .............................................................................................................. 1
2
Činnosť a obvodové zapojenie napájacích zdrojov .................................. 3
2.1
2.1.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.4
3
3.1
4
4.1
4.2
4.2.1
4.2.2
4.3
4.3.1
4.3.2
4.4
4.4.1
4.4.2
4.4.3
4.5
4.5.1
4.5.2
4.5.3
Lineárne zdroje .............................................................................................. 3
Princíp lineárneho zdroja ............................................................................... 3
Impulzné zdroje ............................................................................................. 5
Princíp činnosti impulzného zdroja................................................................ 5
Problematika impulzných zdrojov ................................................................. 7
Základné zapojenie spínaných zdrojov .......................................................... 8
Akumulačné zapojenie ................................................................................... 8
Priepustné zapojenie ...................................................................................... 9
Dvojčinné zapojenie..................................................................................... 11
Porovnanie lineárnych zdrojov s impulzovými zdrojmi .............................. 14
Rozbor topológie zdroja typu at a popis jednotlivých častí meniča ...... 16
Popis funkcie zapojenia ............................................................................... 16
Návrh a prípadná modifikácia riadiacej a výkonovej časti zdroja ....... 24
Meniče a ich nepriaznivý vplyv na sieť ....................................................... 25
Kompenzácia pfc filtrov............................................................................... 27
Realizácia a spôsob kompenzácie pasívnych PFC ....................................... 27
Realizácia a spôsob kompenzácie aktívnych PFC ....................................... 27
Riadenie pfc ................................................................................................. 29
Riadenie na hranici prerušovaného prúdu (CRM) ....................................... 29
Riadenie v spojitom režime prúdov (CCM)................................................. 30
Topológie pfc meničov ............................................................................... 31
Zapojenie so zvyšujúcim meničom .............................................................. 31
Zapojenie so znižujúcim meničom .............................................................. 32
Dvojito zvyšujúce zapojenie (Dual boost ) .................................................. 32
Návrh jednotlivých častí pre pfc regulátor ................................................... 33
Návrh cievky L a výstupného kondenzátora C ............................................ 34
Návrh riadiaceho obvodu ............................................................................. 38
Návrh výstupného filtra a transformátora .................................................... 41
Záver ........................................................................................................................... 46
Zoznam použitej literatúry ..........................................................................................47
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 2.1 Základná bloková schéma lineárneho zdroja s výstupným stabilizovaným
napätím .................................................................................................................... 3
Obr. 2.2 Bloková schéma impulzného zdroja s výstupným stabilizovaným napätím ... 5
Obr. 2.3 Pracovný cyklus regulátora .............................................................................. 7
Obr. 2.4 Princíp akumulačného meniča ......................................................................... 8
Obr. 2.5 K popisu činnosti akumulačného zapojenia – tranzistor vypnutý .................. 9
Obr. 2.6 Princíp činnosti priepustného meniča .............................................................. 9
Obr. 2.7 Zapojenie rekuperačného vinutia ................................................................... 11
Obr. 2.8 Princíp dvojčinného zapojenia ....................................................................... 11
Obr. 2.9Priebehy kolektorových prúdov tranzistorov T1 a T2 v dvojčinnom zapojení 12
Tab. 2.1 Porovnanie vlastnosti spínaných a klasických zdrojov.................................. 15
Obr. 3.1 Sieťová časť AT zdroja................................................................................. 16
Obr. 3.2 Zapojenie výstupnej časti zdroja jednosmerných napätí ............................... 20
Obr. 3.3 Zapojenie budiacej časti AT zdroja ............................................................... 22
Obr. 3.4 Vnútorné zapojenie obvodu TL494 ............................................................... 23
Obr. 3.5 Časovanie obvodu TL494 .............................................................................. 23
Obr. 4.1 Principiálna bloková schéma zapojenia návrhu ............................................. 25
Obr. 4.2 Jednofázový napäťový usmerňovač............................................................... 26
Obr. 4.3 Priebeh prúdu ................................................................................................. 26
Obr. 4.4 Zobrazenie harmonických zložiek pred a po kompenzácií ............................ 28
Obr.4.5 Priebehy vstupných prúdov a napätia ............................................................. 28
Obr. 4.6 Bloková schéma riadenia PFC ....................................................................... 29
Obr. 4.7 Riadenie na medzi prerušovaných prúdov (Critical Conduction mode) ....... 30
Obr. 4.8 Riadenie v režime neprerušovaných prúdov (Continuous Conduction Mode)
............................................................................................................................... 31
Obr. 4.9 Zapojenie so znižujúcim meničom ................................................................ 32
Obr. 4.10 Zapojenie s dvojito zvyšujúcim meničom ................................................... 33
Obr. 4.11 Jednofázový usmerňovač so zvyšovacím meničom .................................... 33
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
AC
C
Capacitor
CCM
Continuous Conduction Mode
CRM
Critical Conduction Mode
D
Diode
Slovenský význam
EMC
Elektromagnetic compatibility
FLYBACK
FORWARD
GATE
GND
IO
PC
PFC
PUSHPULL
Flyback
Forward
Gate
Ground
Integrated circuit
Personal computer
Power factor correction
Striedavý charakter veličiny
Kondenzátor
Režim neprerušovaných
prúdov
Režim na medzi
prerušovaných prúdov
Dióda
Jednosmerný charakter
veličiny
Sériová hodnota impedancie
Elektromagnetická
kompatibilita
Blokujúci menič
Priepustný menič
Hradlo
Nulový potenciál
Integrovaný obvod
Osobný počítač
Korekcia účinníka
Push – pull
Dvojčinn zapojenie meniča
PWM
Pulse-width modulation
R
T
L
TR
Resistor
Transistor
Inductor
Transformer
DC
ESR
TTL
Šírkovo impulzná
modulácia
Rezistor
Tranzistor
Tlmivka
Transformátor
Integračné obvody
s bipolárnymi tranzistormi
Zoznam symbolov
Symbol
Jednotka
Význam symbolu
aV
B
BS
C
D
d
dIC
f
fSW
G
gi
IAV
IBout
ICmax
IEF
Ih
IL
ILmax,min
∆IL
Io
IOUT
L
le
N
n
nt
p (t)
PBout,
PIN
POUT
∆PCu
∆Pj
∆PV
R
S
SCu
Se
SV
T, Tmax
t
TA,t1,ON
TB,t2,OFF
THDI
UAC
UBout
∆ UBout
UBE
UCE,DS
[-]
[T]
[T]
[F]
[%]
[m]
[A]
[Hz]
[Hz]
[dB]
[-]
[A]
[A]
[A]
[A]
[A]
[A]
[A]
[A]
[A]
[A]
[H]
[m]
[-]
[-]
[-]
[W]
[W]
[W]
[W]
[W]
[W]
[W/m3]
[Ω]
[VA]
[m2]
[m2]
[m2]
[s]
[s]
[s]
[s]
[ %]
[V]
[V]
[V]
[V]
[V]
Koeficient vinutia
Magnetická indukcia
Magnetická indukcia nasýtenia
Kapacita kondenzátora
Strieda
Priemer vodiča
Zvodový prúd kondenzátora
Frekvencia siete
Frekvencia spínania
Zosilnenie
Činiteľ deformácie
Stredná hodnota prúdu
Výstupný prúd v medziobvode
Maximálny kolektorový prúd
Efektívna hodnota prúdu
Vyššie harmonické prúdu
Prúd cievkou
Maximálny, minimálny prúd cievkou
Zvlnenie prúdu
Jednosmerný prúd
Výstupný prúd
Indukčnosť
Efektívna dĺžka siločiary
Počet závitov
Počet spínacích prvkov
Prevod transformátora
Okamžitá hodnota výkonu
Výstupný výkon z PFC meniča
Príkon
Výstupný výkon
Stratový výkon vinutia tlmivky
Stratový výkon v jadre
Merný stratový výkon
Odpor
Zdanlivý výkon
Plocha medeného vinutia
Plocha jadra
Plocha okienka pre vinutie
Perióda spínania
Čas
Čas zopnutia
Čas vypnutia
Činiteľ skreslenia prúdu
Napätie siete – striedavé napätie
Jednosmerné napätie v medziobvode
Zvlnenie jednosmerného napätia v medziobvode
Napätie medzi bázou a emitorom
Záverné napätie tranzistorov
UCES
UEF
Uf
UINmax,min
[V]
[V]
[V]
[V]
UIND
US,N,0
UREF
Z
Zi
XC
Q
δ
η
λ, cosφ
µe
µ
[V]
[V]
[V]
[Ω]
[ -]
[Ω]
[C]
[ %]
[ %]
[-]
[-]
[ H/m]
π
ρ
σ
φ
[-]
[ Ω.m ]
[ A/m2,m ]
[-]
Saturačné napätie tranzistora
Efektívne napätie
Úbytok napätia na dióde
Maximálne, minimálne vstupné jednosmerné
napätie
Indukované napätie
Jednosmerné napätie
Referenčné napätie
Impedancia
Zvlnenie prúdu
Reaktancia
Elektrický náboj
Činiteľ plnenia impulzu
Účinnosť
Účinník
Efektívna permeabilita
Magnetická indukčná konštanta 4. π.10-7
(permeabilita vákua)
Ludolfovo číslo
Merný odpor
Prúdová hustota, hĺbka vniku
Filtračný činiteľ
Poďakovanie
Týmto by som sa chcel poďakovať vedúcemu diplomovej práce pánovi
Ing. Vladimírovi Vavrúšovi, PhD. za odbornú spoluprácu, poskytnuté rady a
materiály.
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
1 ÚVOD
Každé elektronické zariadenie potrebuje pre svoju činnosť zdroj elektrickej
energie, t.j. napájací zdroj. Napájací zdroj je v podstate menič vstupnej energie
(elektrickej, tepelnej, elektrochemickej, solárnej, atď.) na výstupnú elektrickú energiu
(striedavú, jednosmernú, impulznú). Ak je vstupná energia napájacieho zdroja
elektrická (obvykle 230 V/50 Hz, t.j. sieťové napätie), hovoríme o sieťových
napájacích zdrojoch. Podľa zapojenia a princípu činnosti rozdeľujeme tieto napájacie
zdroje do dvoch skupín: LINEÁRNE napájacie zdroje a IMPULZNÉ napájacie zdroje.
V súčasnej dobe sa kladie veľký dôraz na efektivitu a ekonomickosť zariadení
všetkého druhu. Nie je tomu inak ani v oblasti napájacích zdrojov. Popularita
impulzných zdrojov v poslednej dobe veľmi rastie a stávajú sa prevažujúcou skupinou
zdrojov na trhu. Klasické zdroje využívajú transformátory pracujúce na frekvencii
sieťového napätia 50Hz, bývajú preto postupne nahradzované impulznými zdrojmi,
ktoré majú výrazne väčší výkon pri rovnakých rozmeroch a menšie straty v širokom
rozsahu zaťažení. Z tohto dôvodu dochádza k úspore materiálu pri výrobe impulzných
zdrojov zmenšením ich rozmerov a ďalej k energetickým úsporám pri prevádzke
impulzných zdrojov.
Spínané zdroje sú teda modernou náhradou sieťových zdrojov s klasickým
transformátorom. Praktický návrh impulzných zdrojov je však oveľa komplikovanejší,
ako pri zdrojoch lineárnych a náročnosť na výber súčiastok ich návrh ďalej
komplikuje. Výroba nie v amatérskych podmienkach tak jednoduchá, ako u zdrojoch
s klasickým transformátorom. Veľký význam v oblasti napájania elektronických
prístrojov dosiahli impulzné zdroje, ktorých základom je impulzová šírková
modulácia. Táto technológia umožňuje spracovať napätia na oveľa vyššom kmitočte,
ako je kmitočet sieťového napätia. Umožňuje dosiahnuť stálu hodnotu výstupného
napätia impulzného zdroja, ktoré je nezávislé na zaťažení a má nízku hodnotu
zvlnenia.
Ďalším významným krokom rozvoja výkonovej elektroniky je venovanie
veľkej pozornosti skresleniu odoberaných harmonických priebehov napätí a prúdov z
1
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
distribučnej siete, pričom dochádza k zníženiu kvality elektrickej energie. Vývojom
tohto vedného odboru, ako výkonová elektronika sa nám ovárajú obrovské možnosti
využitia elektronických súčiastok v rôznych smeroch. Aj keď zariadenia rôzneho typu,
či už sú to elektronické zariadenia používané v domácnosti ako zdroje, žiarivky,
zariadenia používané v kancelárii, televízory a mnohé ďalšie nemajú vysoký výkon
ale po celom svete je ich veľké množstvo, a preto aj ich vplyv na distribučnú sieť
nemožno zanedbať. Tieto všetky faktory majú za následok vznik PFC pre-regulátorov,
teda meničov s PFC (Power Factor Corection). Hlavnou úlohou je eliminácia
nepriaznivého vplyvu neriadeného usmerňovača na sieť a schopnosť odberu
harmonického prúdu zo siete. Meniče s PFC je možné použiť vo veľkom rozsahu
vstupných napätí, teda môžu byť používane v rôznych krajinách sveta.
2
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2 ČINNOSŤ A OBVODOVÉ ZAPOJENIE
NAPÁJACÍCH ZDROJOV
Podľa zapojenia a princípu činnosti rozdeľujeme napájacie zdroje do dvoch
skupín :
•
lineárne napájacie zdroje
•
spínané (impulzové) napájacie zdroje.
Porovnaním, vysvetlením funkcie blokových schém oboch typov napájacích zdrojov
ľahšie pochopíme princíp činnosti spínaných zdrojov.
2.1 LINEÁRNE ZDROJE
V literatúre často označované aj ako klasické napájacie zdroje, napájacie
zdroje so sieťovým transformátorom, alebo spojité regulované zdroje. Sú to zdroje,
ktoré čerpajú energiu z bežnej elektrickej siete a pracujú s jej frekvenciou.
2.1.1 Princíp lineárneho zdroja
Lineárne napájacie zdroje sú charakterizované použitím sieťového kmitočtu 50
alebo 60Hz v transformátore. Je preto potrebné pri ich výrobe dodržiavať príslušné
elektrotechnické a bezpečnostné normy. Základná bloková schéma lineárneho zdroja
s výstupným stabilizovaným napätím je uvedená na obr. 2.1:
Obr. 2.1 Základná bloková schéma lineárneho zdroja s výstupným stabilizovaným
napätím
3
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Z blokovej schémy lineárneho zdroja môžeme vidieť, že zdroj sa skladá z niekoľkých
základných blokov, z ktorých každý má svoje špecifické vlastnosti a tiež výrazným
spôsobom ovplyvňuje vlastnosti jednosmerného napájacieho zdroja ako celku.
Sieťový transformátor, ktorý sa zvyčajne skladá z dvoch vinutí (primárneho
a sekundárneho) pričom tieto sú galvanicky oddelené, aby nemohlo dôjsť prerazeniu
medzi vinutiami. Rovnako môžu obsahovať rozličné odbočky pre rôzne veľkosti
napätia. Hlavnou úlohou transformátora je transformovať napätie, buď na nižšie alebo
vyššie. V transformátore dochádza k úbytku výkonu, ktorý je spôsobený stratami, či
už vírivými prúdmi alebo stratami premenenými na teplo.
Usmerňovač,
ktorý
je
pripojený
k sekundárnemu
vinutiu
sieťového
transformátora mení striedavé napätie na jednosmerné. Skladá sa z usmerňovacích
diód, ktoré v jednom smere prúd prepúšťajú, v druhom smere blokujú. Z hľadiska
spôsobu usmernenia striedavého napätia a zapojenia rozdeľujeme usmerňovače na:
jednocestné, dvojcestné, mostíkové. Jednocestný usmerňovač prepúšťa len kladnú pol
vlnu, za zápornú dáva nulovú úroveň. Dvojcestný preklápa zápornú pol vlnu
na kladnú. Výstupom z usmerňovača je jednosmerné pulzujúce napätie, preto sa za
usmerňovač zvyčajne zaraďuje vyhladzovací filter.
Výstupný filter, ktorý potláča zvyšky striedavej zložky napätia. Používa sa
filtračný kondenzátor, alebo dolnopriepustný filter tvorený integračným článkom LC
alebo RC. Na výstupe filtra nedostávame úplne vyhladené jednosmerné napätie.
Veľkosť zvlnenia tohto napätia závisí od kvality filtra a od odoberaného prúdu. Preto
za blok filtrov radíme stabilizátor napätia alebo prúdu, ktorý zaisťuje v medziach
technických možností nemennosť výstupného napätia alebo prúdu
pri rôznom
zaťažení prúdu a pri kolísaní usmerneného zvlneného napätia na výstupe bloku filtrov.
Pravá časť blokovej schémy znázorňuje lineárny spätnoväzbový regulátor napätia,
ktorého charakteristickým rysom je jeho spojitosť. Jednosmerné napätie Uo na
výstupe bloku usmerňovača a tiež na výstupe bloku filtrov závisí od spôsobu
zapojenia usmerňovača, od veľkosti usmerňovaného napätia a odoberaného prúdu Io,
od hodnôt použitých súčiastok a vnútorného odporu celého zapojenia.(Žatkovič,
Sieťové napájacie zdroje)
4
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2.2 IMPULZNÉ ZDROJE
V literatúre často označované aj ako spínané zdroje ( z anál. switched mode
power supply). Impulzné regulovateľné zdroje majú vysokú účinnosť oproti lineárnym
zdrojom, kde je odporová regulácia dosiahnutá spínaním, čiže rýchlym odpájaním
a pripájaním zdroja k spotrebiču. Ako spínacie prvky sa používajú tyristory alebo
tranzistory. Pokiaľ je potrebné zmenšiť rozmery a hmotnosť zdroja, je nutné zvýšiť
kmitočet striedavého napätia. Napätie s vysokou frekvenciou môžeme transformovať
miniatúrnym impulzným transformátorom s feritovým jadrom.
Impulzné zdroje sú vyrábané nie len ako zariadenia sústredené v jednej
konštrukčnej jednotke, ale tiež ako niekoľko spínaných zdrojov o menšom výkone,
ktoré sú rozptýlené v jednotlivých častiach zariadenia. Dosahuje sa tým zastupiteľnosť
pri poruche v jednotlivých častiach zariadenia, čiže nižšie úbytky napätia v miestach
spotreby.( Faktor, 2002)
2.2.1 Princíp činnosti impulzného zdroja
Základný princíp činnosti spínaného zdroja s výstupným stabilizovaným
napätím vysvetlím na blokovej schéme znázornenej na obr. 2.2:
Obr. 2.2 Bloková schéma impulzného zdroja s výstupným stabilizovaným napätím
Z blokovej schémy je zrejmé, že každý impulzný zdroj môžeme rozdeliť do
niekoľkých základných častí :
5
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
- širokopásmový odrušovací filter, ktorý je zapojený v sieťovom prívode zdroja. Filter
je štandardným obvodovým prvkom zdroja. Má za úlohu dokonale odstrániť rušenie,
ktoré produkujú spínacie prvky tak, aby nebola prekročená povolená úroveň podľa
EMC predpisov.
- usmerňovač s filtrom. Sieťové napätie je usmernené a vyhladené jednoduchým
kondenzátorovým filtrom, t.j. v zapojení nie je použitý sieťový transformátor v
klasickej forme. Takéto jednosmerné napätie sa privádza na impulzný menič, ktorý je
riadený spätnou väzbou metódami PWM.
- impulzový menič, ktorého úlohou je „transformovať“ jednosmerné vstupné napätie
Un na jednosmerné výstupné napätie Us. Zjednodušene môžeme povedať,
že impulzový menič pozostáva zo spínacieho tranzistora a impulzného transformátora.
Činnosť impulzového meniča:
Jednosmerné napätie (Un ) sa privádza na regulačný výkonový spínací
tranzistor, ktorého záťaž tvorí primárne vinutie transformátora napäťového meniča,
pracujúceho v oblasti frekvencie 20kHz až 1MHz. Zapnutím a rozopnutím spínacieho
tranzistora
vzniká
impulzový
prúd,
ktorý
prechádza
primárnym
vinutím
transformátora meniča a indukuje v sekundárnom vinutí napätie. ( Jancík,2009)
- sekundárny usmerňovač, ktorý má rovnakú úlohu, ako v lineárnych zdrojoch.
Požívame rýchle diódové výkonové usmerňovače, pretože diódy usmerňujú napätia
impulzového tvaru.
- výstupný filter, ktorý má rovnakú úlohu ako v lineárnych zdrojoch. Vyhladené
výstupné napätie využívame zároveň pre impulzovú reguláciu spínaného zdroja.
Vyfiltrované napätie sa sníma v komparátore, porovná s referenčnou hodnotou. Pri
prípadnej odchýlke sa mení buď frekvencia, alebo strieda tak, aby sa výstupné napätie
stabilizovalo na požadovanú hodnotu. Pretože riadiaca slučka sa vracia na primárnu
stranu transformátora, musí byť z bezpečnostných dôvodov galvanicky prerušená. To
sa rieši buď ďalším transformátorom, alebo častejšie optočlenom.
Charakteristickou
vlastnosťou
takéhoto
regulátora
je
nespojitosť
–
práca
v nelineárnom režime.
6
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2.2.2 Problematika impulzných zdrojov
Spínané zdroje sú impulzmi riadené prúdové napájacie zdroje, ktoré
prerušovane spínajú usmernené a vyfiltrované sieťové napätie. Požiadavky na
polovodičové prvky sú, aby pracovali v spínacom režime. Z tejto požiadavky potom
vyplýva vysoká účinnosť, keďže v zdroji budú vznikať len spínacie straty. Zmenou
striedy, čiže šírky impulzu, alebo zmenou frekvencie pri premenlivej, alebo
konštantnej frekvencií sa dosiahne regulácia výstupného výkonu zdroja. Zmena
striedy je znázornená na obr. 2.3:
TA
1
a frekvencia f =
T
T
kde T = perióda, TA = čas zapnutia, TB = čas vypnutia.
strieda =
TA
TB
(2.1)
t
T
Obr. 2.3 Pracovný cyklus regulátora
Takto prerušované napätie môžeme transformovať na iné napätie a usmerniť ho.
Frekvencia impulzov striedavého obdĺžnikového prípadne trojuholníkového tvaru,
alebo harmonického striedavého napätia dosahuje hodnotu 20kHz až 1MHz. Táto
vysoká pracovná frekvencia umožňuje použiť menšie transformátory s feritovými
jadrami. Transformátory využívame nielen na žiaduce oddelenie od siete, ale aj na
hromadenie magnetickej energie podľa princípu činnosti, ktorá sa ďalej podľa
topológie meniča spracuje a premení na výstupnú energiu. (Jancík,2009)
7
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2.3 ZÁKLADNÉ ZAPOJENIE SPÍNANÝCH ZDROJOV
Vývoj spínaných zdrojoch začal v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Pre
svoje výhody sú dnes najrozšírenejšími typmi napájačov, i keď zapojenia spínaných
zdrojov sú všeobecne komplikované a pre ich znalosť je nutné poznať i vnútorné
zapojenie špecializovaných IO, ktoré sú v týchto zdrojoch využívané. Podľa spôsobu
činnosti prenosu energie z primárneho obvodu do obvodu sekundárneho sú to tieto:
1. Akumulačné, označované ako blokujúce alebo nepriepustné
2. Priepustné
3. Dvojčinné
2.3.1 Akumulačné zapojenie
Akumulačné zapojenie, označované ako FLYBACK (blokujúci menič) je
znázornené na obr. 2.4:
Obr. 2.4 Princíp akumulačného meniča
Toto zapojenie vychádza z polarizácie výstupnej usmerňovacej diódy a vzájomnej
polarity primárneho a sekundárneho vinutia transformátora, kde pri prechode prúdu
primárnym vinutím nemôže pretekať prúd vinutím sekundárnym. Využitie
rekuperačnej diódy s pomocným tretím vinutím je nevyhnutné. I keď je nevýhodou
tretie vinutie a dióda, toto zapojenie sa používa z dôvodu absencie problému
s jednosmerným sýtením jadra transformátora. Strieda spínania však môže byť
maximálne 50 % (t1 ≤ t2). Ak je zopnutý tranzistor T na obr. 2.4 začne lineárne
narastať prúd, tečúci vinutím 1 a na tomto vinutí je napätie U1 v opačnej polarite, t.j.
8
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
kladné (šípka smeruje dolu). Pretože sekundárne vinutie je svojim zmyslom vinutia
polarizované rovnako s vinutím primárnym, je indukované napätie inverzné a jeho
polaritu nemôže dióda D1 usmerniť, teda diódou D1 prúd netečie. Súčasne je
indukované napätie v kladnej polarite i na vinutí 3 o veľkosti U3 . Taktiež toto napätie
nemôže vyvolať prechod prúdu vplyvom polarizácie diódy DR. Najskôr, keď je
tranzistor T vypnutý obr. 2.5, indukuje pokles prúdu vinutím 1 napätie do vinutia 2,
a taktiež do vinutia 3 a to navzájom v opačnej polarite. Napätie U3 je v tomto okamihu
záporné a dióda DR je vodivá. Dióda D2 umožňuje prietok výstupného prúdu z tlmivky
do záťaže po dobu t1, t.j. v dobe zopnutého tranzistora T, kedy diódou D1 prúd netečie.
Obr. 2.5 K popisu činnosti akumulačného zapojenia – tranzistor vypnutý
2.3.2 Priepustné zapojenie
Priepustné zapojenie označované v cudzej literatúre ako aj FORWARD.
Principiálna schéma priepustného zapojenia je na obr. 2.6:
Obr. 2.6 Princíp činnosti priepustného meniča
Toto zapojenie sa používa pre rozsah výkonov desiatky W a jeho účinnosť býva okolo
80%. V literatúre sa doporučuje, aby strieda spínania nepresahovala 40%, a to preto,
9
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
aby bolo možné dosiahnuť uvedenej účinnosti. Pracovný kmitočet týchto zdrojov
býva podľa kvality tranzistoru, diód a transformátora v rozmedzí od 50 do 500kHz.
Tranzistor T je nutné dimenzovať minimálne na prúd:
I C max >
2.PVÝST
η . s. U IN min . 2
(2.2)
U CE max > 2. U INmin . 2 ,
(2.3)
a na napätie:
kde UIN je vstupné jedosmerné napätie , Pvyst je odoberaný výstupný výkon, s je strieda
t1/T a η je účinnosť impulzového zdroja (0,8). Tento typ obvodu sa používa pre malé
výstupné výkony. Pre sieťové vstupné napätie 230V je nutné dostatočne dimenzovať
spínací tranzistor napäťovo, pretože pri efektívnom napätí 230V je maximálne napätie
UINmin = 325V a tranzistor je namáhaný dvojnásobkom tohto napätia. Pretože sieťové
napätie môže kolísať o ±20% je nutné reálny tranzistor dimenzovať na napätie okolo
UCEmax = 1 kV. Pritom spínacie (ton) a vypínacie (toff) doby tranzistora by mali byť
zanedbateľné oproti perióde T spínacej frekvencie fSW :
ton = toff << T = t1 + t2 =
1
f SW
(2.4)
Pri požadovanej spínacej frekvencii asi 100kHz je perióda T rovná 10µs a zapínacie
a vypínacie doby by mali byť aspoň o dva rády menšie, t.j. pod 100ns. Obvodové
parametre musia platiť i pre všetky diódy.
Toto zapojenie je zobrazené na obr. 2.6 a je charakteristické priamym prenosom
energie cez transformátor, t.j. keď tečie prúd primárnym vinutím (v okamihu zopnutia
spínača), tečie súčasne aj sekundárnym vinutím. Je to určené vzájomnou polaritou
primárneho a sekundárneho vinutia a polaritou diódy. Buď sú obe vinutia súhlasné
(obidve bodky sú navrchu ), potom kladnej polarite vstupného napätia transformátora
odpovedá záporná polarita výstupného napätia, alebo jedna z bodiek je dole a druhá
hore a to je označenie, že vinutia sú opačné, teda kladnému napätiu na vstupe
odpovedá kladné napätie na výstupe. Taktiež je možné priepustné meniče doplniť
o rekuperačnú diódu a rekuperačné vinutie obr. 2.7:
10
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Obr. 2.7 Zapojenie rekuperačného vinutia
Ich použitie u tohto zapojenia nie je potrebné, iba zlepšuje účinnosť využitia časti
energie, ktorá zostáva po vypnutí tranzistora naakumulovaná v magnetickom poli
primárnej cievky transformátora.( Krejčiřík, 2002)
2.3.3 Dvojčinné zapojenie
Označované v zahraničnej literatúre aj ako PUSH–PULL. Najdôležitejšou
časťou je symetrické primárne vinutie transformátora obr. 2.8, kde každá jeho
polovica
je
budená
samostatným
tranzistorom.
Výhodou
je
neprítomnosť
jednosmernej zložky sýtenia transformátora a nie je nutné používať rekuperačné
vinutie a rekuperačnú diódu.
Obr. 2.8 Princíp dvojčinného zapojenia
Na sekundárnej strane sa využíva dvojcestné zapojenie usmerňovača, čo nie je
podmienkou, ale výhodou. Ak použijeme dvojcestné zapojenie usmerňovača, potom je
výkon prenášaný priamo v každej pol perióde jednou z diód a akumulovaný druhou
diódou. Účinnosť takýchto zapojení je veľmi vysoká a pohybuje sa nad 80%.
11
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
V tomto zapojení je dobré definovať šírku regulácie pomocou striedy (t1/T).
Pre túto definíciu je potrebné si uvedomiť tvar spínacích prúdov
obidvoch
tranzistorov viď. obr. 2.9:
Obr.2. 9 Priebehy kolektorových prúdov tranzistorov T1 a T2 v dvojčinnom zapojení
Doba periódy T je konštantná T= 1/f. Skladá sa však z dvoch symetrických intervalov
tA a tB, pre ktoré platí:
T
(2.5)
2
( tB), je možné hovoriť o uhle zopnutia tranzistorov, prípadne
t A = tB =
Až u doby tA
o frekvencii zopnutia. Tranzistor býva spínaný v okolí stredu intervalu tA, t.j. okolo
štvrtiny doby T. Doba, po ktorú je tranzistor T1 vypnutý sa skladá z dvoch častí,
symetrických okolo doby t1, teda z doby t2a pred dobou t1 a z doby t2b po dobe t1.
Spolu potom platí:
T
.
(2.6)
2
Rovnako to platí aj pre tranzistor T2. Potom strieda zopnutia je definovaná vzťahom:
t1
s=
(2.7)
(t 2 a + t 2 b )
t1 + t 2 a + t 2 b =
Strieda môže byť u dvojčinného zapojenia až okolo 80% a na budenie ponechať časy
t2a a t2b len asi okolo 10% z doby T/2, ako bezpečnostný interval, ktorý zabraňuje
12
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
súčasnému zopnutiu tranzistorov. Súvisí to aj s vypínacími časmi tranzistorov.
Popisovaná funkcia je znázornená na obr. 2.9. Horný graf platí pre tranzistor T1
z obr.8, kde pri prechode prúdu IC1 je tranzistor v zopnutom stave a naopak vo
vypnutom stave po dobu t2a , t2b a celú pol periódu tB tranzistorom tečie iba zbytkový
prúd ICE0. Spodný graf platí pre tranzistor T2 a jeho časové pomery sú rovnaké, iba
posunuté v čase o dobu T/2. (Krejčiřík, 2002)
2.3.3.1 Polomostové dvojčinné priepustné zapojenie
Transformátor pre dvojčinný menič sa
skladá z dvoch
impulzných
transformátorov navinutých na tom istom jadre, ktoré sa v činnosti striedajú. Každý
z impulzových transformátorov môže mať vlastné primárne vinutie , alebo primárne
vinutie môže byť pre obidva spoločné. Taktiež to platí aj pre sekundárne vinutie.
Meniče s dvojčinnými transformátormi sú používané pre dosiahnutie najvyšších
výkonov. Výstupné napätie býva regulované PWM, čiže šírkovo impulznou
moduláciou. V polomostovom zapojení na obr. 2.10 tranzistory T1 a T2 spínajú
striedavo. Budiace impulzy sú oddelené bezpečnostnými intervalmi („dead-time“
zánik vodivosti jedného prvku a nábeh druhého), aby nedošlo k súčasnému zopnutiu
obidvoch tranzistorov, čo by malo za následok skratovanie a možné zničenie zdroja.
Počas doby zopnutia tranzistora sa výkon prenáša zo zberného kondenzátora (C1, C2),
na ktorom je polovica napájacieho napätia.
Obr. 2.10 Polomostový dvojčinný priepustný menič
Sekundárna časť transformátora je tvorená dvomi vinutiami s vyvedeným stredom,
ktoré prenášajú z primárneho vinutia kladné a záporné polvlny priamo na výstupný
13
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
dvojcestný usmerňovač. Takéto zapojenie meniča si vyžaduje tvrdý zdroj napájania,
aby sa predišlo kolísaniu potenciálu na vstupných kondenzátoroch, ak predpokladáme
dovolenú hodnotu kolísania v bode A , že bude 5% z U1/2.
-
dovolené kolísanie v bode A :
-
výstupné napätie :
záverné napätie tranzistorov:
T
2 )
C1 = C 2 = (
0,05.U 1
2
U
U 0 = 1 .δ , δ ≤ 0,45
n
U DS = U IN
-
záverné napätie diód :
U D1 =
I .δ .
U1
U
, U D2 = 1
2
2
(2.8)
(2.9)
(2.10)
(2.11)
(Krejčiřík, 2002)
2.4 POROVNANIE LINEÁRNYCH ZDROJOV S IMPULZOVÝMI
ZDROJMI
Impulzné zdroje (spínané) a lineárne zdroje (zdroje so spojitou reguláciou) sa
líšia hlavne v spôsobe využívania výkonového prvku. V spínaných zdrojoch je
výkonový prvok spínaný a vypínaný, teda je zaťažovaný impulzne. Využívajú sa
výhody impulzného režimu daného prvku. Použitie rovnakého výkonového prvku
v impulznom režime nám umožní odoberať podstatne väčší výkon, ako je to
v lineárnom režime.
Výhody :
• majú vyššiu účinnosť
• sú výhodnejšie tam, kde je veľký rozdiel medzi vstupným a výstupným
napätím
• malé rozmery a hmotnosť
Nevýhody:
•
pomalšia reakcia výstupného napätia na rýchle zmeny zaťažovacieho prúdu.
•
pri požiadavke malého zvlnenia sa musí uvažovať vplyv impulzného
charakteru zdroja
14
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
•
sú zdrojom rušivých signálov, ktoré generujú spínací prvky
•
vyššie požiadavky na kvalitu súčiastok
•
väčšia zložitosť konštrukcie
V tab. 2.1 môžeme vidieť porovnanie vlastností spínaných a klasických (linárnych)
zdrojov, pričom s rastúcou frekvenciou sa zlepšujú kvalitatívne ukazovatele
v prospech spínaných zdrojov. (Faktor,2002)
Špecifikácia
Jednotky Lineárny zdroj
Spínaný zdroj
Rozsah výstupných napätí
V
10 až 100
Rozsah výstupných
prúdov
Rozsah výkonov
A
tisíciny až jednotky
W
jednotky až desiatky jednotky. až tisíce
Frekvencia vstupného
Hz
50
Napätia
1 až 1000
jednotky až tisíce
desaťtisíce až státisíce
pri úprave účinníka
Presnosť výstupného
napätia
Presnosť regul. výkonu
Zvlnenie výstupného
napätia
%
0,02 až 0,05
0,05 až 0,1
%
0,02 až 0,1
0,1 až 1
mV
0,5 až 2
(efektívne napätie)
25 až 100
(medzivrchol. napätie)
Rozsah vstupných napätí
%
± 10
Účinnosť
%
40 až 55
70 až 90
W/cm2
0,033
0,2 až 10
Doba zotavenia
Ns
50 (100)
Prípustná doba výpadku
vstupného napätia
Ms
2
Pomer výkonu /objem
± 30
300 (2000)
32
Tab. 2.1 Porovnanie vlastnosti spínaných a klasických zdrojov
15
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
3 ROZBOR TOPOLÓGIE ZDROJA TYPU AT
A POPIS JEDNOTLIVÝCH ČASTÍ MENIČA
Táto časť je venovaná podrobnej analýze PC zdroja typu AT , rozboru topológie
a popis jednotlivých častí meniča.
3.1 POPIS FUNKCIE ZAPOJENIA
Zdroj je zapojený ako dvojčinný priepustný menič s reguláciou výstupného
napätia. Takýto spínaný zdroj pre PC sa skladá z troch základných obvodových častí,
ktoré sú navzájom od seba galvanicky oddelené pomocou impulzného transformátora.
Základnou časťou je vstupná sieťová časť zdroja obr. 3.1, kde sieťové napätie je
privedené priamo do počítača na vstupný konektor. Za vstupným konektorom je
pripojený sieťový vypínač, vo väčšine prípadov býva dvojpólový pre istotu odpojenia
fázy, ale i v prípade poruchy rozvodnej siete.
Obr. 3.1 Sieťová časť AT zdroja
Prúd zo siete je obmedzený vysokým odporom termistora THR, ktorého odpor
klesá na zanedbateľnú hodnotu jednotiek ohmov ďalším prechodom odoberaného
prúdu, ktorý ho zahrieva. V prúdovom okruhu fázového vodiča ďalej nasleduje
poistka Po, dimenzovaná na 4A ( odpovedá maximálnemu možnému výkonu zdroja
880W, teda s trojnásobnou rezervou). Ďalej nasleduje prvý filtračný kondenzátor C1,
ktorý zabraňuje prenikaniu rušenia spínania do distribučnej siete. Podľa spínacej
frekvencie zdroja fsw , potom tento kondenzátor spolu s filtračnou cievkou LTL1 znižujú
obsah striedavej zložky φ krát :
ϕ = ( 2.π . f SW ) 2 .( 2.LTL1 ).C1
(3.1)
16
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Odpor R1 je určený k vybitiu napätia na kondenzátore C1, ktorý môže zostať nabitý pri
nevhodnom okamihu vypnutia zdroja. Jeho hodnota sa volí tak, aby časová konštanta
vybitia R1,C1 bola menšia ako zlomok sekundy:
R1 =
τ
(3.2)
C1
Nasledujúca trojica kondenzátorov C2, C3 a C4 majú za úlohu vyfiltrovať impulzné
rušenie prenikajúce zo siete do prístroja. Podľa toho v akom frekvenčnom rozsahu f1
nám vadí impulzné rušenie si nastavíme činiteľ filtračného členu podľa vzťahu (3.3).
ϕ = ( 2.π . f 1 ) 2 .(2.LTL1 ).C 4
(3.3)
Tlmivky TL1 a TL2 sú navinuté na spoločnom toroidnom jadre hrubým vodičom
(1,5mm), takže majú nízku hodnotu sériového odporu (ESR cca 0,2). Dôležitý je však
spôsob navinutia oboch cievok vzájomne vzhľadom k sebe. Pokiaľ sú navinuté proti
sebe, potom potlačujú súhlasnú zložku rušenia, vyskytujúcu sa vzhľadom k zemi a to
aj prechádzajúcu zložku zo siete do zdroja, tak aj zo zdroja do siete. Takéto vinutie
cievok vychádza z trojvodičovej sústavy. Druhá možnosť je zapojiť obidve cievky
súhlasne, potom sú prevažne potláčané nesúhlasné (nesymetrické) zložky, teda medzi
fázou a zemou. Všetky tieto súčiastky tvoria vstupný filter, ktorého hlavnou úlohou je
odstránenie rušenia, ktoré produkujú spínacie prvky tak, aby nebola prekročená
úroveň podľa predpisov EMC.
Ďalej nasleduje mostíkový usmerňovač tvorený diódami D1 – D4, ktorý
usmerňuje napätie siete a sériová kombinácia kondenzátorov C5 - C6. Tieto
kondenzátory sa nabijú na vrcholovú hodnotu 325 V. Aby sa napätie rozložilo na oba
kondenzátory symetricky, sú kondenzátory prepojené s odpormi R2 a R3, kde ich
veľkosť odporu sa volí tak, aby nimi tiekol väčší prúd, ako je rozdiel zvodových
odporov dIc kondenzátorov C5 a C6 :
R2 = R3 =
U ef . 2
(3.4)
2.dI C
Táto kombinácia kondenzátorov C5,- C6 a rezistorov R2, R3 vytvára na usmernenom
napätí umelý stred. Pre požadovaný výstupný výkon P [W] je z tohto zdroja pri napätí
U[V] odoberaný prúd Iz[A]. To predstavuje striedavé zvlnenie superponované na
jednosmerné napätie Uc na kondenzátoroch C5 a C6:
17
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
P.I Z .2
[% ; mA, V, µF ]
(3.5)
U C .C 5
Záťažou tohto zdroja je primárne vinutie transformátora TR2, kde sa z jeho
p=
sekundárneho vinutia odoberajú jednotlivé výkony požadovaných napäťových hladín.
Aby jadro transformátora TR2 nebolo sýtené jednosmerne (t.j. aby, prúd pretekajúci
primárnym vinutím nemal jednosmernú zložku), je primárny prúd spínaný dvojicou
tranzistorov T1 a T2, ktoré spínajú v protifáze (ak je jeden zopnutý, druhý je vypnutý a
naopak). Z hľadiska transformátora TR2 by bolo vhodnejšie, keby sa prúd v jeho
primárnom vinutí menil sínusovo. Potom by i výstupné napätie bolo sínusové
a účinnosť transformátora by bola najväčšia (minimálne straty). To by však
znamenalo meniť sínusovo prúd v primárnom vinutí pomocou tranzistorov T1 a T2, čo
by malo za následok vysokú výkonovú stratu a účinnosť zdroja by bola nízka. Preto
sú tranzistory budené tak, aby sa ich napätie UCE menilo skokovo medzi dvoma
stavmi: Umin= UCES tranzistor vedie – maximálne otvorený a Umax tranzistor nevedie –
maximálne zatvorený. I keď bude mať napätie UCE tranzistorov T1 a T2 obdĺžnikový
priebeh, nebude mať rovnaký priebeh i prúd, pretekajúci týmito tranzistormi. Z obr.
3.1 je vidieť, že prúd respektíve jeho časový priebeh bude závisieť na indukčnosti
primárneho vinutia TR2. Ak pripojíme napätie na primárnu cievku pomocou napr. T1
skokovo (teoreticky), potom by prúd mal indukčnosťou primárneho vinutia TR2 začať
narastať lineárne (teoreticky) a rásť tak dlho pokiaľ bude zopnutý tranzistor T1, čiže
dobu pokiaľ bude na ňom napájacie napätie. Toto sú teoretické predpoklady, ktoré sú
v skutočnosti nedosiahnuteľné.
V skutočnosti je možné dosiahnuť optimálne lichobežníkového priebehu
so zaoblenými hranami, ktorý sa blíži sínusovému priebehu. Predpokladáme spínaciu
frekvenciu impulzného zdroja fSW. Za optimálny lichobežníkový priebeh môžeme
považovať taký priebeh, kedy za polovicu periódy T/2 prúd prvú tretinu rastie, druhú
tretinu je konštantný a tretiu tretinu klesá. Z takéhoto popisu vyplývajú požiadavky na
časovanie tranzistora T1, teda musí byť zopnutý prvé dve tretiny z polovice periódy
T/2 pre uvažovaný plný výkon. Z takýchto úvah možno navrhnúť hodnotu indukčnosti
primárneho vinutia výkonového transformátora TR2 tak, aby pri lineárnom náraste
prúdu týmto vinutím z nuly na maximálnu hodnotu prúdu Imax narástol za jednu tretinu
18
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
polovice periódy, teda za čas t. Zo vzťahu L . I = U . t .Potrebný čas t určíme zo
vzťahu (3.6) nasledovne.
U max .t
(3.6)
I max
Do prúdového obvodu primárneho vinutia výkonového transformátora TR2 je
Lmin =
vložený transformátor TR1 ( oddeľuje budiace impulzy pre spínacie tranzistory) a TR3
(snímanie hodnoty primárneho prúdu). Ich parametre primárny prúd takmer
neovplyvnia. V sérii zo všetkými primárnymi vinutiami transformátorov TR1, TR2 a
TR3 je zapojený dôležitý kondenzátor C9. Jeho funkcia v obvode je dvojitá. Za prvé
jednosmerne prerušuje prúdovú slučku primárneho prúdu (napr. pre prípad poruchy
časovania T1 a T2), ale aj umožňuje doladiť dobu nábehu pri už navinutom
transformátore TR2. Platí základný vzťah :
C .U = I .t [F , V ; A, s ]
Z tohto vzťahu potom odhadneme veľkosť kondenzátora C9 :
(3.7)
I max . t
[F ; A, s, V ]
(3.8)
U max
Tento kondenzátor je nutné dimenzovať nie len na napätie 325 [V] , ale i na prechod
C9 =
impulzného prúdu Imax pri oboch polaritách. Aby bolo možné tranzistory T1 a T2
spínať optimálne v obdĺžnikovom režime napätia na tranzistoroch, je nutné nastaviť
pracovný bod tranzistorov pomocou odporu R12 a R17, tak aby boli otvárané okamžite
po nábehu výstupných impulzov z vinutia TR1C a TR1B. Kondenzátory C10 a C11 slúžia
k urýchleniu zopnutia tranzistorov. Diódy D5 a D6 potom udržujú tranzistory
v zopnutom stave pomocou menšieho prúdu, nastaveného odpormi R10 a R11. Diódy
D5 a D6 taktiež chránia prechody B-E oboch tranzistorov proti napäťovému preťaženiu
v závernom
smere, ktoré
môže
vzniknúť pri
vypínaní
primárneho
prúdu
transformátorom TR1. Diódy D7 a D8 chránia tranzistory T1 a T2 proti prepätiu pri
vypínaní prúdu primárnym vinutím TR2. Transformátorom TR2 sú galvanicky
oddelené všetky výstupné napätia tohto zdroja od siete, obr. 3.2. Pre získanie
sekundárnych napätí sú v zapojení použité dvojcestné usmerňovače s nárazovými
indukčnosťami. U spínaných zdrojov, ktoré dodávajú výstupné napätia s veľkými
výstupnými prúdmi sa nepoužívajú mostíkové zapojenia, pre veľké úbytky napätia
na dvoch diódach pre každú polaritu výstupného napätia na transformátore. Často sa
19
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
používajú usmerňovače jednocestné, ale ich nevýhodou je jednosmerné sýtenie jadra
transformátora jednosmerným odoberaným prúdom.
Obr. 3.2 Zapojenie výstupnej časti zdroja jednosmerných napätí
Preto je možné za optimálne riešenie považovať dvojcestné usmerňovače, kde sa často
používajú dvojité Schottkyho diódy v jednom spoločnom púzdre. RC členy
obmedzujú rušenie, spôsobené prechodom diód zo stavu vodivého do stavu
nevodivého, kedy vzniká množstvo harmonických kmitočtov.
Zapojenie usmerňovača s nárazovými indukčnosťami (napr. LTL3) ma výhody
čisto konštrukčné a ekonomické. Zvlnenie výstupného prúdu takýchto usmerňovačov
za nárazovou tlmivkou je dané vzťahom:
p=
P.I výst
U výst .Ln
[% ; W, mA, V, µH ]
(3.9)
20
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Lenže zvlnenie výstupných napätí je za nárazovými tlmivkami ešte ďalej filtrované
pomocou LC filtrov , ktorých súčasťou sú i nárazové tlmivky. Takže činiteľ filtrácie
sa rovná :
ϕ = ( 2.π . f SW ) 2 .LTL 3 .C13
(3.10)
Ďalej si však musíme uvedomiť, že impedancia kondenzátora C13 pri spínacej
frekvencii fSW (napr. 60kHz) nie je taká, ako by sme očakávali, pretože zahrňujeme do
výstupného filtra taktiež aj elektrolytické kondenzátory. Tieto kondenzátory majú
vysoké
hodnoty kapacít, a preto je nutné navinúť veľa závitov Al fólie. Takže
výpočet impedancie kondenzátora nebude :
X C 13 =
1
2.π . f SW .C 13
(3.11)
ale bude sa rovnať :
Z = ESR + X C13
(3.12)
Z toho vyplýva, že sa jedná o filtre typu LR (L sériovo + ESR paralelne), ktorý
znižuje obsah striedavej zložky. Rušenie, spôsobené vypínaním rýchlych diód pomáha
u zapojenia tohto typu eliminovať i vhodne zvolená predzáťaž. Tá je realizovaná
odpormi R17 a R19 a na 12V vetve je to ventilátor. Predzáťaž zaručuje však i stabilnú
činnosť spínaného zdroja pri minimálnej pracovnej záťaži – transformátorom TR3 je
snímaná hodnota pretekaného primárneho prúdu.
Tlmivky TL4, TL10 a TL11 sú navinuté na feritových tyčkách, teda
s neuzatvoreným jadrom. Toto si môžeme dovoliť iba u tých tlmiviek, ktoré niesú
pretekané veľkou striedavou zložkou prúdu, ktorá by vyžarovala striedavé
elektromagnetické pole s otvorenými magnetickými siločiarami do okolia. A však
na doske zdroja môžeme vidieť cievky TL3, 5, 6, 7 a TL9 na spoločnom uzatvorenom
jadre – toroide. Dosahujeme tým malý rozptyl elektromagnetického poľa, budeného
prúdom so značnou striedavou zložkou a aj zvýšenie indukčnosti. Musíme ale
zabezpečiť, že jednosmerné budenie nepresíti jadro do saturácie hysteréznej krivky.
Toto je zaistene dvoma antiparalelne vinutými cievkami TL7 a TL8 na zdroji
s najvyšším odberom. Ďalej antiparalelným vinutím ostatných cievok tak, aby
algebrický súčet ich jednosmerných zložiek prúdu, teda s ohľadom na smer
magnetizácie jadra bol pokiaľ možno nulový. Toto závisí na odbere jednotlivých
vetiev. Je nutné vždy počítať s istou malou nevykompenzovanou nesymetriou, ale tá
21
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
obvykle u feritových jadier nevadí, pretože vzduchové medzery sú medzi jednotlivými
feromagnetickými zrnami a ferit sa tak jednoducho nepresíti.
Poslednou časťou spínaného napájacieho zdroja je riadiaca časť, generujúca
impulzy do vstupných vinutí transformátora TR1. Tato časť je taktiež oddelená
galvanicky pomocou TR1 a TR3 od ostatných častí zdroja, kde má s nimi spoločné iba
svorku zem a napájacie napätie 12V z výstupu zdroja. Táto riadiaca časť sa skladá
z dvoch funkčne odlišných podskupín, kde jedna obr. 3.3, osadená integrovaným
obvodom TL494 je vlastným generátorom impulzov a druhá zaisťuje funkciu
kombinácií výstupných napätí pre potreby spätnej väzby.
Obr. 3.3 Zapojenie budiacej časti AT zdroja
Napájacie napätie pre túto riadiacu časť je získané z výstupnej vetvy 12V samostatne
filtrovanej pomocou TL5 a C15. Toto napätie je spínané pomocou dvoch spínacích
tranzistorov T3 a T4 na dve symetrické primárne vinutia impulzného transformátora
TR1 – TR1D, TR1E. Tieto tranzistory sú budené z dvoch protitaktných výstupov (piny 8
a 11) integrovaného obvodu TL494. Jeho vnútorné zapojenie je pre prehľadnosť
zobrazené na obr. 3.4:
22
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Obr. 3.4 Vnútorné zapojenie obvodu TL494
Časové priebehy v jednotlivých bodoch zapojenia, sú zobrazené obr. 3.5:
Obr. 3.5 Časovanie obvodu TL494
Z vnútorného zapojenia vyplýva, že výstupom sú dva tranzistory pripojené na piny 9
a 10, ktoré sú spojené zo zemou. Bázy tranzistorov T3 a T4 napájané napäťovo
z deličov R20 – R23, resp. R21 – R24, je ich potenciál daný polovicou napájacieho
napätia – môžu dosahovať hodnoty okolo 5V. Emitory obidvoch tranzistorov sú
prepojené navzájom so zemou cez dvojicu diód D18 – a D19, ktoré sú významné pre
dokonalé rozopnutie tranzistorov. Ak sú použité diódy typu Si , je potenciál obidvoch
23
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
emitorov vzhľadom k zemi VE = 2.UF = 1,4V. Pretože na prechode báza – emitor
tranzistorov T3 a T4 však môže byť úbytok napätia okolo UBE = 0,7 V, potenciál ich
bázou klesá na hodnotu VB = 2,1V pri súčasnom veľmi tvrdom prúdovom budení
tranzistorov. Týmto by oba tranzistory boli veľmi kvalitne zopnuté a oboma
kolektorovými vinutiami TR1D a TR1E pretekajú prúdy zo zdroja 12V. Pri spínaní
vnútorných tranzistorov T1 a T2 vo vnútri TL494 (obr.3.4) je však nutné povedať, že
ich vnútorné napätie UCE = UCES < cca 1V. Potenciál emitora je však zachovaný
s druhým tranzistorom, ktorý je zopnutý. Pravý tranzistor so skratovanou bázou má
teda prechod B – E polarizovaný záverným napätím :
U BE = V B − V E = 1 − 1,4 = −0,4 [V ]
(3.13)
a je teda tvrdo uzatvorený. A však pri reálnej prevádzke sú tranzistory Q1 a Q2
v TL494 spínané protitaktne, sú protitaktne spínané i tranzistory externé T3 a T4.
Kondenzátor C21 filtruje napätie na diódach D18 a D19. Diódy D20 a D21 sú ochranné
diódy proti napäťovému preťaženiu tranzistora T3 a T4 v prípade vypínania prúdu
indukčnou záťažou (vinutie TR1D a TR1E). Odporom R22 je obmedzená maximálna
hodnota prúdu týchto vinutí. Všetky tieto diódy, pokiaľ chceme aby boli spoľahlivé,
musia pracovať bezchybne so spínacou frekvenciou fSW. ( Krejčiřík, 1997)
Samostatnú pozornosť pri týchto zdrojoch je potrebné venovať riadiacemu obvodu
TL494 a taktiež váhovej
logike. V mojej práci sa ďalej nezaoberám riadením
a opisom týchto problémov, pretože mením topológiu zapojenia a taktiež riadiaca časť
a obvod, ktorým budem tento zdroj riadiť sa zmení.
4 NÁVRH A PRÍPADNÁ MODIFIKÁCIA
RIADIACEJ A VÝKONOVEJ ČASTI ZDROJA
Na obr. 4.1 môžeme vidieť blokovú schému zapojenia, ktoré bude navrhnuté.
Ako PFC regulátor bude použitý zvyšovací menič, a topológia DC/DC meniča je typu
Forward, teda priepustný menič. Celé toto zapojenie bude riadené z jedného
integrovaného obvodu FAN 4800, ktorý dokáže riadiť PFC aj forward DC/DC menič,
preto sa nazýva aj ako „Combo controller“. V súčasnosti sa tieto obvody
„COMBO“,ktoré dokážu riadiť dve výkonové aplikácie stále viac používajú
a dostávajú do popredia kvôli svojim vlastnostiam, ktoré zlepšujú účinnosť celého
24
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
zariadenia, ale majú aj menší nepriaznivý vplyv na sieť a podliehajú EMC predpisom,
ktoré sú stále prísnejšie.
Obr. 4.1 Principiálna bloková schéma zapojenia návrhu
4.1 MENIČE A ICH NEPRIAZNIVÝ VPLYV NA SIEŤ
V súčasnej dobe je distribučná sieť po celom svete zaťažovaná nielen
lineárnymi záťažami, teda odporovými, ktoré neodoberajú jalovú zložku, ale hlavne
nelineárnymi. Medzi takéto záťaže patria aj impulzné zdroje, ktoré obsahujú kapacitné
aj indukčné zložky, a teda zdroj ako celok nepôsobí čisto ako odporová záťaž, ale ako
LC člen. Veľké využitie elektroniky nám však rozširuje obzor použitia elektronických
spínačov, regulátorov a predovšetkým usmerňovačov, ktoré v zapojeniach spínaných
zdrojov majú svoje miesto na vstupe t.j. primárnej strane. Tu je nutné si uvedomiť, že
usmerňovač obr. 4.2 nasledovaný vysokokapacitným filtračným kondenzátorom
odoberajú prúd zo siete, iba tesne pred a na vrchole sínusovky obr. 4.3. Ostávajúci čas
je zatvorený, pretože dióda v usmerňovači sa otvára, pokiaľ je na jej výstupe väčšie
napätie ako na kondenzátore, tým sa kondenzátor nabije až po čase dosiahne
maximálnu hodnotu napätia. Keby z kondenzátora nebola odoberaná energia, dióda sa
ďalší interval neotvorí, pretože by bola polarizovaná opačne. Maximálny prúd diódou
teda tečie skoro pri maximálnom napätí a teda fázový posun sa blíži k nule. Z toho
vyplýva, že účinník cosφ sa rovná približne jednej. Pričom účinník je definovaný ako
pomer činného výkonu P k zdanlivému výkonu S. Vyjadruje pomer ako sa prúd blíži k
sínusovému priebehu (sínusový prúd je vo fáze s napätím):
P
(4.1)
S
kde P je činný výkon definovaný ako stredná hodnota okamžitého výkonu p za čas
cos ϕ =
jednej periódy T.
25
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
1
T
Zdanlivý výkon je definovaný ako:
p=
T
∫ p (t ) dt
(4.2)
0
S = U ef .I ef
(4.3)
kde Uef a Ief sú efektívne hodnoty napätia a prúdu za čas jednej periódy T. Musíme si
uvedomiť, že tieto vzťahy platia pre lineárne záťaže a nemôžu byť použité pri
nelineárnych záťažiach.
Prúd diódou nemá ani zďaleka sínusový priebeh, čo môžeme vidieť na obr. 4.3:
Obr. 4.2 Jednofázový napäťový usmerňovač
Obr. 4.3 Priebeh prúdu
Kondenzátor, ktorý vplýva na výstupné zvlnenie napätia, tiež zapríčiňuje odber
nelineárneho prúdu. Nelinearita a nespojitosť, či už ide o riadené, poloriadené a
neriadené usmerňovače - usmerňovací prvok sa otvára a zatvára, generuje vyššie
harmonické zložky prúdu, ktoré sú väčšie ako základná harmonická. Tieto vyššie
harmonické prenikajú do siete a do ostatných zariadení, ale taktiež sú vyžarované do
okolia a môžu spôsobiť rušenie ostatných prístrojov. Aby k tomuto nedochádzalo
musí zariadenie obsahovať filtre, ktoré vyššie harmonické zložky (jalové zložky,
pretože elektráreň vyrába 50Hz) odfiltrujú, ale sa dá povedať, že ich interne
vykompenzujú. A preto môžeme pre neharmonické priebehy napísať:
∞
P
λ= =
S
∑U
h =0
h
.I h . cos ϕ h
∞
∑U
h=0
2
h
.
∞
.
∑I
h=0
2
(4.4)
h
Z toho potom vyplýva, že pre sínusový priebeh napätia a prúdu platí:
λ = cos ϕ ,
a pre sínusový priebeh napätia a skreslený nesínusový priebeh prúdu platí:
(4.5)
26
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
I 1. cos ϕ
= g i . cos ϕ ,
(4.6)
I
kde gi je pomer prvej harmonickej prúdu k efektívnej hodnote deformovaného prúdu
λ=
nazývaný - činiteľ deformácie. Účinnosť celého zariadenia je závislá na fázovom
posune prúdu a napätia, ale taktiež aj na obsahu harmonických zložiek.
Činiteľ celkového skreslenia, ktorým môžeme vyjadriť kvalitu napätia a prúdu:
I
THD I = ∑  h
h=2  I1
H
2

 =

I 22 + I 32 + I 42 + K + I 402
(4.7)
I1
4.2 KOMPENZÁCIA PFC FILTROV
4.2.1 Realizácia a spôsob kompenzácie pasívnych PFC
Najjednoduchší spôsob, ako kompenzovať harmonické prúdu je použiť filter.
Pasívne filtre sú vždy konštruované pre konkrétne harmonické, teda pre navrhnutý
filter by mal prechádzať prúd iba v súlade s frekvenciou (napr.50 alebo 60Hz). Pri
realizácií sa používa sériovo zapojená indukčnosť, ktorá ľahko vyhladí prúdové
špičky pri komutácií diód. Taktiež sa používajú aj kapacitné filtre, ktoré majú však
veľké zvlnenie jednosmerného napätia. Tie sa využívajú prevažne u elektronických
svetelných zdrojoch napájaných zo siete, kde tieto vlastnosti nevadia.
Pri spínaných zdrojoch je toto zapojenie možné využiť: pri indukčných filtroch
pokiaľ nám nevadí veľkosť a váha tlmivky na vstupe a s pasívnym kapacitným
filtrom, ak máme veľký rozsah regulácie riadiaceho systému PWM pre výkonový
menič. Najvhodnejšia topológia takého spínaného zdroja by bola blokujúci menič,
kedy môžeme použiť prúdovú spätnú väzbu a striedu spínacích impulzov PWM
takmer 100%.
4.2.2 Realizácia a spôsob kompenzácie aktívnych PFC
Najjednoduchšie aktívne PFC, ale zároveň najdokonalejšie, čo sa týka korekcie
odoberaného prúdu zo siete pre nižšie výkony sú tvorené cievkou a riadeným
tranzistorom, pričom sa dá dosiahnuť takmer čisto sínusového odberu prúdu, a teda
odstránení vyšších harmonických ako môžeme vidieť na obr. 4.4. Je to vlastne druh
27
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
meniča nazývaného aj PRE – REGULÁTOR, ktorého výsledkom je odber sínusového
priebehu prúdu zo siete a konštantné jednosmerné napätie v medziobvode, ktoré
potom vstupuje do DC/DC meniča. Ďalšou výhodou je, že spínaný zdroj dokáže
pracovať v širokom rozsahu vstupných napätí. Obvodovo a súčiastkovo sa jedná
o pomerne zložité zariadenie, ktoré má za následok zvýšenie ceny, a však v súčasnej
obsah danej harmonickej [%]
dobe je potrebné kvôli predpisom EMC a vplyvu elektronických zariadení na sieť.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
rád harmonickej [ - ]
Obr. 4.4 Zobrazenie harmonických zložiek pred a po kompenzácií
Obr.4.5 Priebehy vstupných prúdov a napätia
• Priebeh 1: vstupný prúd bez PFC filtra
• Priebeh 2: vstupný prúd s pasívnym PFC filtrom
• Priebeh 3: vstupný prúd s aktívnym PFC filtrom
• Priebeh 4: vstupné napätie.
(Power Factor Correction, 2007)
28
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.3 RIADENIE PFC
V súčasnej dobe existuje mnoho riadiacich obvodov, ktoré sú priamo určené
na riadenie PFC aplikácií. Je to jedna z možností. Druhou možnosťou je riadenie PFC
pomocou DSP. Pri výbere je kladený veľký dôraz na ich cenu a jednoduchosť. Obidve
tieto aplikácie však pracujú na rovnakom princípe obr. 4.6
Obr. 4.6 Bloková schéma riadenia PFC
Riadenie PFC je dosť komplikovaná záležitosť. Riadiaci obvod je zložený z dvoch
regulačných slučiek, ktoré ovládajú svojimi výstupmi jeden regulačný prvok a tým je
tranzistor. Prvá regulačná slučka riadiaceho obvodu regulátora kontroluje veľkosť
napätia výstupného kondenzátora, ktoré udržuje približne konštantné. Druhá regulačná
slučka kontroluje okamžitú hodnotu vstupného napätia a ovláda regulátor tak, aby
stredná hodnota vstupného prúdu kopírovala priebeh vstupného napätia. Týmto sa
celý regulátor z pohľadu vstupných svoriek chová ako reálna záťaž. Vstupné signály
z oboch regulačných slučiek potom vstupujú do násobičky, ktorá svojim výstupom
ovláda obvod PWM, a tým striedu spínania hlavného tranzistora. (Poláček L., 2002)
4.3.1 Riadenie na hranici prerušovaného prúdu (CRM)
Toto riadenie je vhodné pre aplikácie s nižším výkonom do 150W. Využíva sa
hlavne pre riadenie svetelných zariadení. Výhodou je jednoduchosť a cena obvodov,
ale nevýhodou sú väčšie straty spôsobené prúdom IL, väčšie jadro, s čím súvisia straty
povrchovým javom, variabilná spínacia frekvencia. Princíp je vidieť na obr. 4.7. Prúd
cievkou v intervale zopnutého spínača narastá až po referenčnú hodnotu, ktorá je
určená z usmerneného vstupného napätia. V dobe, kedy je spínač vypnutý, teda
29
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
nevedie prúd klesá až na nulovú hodnotu. V okamihu, keď klesne až na nulu spínač sa
opäť zopne a cyklus sa opakuje. Výsledný prúd je stredná hodnota prúdu cievkou.
Takémuto zapojeniu stačí cievka s menšou indukčnosťou, ale vstupný filter bude
väčší.
Uref
IL
IAV
zopnutý
vypnutý
Obr. 4.7 Riadenie na medzi prerušovaných prúdov (Critical Conduction mode)
4.3.2 Riadenie v spojitom režime prúdov (CCM)
Tento režim riadenia je možné použiť v širokom rozsahu aplikácií a má viac
výhod ako nevýhod. Výhodou tohto riadenia oproti riadeniu na medzi prerušovaných
prúdov je, že nevznikajú také veľké prúdové špičky, má menšie zvlnenie, menší
vstupný EMI filter, menšie straty. Spínacia frekvencia pri CCM riadení je konštantná
a prúd pri riadení nedosahuje po každom vypnutí spínača nulovú hodnotu, čo je
možné vidieť na obr. 4.8. Princíp spočíva v tom, že energia, ktorá je naakumulovaná
v cievke v dobe, keď je spínač zopnutý sa pri vypnutí spínača cez diódu odovzdá
kondenzátoru a záťaži, ale nie celá energia, ale len časť. Potom sa opäť spínač zopne
a dej sa opakuje. Požiadavky v režime neprerušovaných prúdov sú kladené hlavne na
dobu zotavenia diódy, pretože ak je doba príliš dlhá v okamihu, keď opäť spína
tranzistor sa časť náboja z kondenzátora vracia späť cez diódu a vznikajú veľké
výkonové straty, ktoré môžu nepriaznivo vplývať na celé zariadenie a môže dôjsť
k zničeniu. Referenčná hodnota je určená z usmerneného vstupného napätia, ktorý
30
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
určuje tvar pre vstupný prúd PFC meniča. Z tohto naspínaného priebehu sa potom
vytvorí stredná hodnota zodpovedajúca vstupnému prúdu. Nevýhodou týchto obvodov
sú zložitejšie integrované obvody, s čím súvisí cena, ale aj snímanie prúdu cievkou.
U ref
IL
I AV
T T T
Obr. 4.8 Riadenie v režime neprerušovaných prúdov (Continuous Conduction Mode)
4.4 TOPOLÓGIE PFC MENIČOV
4.4.1 Zapojenie so zvyšujúcim meničom
Toto
zapojenie
je
v
PFC
meničoch
malého
a stredného
výkonu
najpoužívanejšie. Výhodou je , že výstupné napätie je vyššie ako vstupné, ale nemôže
dosahovať veľkých výkonov (do 1kW). Zapojenie je na obr. 4.11. Princíp činnosti:
z usmerňovača tečie prúd cez indukčnosť L a spínací prvok T. Energia sa akumuluje v
magnetickom obvode cievky. Prúd cievkou narastá až do okamihu, kedy sa spínač T
rozopne. V tomto okamžiku chce cievka udržať smer aj veľkosť prúdu a vzniká na nej
indukované napätie. Indukované napätie sa spočíta s napätím napájacieho zdroja
a pretláča prúd do výstupného kondenzátora C. Veľkosť indukovaného napätia záleží
na veľkosti indukčnosti cievky L, na veľkosti prúdu a rýchlosti vypnutia spínača T,
potom toto napätie nie je amplitúdovo obmedzené. S rastúcou dobou t1(doba zopnutia)
narastá prúd I (pri dI/dt = konšt. rastie aj veľkosť indukovaného napätia), ale súčasne
sa zmenšuje napätie na výstupe dlhodobým vybíjaním kondenzátora. V prípade
rastúceho času t2 (doba vypnutia) je kondenzátor C ďalej nabíjaný, ale iba v tom
31
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
prípade, keď súčet veľkostí vstupného napätia a indukovaného (UIN + Uind) je väčšií
ako súčet veľkostí výstupného napätia a napätia diódy v priepustnom stave (Uout + Uf).
(Faktor, 2002)
4.4.2 Zapojenie so znižujúcim meničom
Zopnutím spínača T na rastie na kondenzátore napätie (obr. 4.9). Napätie rastie
tým pomalšie, čím je väčšia kapacita a indukčnosť cievky. V intervale, kedy je spínač
T vypnutý sa snaží cievka L udržať smer a veľkosť prúdu. Energia naakumulovaná
počas doby zopnutia tranzistora sa mení na prúd záťaže. Aby však tento prúd mohol
tiecť, obvod sa doplní diódou D, ktorá tento obvod uzatvára, keď je tranzistor
rozopnutý. Z popisu vyplýva, ak je tranzistor zopnutý napätie na výstupe rastie
a počas doby, kedy je tranzistor zatvorený výstupné napätie klesá. Maximálne
výstupné napätie v tomto zapojení môže byť nanajvýš rovné vstupnému napätiu.
Zmenu výstupného napätia dosiahneme zmenou vzájomného pomeru doby t1
(tranzistor zopnutý) a t2 (tranzistor vypnutý).(Faktor, 2002)
Obr. 4.9 Zapojenie so znižujúcim meničom
4.4.3 Dvojito zvyšujúce zapojenie (Dual boost )
Toto zapojenie na obr. 4.10 sa od predchádzajúcich líši tým, že PFC regulátor
je zapojený na striedavej strane teda pracuje ako AC/DC menič. Výhodou je, že
výstup nekmitá s vysokou frekvenciou oproti striedavému vstupu. Tieto zapojenia
môžu dosahovať výkon až okolo 6kW. V zapojení dual boost sa vyžadujú dve cievky
s rovnakou indukčnosťou, čo je nevýhodou. A však treba poznamenať, že dve cievky
32
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
majú lepšie tepelno izolačné vlastnosti. Každá cievka je pre polovicu cyklu. V jednom
cykle je používaná len jedna cievka a druhá je príslušnou diódou. Počas prvej polvlny
je energia akumulovaná v cievke L1, spínačom je T2 a cestu uzatvárajú diódy D4 a D1.
V druhej polvlne sa energia akumuluje v cievke L2, spínačom je T1 a obvod sa
uzatvára cez D3 a D2.
Obr. 4.10 Zapojenie s dvojito zvyšujúcim meničom
Treba ešte poznamenať, že v zapojení, kde sa využívajú aktívne filtre teda PFC
regulátory je omnoho viac. Na pochopenie činnosti by to malo stačiť. ( Huber, Jang,
Jovanovič, 2007 )
4.5 NÁVRH JEDNOTLIVÝCH ČASTÍ PRE PFC REGULÁTOR
Zapojenie meniča pre PFC regulátor nazývaný aj ako pre - regulátor pozostáva
z mostového jednofázového usmerňovača a BOOST - zvyšovacieho meniča, ktorý
môžeme vidieť na obr. 4.11:
Obr. 4.11 Jednofázový usmerňovač so zvyšovacím meničom
33
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Zvyšujúca časť meniča ďalej pozostáva z rýchlej diódy D, spínacieho tranzistora T
a veľmi dôležitého komponentu, cievky s feritovým jadrom, ktorá slúži ako
akumulačný prvok. Na výstupe je kondenzátor C, ktorého veľkosťou ovplyvňujeme
zvlnenie výstupného napätia z PFC meniča. Tieto meniče dokážu pracovať v širokom
rozsahu vstupných napätí (80V – 260V pri frekvencii 50 až 60Hz), čo je jednou z ich
najvyšších výhod.
4.5.1 Návrh cievky L a výstupného kondenzátora C
Pri návrhu PFC regulátora si ako prvé zvolíme spínaciu frekvenciu. Optimálna
frekvencia je okolo 100kHz. Ja si volím spínaciu frekvenciu 65kHz, kvôli ďalšiemu
návrhu, ktorý sa bude týkať DC/DC meniča. Oproti 100kHz sa nám pri našej spínacej
frekvencii 65 kHz zväčší veľkosť indukčného prvku a výstupného kondenzátora, ale
zmenšia sa nám spínacie straty tranzistora a hysterézne straty v jadre cievky. Zo
spínacej frekvencie si vypočítame periódu podľa vzťahu :
f SW = 65kHz ⇒ Tmax =
1
f SW
=
1
= 15,38 µs
65.10 3
(4.8)
Návrh kondenzátora
Vychádzame zo vzťahu :
PBout
233
=
= 154,5 µF
(4.9)
U Bout . ∆ U Bout . ω 400.12.2.π .50
– zvlnenie výstupného napätia UBout = 400V . Pre frekvenciu f= 50Hz sa
C=
∆UBout
používa výstupný kondenzátor o veľkosti C = 0,5µF/W.
Volíme zvlnenie ∆UBout = ± 3 %. Ďalej je potrebné si vypočítať veľkosť PBout:
Pout
200
=
= 233W
ηc 0,86
z čoho môžeme vyrátať aj prúd IBout :
PBout =
I Bout =
Pout
233
=
= 0,67 A
ηc . U Bout 0,86 . 400
(4.10)
(4.11)
Návrh cievky
Akumulačný prvok – cievka je v PFC regulátore najdôležitejšou časťou. Je potrebné si
zvoliť správny typ jadra, ktorý bude spĺňať požadované kritéria. Ďalej je potrebné
vypočítať hrúbku vodiča, hĺbku vniku, pričom musíme brať do úvahy spínaciu
34
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
frekvenciu, a teda uvažovať so skinefektom. Ako prvé si vyrátame prúd cievkou IL,
ktorý bude cievkou pretekať a taktiež jeho zvlnenie a maximálnu hodnotu. Je potrebné
si určiť účinnosť celého zariadenia ηc= 0,82%, keďže uvažujeme so stratami. Prúd
cievkou vyrátame ako:
IL =
P
200 W
2 .PIN
= 244 W
, kde PIN = out =
ηc
0,82
U IN
(4.12)
2 .PIN 244 W
=
= 4,06 A
(4.13)
U IN
85
Konštanta zvlnenia prúdu ZI sa pohybuje v rozmedzí 0,1 – 0,4 IL. Potom zvlnenie
potom I L =
vypočítame :
∆IL = ZI . IL = 0,2 . 4,06 = 0,812 A
(4.14)
Z týchto hodnôt sa určí maximálny prúd cievkou :
ILmax = IL + (∆IL / 2) = 4,06 + (0,812 / 2) = 4,47 A
(4.15)
Pre zvolenú topológiu PFC meniča je potrebné pre výpočet indukčnosti zvoliť
pracovný cyklus D (striedu) spínaného tranzistora.
Určí sa zo vzorca pre výpočet veľkosti výstupného napätia zvyšovacieho meniča :
U Bout =
U
- U INmin 400 − 120
U INmin
=
= 0,7
z čoho dostaneme D = Bout
1- D
U Bout
400
(4.16)
Veľkosť indukčnosti vypočítame :
L=
2 .85.0,7
2 .U INmin . D
=
= 1,6mH
∆ I L . f SW
0,812 . 65.103
(4.17)
Na určenie prierezu vinutia je potrebné určiť efektívnu hodnotu prúdu Ief :
∆I L
0,8122
=
− ∆I L .I L max + I L2 max =
− 0,812 . 4,47 + 4,47 2 = 4,07 A ≈ 4,1A
3
3
(4.18)
2
I ef
Volíme prúdovú hustotu medeného vinutia σcu = 4 A/mm2 , z čoho vypočítame prierez
a priemer vodiča :
S cu =
I ef
σ cu
=
4,1
= 1,025mm 2 ⇒ d =
4
4.S cu
π
=
4 . 1,025
π
= 1,14mm
(4.19)
35
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Spínacia frekvencia fSW má za následok, že vodičom preteká vf prúd, preto je potrebné
počítať s elektrickým povrchovým javom, ktorého charakterizuje hĺbka vniku σ.
Hĺbka vniku je vzdialenosť od povrchu, pri ktorej klesne prúdová hustota na 1/e
prúdovej hustoty na povrchu vodiča, pričom vzrastie odpor vodiča.
[m, Ω, H , Hz ]
1
σ =
1
π . .µ 0 . f
ρ
(4.20)
Takto definovaná hĺbka vniku je odvodená z harmonického priebehu prúdu
prechádzajúceho vodičom. V meničoch s PWM má prúd vo vodičoch pravouhlý alebo
trojuholníkový priebeh impulzov. Obsah harmonických frekvencií túto hĺbku ďalej
zmenšuje. V tomto prípade je nutné hľadať hĺbku vniku pre spínaciu frekvenciu fSW1
aspoň o 50% vyššiu ako je základná harmonická t.j. ako je spínacia frekvencia.
Pri danej frekvencií je neúčelné používať kruhový vodič o väčšom priemere ako 3σ.
Maximálny priemer použitých vodičov pri našej spínacej frekvencií fSW bude podľa
(4.20):
1
1
=
= 0,234mm ⇒ d max = 3.0,234 = 0,7mm
σ=
1
1
−7
3
π . .µ 0 . f
π.
.4.π .10 .97,5.10 .
ρ
2,1.10−8
Pre indukčný zdvih tlmivky platí nerovnica :
BS
N .I L max
B
I
> µ 0 .µ e .
⇒ S > L . L max
(4.21)
2
le
2
N . Se
Dosadením do nerovnice za N, kde :
a
N = SV . v2 ⇒
(4.22)
d
kde SV je plocha okienka pre vinutie, av je koeficient vinutia a d je priemer vodiča.
Volíme si jadro typu E, pre ktoré približne platí SV = Se. Potom po dosadení do
nerovnice (4.21):
BS
L . I L max .d 2
0,400 1,6.10 −3.4,47.(0,7.10 −3 ) 2
>
⇒
>
⇒
2
2
2
2
av . S e
0,9.S e
⇒ Se =
1,6.10 −3.4,47.(0,7.10 −3 ) 2
= 139,5mm 2
0,9.0,2
36
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Pre spínaciu frekvenciu fsw = 65kHz, je vhodné jadro z feritovej hmoty 3C90. Podľa
prierezu Se, ktorý sme vypočítali volíme jadro ETD 44 (Se = 173 mm2, Smin = 172mm2,
le =103mm, Ve = 17800mm3). Tieto jadrá sú typické tým, že rozdiel medzi efektívnym
prierezom a minimálnym prierezom je veľmi malý. Môžu byť dodávané so
vzduchovou medzerou ale aj bez nej. Vzduchovú medzeru vytvárame skrátením
stredného stĺpika.
Výpočet počtu závitov vinutia :
S
L . le
1,6.10 −3.103.10 −3
L = µ 0 .µ e .N 2 . e => N =
=
= 87 závitov
le
µ0 . µe . S e
4.π .10 −7.100.173.10 −6
Výpočet odporu vinutia :
 Ωmm 2

N ⋅ le
87.0,103
= 0,0175.
= 0,153 Ω Ω;
R L = ρ Cu
, m , mm 2 
S
1,025
m


Pre stratový výkon vinutia tlmivky ∆ Pcu platí :
∆PCu = R ⋅ I ef2 = 0,153.4,07 2 = 2,53W
(4.23)
(4.24)
(4.25)
Pre výpočet strát v jadre transformátora, vychádzame z grafu stratového výkonu ∆ PV
v závislosti od magnetickej indukcie a pracovnej frekvencie. Pre B = 200mT
a spínaciu frekvenciu f= 65kHz je merný stratový výkon PV = 200kW/m3.Straty v jadre
potom vyrátame ako:
∆Pj = ∆Pv.Ve = 200.10 3.17800.10 −9 = 3,56 W
(4.26)
(Faktor Z., 2002)
Výber diódy a spínacieho tranzistora
Dióda je pri zvyšovacom meniči veľmi dôležitou súčasťou. Keď je dióda polarizovaná
v priamom smere spínač T je zatvorený a dióda vedie prúd. Ako náhle zopne
tranzistor T dióda prestáva viesť, ale jej vypínacia charakteristika nie je dokonalá a
taká rýchla ako u tranzistora. I keď spínací čas diódy je rýchly, ale vypínací čas diódy
je ovplyvnení dobou zotavenia. Prúd diódou klesne na nulu a na okamih sa stáva
záporný. Dióda musí mať, čo najrýchlejší čas zotavenia, aby pri spínacej frekvencií
nedochádzalo k veľkým spínacím stratám. Ja som vybral diódu typu BYC 10600,
ktorá sa používa v aplikáciách s aktívnym PFC a vyhovuje požiadavkám.
Pre aplikácie so spínacou frekvenciou okolo 100kHz sa používajú spínacie tranzistory
MOSFET. Pre moje zapojenie je vhodný typ FDA 18N50.
37
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
4.5.2 Návrh riadiaceho obvodu
Pri návrhu riadiaceho obvodu sa budem zaoberať troma najdôležitejšími
slučkami a to:
• snímanie vstupného usmerneného napätia,
• snímania prúdu,
• snímanie výstupného napätia,
ktoré sú najdôležitejšími časťami pri riadení meniča. Obvod, ktorým budem riadiť je
FAN4800 combo controller.
Snímanie vstupného usmerneného napätia. Musíme navrhnúť odporový delič, aby na
pine VRMS bolo napätie pri najnižšej hladine vstupného napätia 1,08 V. Napätie musí
byť dobre filtrované, avšak musí byť schopné reagovať na prechodné zmeny siete.
R RMS 3
V
.π
1,08.π
= RMS −UVL
=
= 0,0141
R RMS 1 + R RMS 2 + R RMS 3 2. 2. U IN min 2. 2. 85
(4.27)
Hodnoty odporov RRMS1=1MΩ, RRMS2=110kΩ, RRMS3=15,4kΩ.
Hodnoty kondenzátorov, ktoré slúžia ako dolnopriepustný filter počítame pri frekvenciách
fP1 =1Hz, fP2 =2Hz.
C RMS 1 =
1
1
=
≈ 0,1µF
2.π . f P1 .R RMS 2 2.π .15.110.10 3
(4.28)
C RMS 2 =
1
1
=
≈ 0,47 µF
2.π . f P 2 .R RMS 3 2.π .23.15.10 3
(4.29)
Snímanie prúdu. Treba navrhnúť hodnotu odporu, tak aby najväčší výstpný prúd z
násobičky bol bez saturácie výstupu. Zosilnenie pri VRMS=1,08 je GMAX=9 a
maximálny výstupný prúd z násobičky je 159µA.
2.U IN min MAX
G
≤ 159 µA,
R IAC
z toho potom vyrárame hodnotu:
2.U IN min MAX
2.85
R IAC ≥
G
=
9 = 6 .8 M Ω
159 µA
159 .10 − 6
(4.30)
(4.31)
Ďalej treba navrhnúť odpor RCS1, ktorý slúži na snímanie vstupného prúdu k PFC a slúži aj
ako prúdový obmedzovač komparátora vzhľadom na kontrolu z napäťovej slučky.
38
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
2
RCS 1
R M .G MAX .U IN min
5,7.10 3.9.85 2
≤
=
= 0,27 Ω ≈ 0,3
R IAC .POUT
6,8.10 6.200
(4.32)
Snímanie výstupného napätia sa robí pre spoľahlivú prevádzku a to pri 400V. Delič je
navrhnutý tak, aby napätie na VFB bolo 2,5V.
R FB1 U BOUT
400
=
−1 =
− 1 = 159 ⇒ R FB1 = 159 R FB 2
R FB 2
2,5
2,5
(4.33)
Zvolené hodnoty sú RFB1 = 2 MΩ, RFB2 = 12,6 kΩ. Ďalej sa nastaví kompenzácia
napäťovej slučky:
fVC =
PBOUT
233
=
= 120Hz
2.π .U BOUT (VEAmax − 0,7).CBOUT 2.π .0,95.400.(6 − 0,7).154,5.10−6
(4.34)
Nastavenie kompenzačného pólu fVC = 120Hz.
fP =
1
U
π .
 PBOUT
2
BOUT

.C BOUT


=
1
 400
π .
 233

2

.154,5.10 −6


= 3Hz
(4.35)
Zisk potom je:
2. f C
2 .120
= 56,56 (35dB )
fP
3
Nastavenie crossover frekvencie pri 25 Hz
f
120
G P ( 25 Hz ) = c =
= 4,8 (13,62dB )
25 25
Zisk bude oslabený o odporový delič
G P ( DC ) =
GR =
=
R FB 2 12.6.10 3
=
= 6,3.10 −3 (− 44 dB )
6
R FB1
2.10
Potom celkový zisk je
G EA = (G P ( 25 Hz ) + G R ) = −(13,62 + ( −44) ) = 30dB (33,05)
(4.36)
(4.37)
(4.38)
(4.39)
Hodnota RVC, spolu s kondenzátormi CVC1,CVC2 nastavujú vysokofrekvenčné
zosilnenie odchýlky, ktoré môže byť určené:
G EA
33,05
=
= 472,142 k Ω
GM
70.10 − 6
Vypočítať CVC1, ktoré spolu s RVC, nastavuje nulovú frekvenciu na 3 Hz.
RVC =
(4.40)
39
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
1
1
= 112,4 nF
2.π .RVC . f P 2.π .472,142 .10 3.3
Vzhľadom k tomu, že pól frekvencie je osem krát väčší ako nulová frekvencia
CVC 1 =
=
(4.41)
CVC 1 112,4.10 −9
(4.42)
=
= 1,4nF
8
8
Kompenzácia prúdovej slučky. Prúdová slučka má byť väčšia ako 10 násobok
CVC 2 =
crossover frekvencie napäťovej slučky, ale nie viac ako šestina spínacej frekvencie. Je
kompenzovaná podobne ako napäťová. Spínacia frekvencia je 65kHz a ja si volím
frekvenciu f = 7kHz.
fC =
RCS 1 .U BOUT
0,3.400
=
= 4,86 kHz
2.π .L .V RAMP 2.π .1,54.10 −3.2,55
(4.43)
Frekvenčný pól
G P ( DC ) =
2. f C
fP
=
2 .4,86.10 3
= 2291 (67,2dB )
3
(4.44)
Konečný zisk pre f = 7kHz
fc
4,86.10 3
(4.45)
=
= 0,69 ( −3,17 dB )
7.10 3
7.10 3
Prúdová slučka ďalej neobsahuje žiadne odpory, takže zisk z chybového zosilňovača
je:
G P ( 7 kHz ) =
G EA = −( −3,17 ) = 3,17 (3,16V / V )
Určenie hodnoty aktuálnej chyby zosilňovača nastavíme rezistorom RIC
G
3,17
R IC = EA =
= 36kΩ
GM
88.10 − 6
(4.46)
(4.47)
1
1
(4.48)
=
≈ 1nF
2.π .R IC . f 2.π .36.10 3.7.10 3
volím desatinu z CIC1. Pomocou týchto kondenzátorov nastavujeme časovú
C IC1 =
CIC2
konštantu a strmosť výstupu prúdového zosilňovača odchýlky.
PWM časť
Tento riadiaci obvod ma zabezpečený aj soft – štart a to kondenzátorom CSS, ktorý
ovláda rýchlosť nárastu výstupného napätia a zabraňuje prekročeniu počas zapnutia.
Regulátor neinicializuje soft - štart až do doby, než napätie PFC dosiahne menovitú
hodnotu. Tak chráni výstupné napätie proti preťaženiu spôsobené nadbytočnými
prúdmi z PFC. PWM je ukončená v prípade poklesu energie, alebo ak jednosmerné
40
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
napätie zo zvyšovacieho meniča PFC klesne pod hodnotu 228V. Hodnotu
kondenzátora volím CSS = 1µF.
Nastavenie frekvencie
Všeobecne platí, že čím menší kondenzátor tým sa bude pracovný cyklus oscilátora
zväčšovať. Frekvencia spínania je určená časovaním RT a CT.
1
1
⋅
(4.49)
4 0,56. RT .CT
maximálny pracovný cyklus privádzaný na GATE tranzistora PFC meniča.
f SW =
DMAX_PFC
Frekvencia spínania zvolená fSW = 65 kHz. Hodnota CT = 1 nF → RT =6,9 kΩ.
D MAX _ PFC = 1 − 360 .C T . f SW = 1 − 360 .1.10 −9.65.10 3 = 0,97
(4.50)
Obmedzenie prúdu.
Výkonový stupeň PWM ovláda v prúdovom móde odpor RCS2 a generuje napätie pre
zníženie kontroly pracovného cyklu. Riadiaci obvod FAN4800 obmedzuje maximálny
primárny prúd cez interný 1V komparátor, ktorý keď prekročí dovolenú hodnotu,
skončí budenie pre výkonové tranzistory. Maximálny primárny prúd je 1,4A.
V napäťovom režime kontroly je nutné poznať špičku napätia na CBOOST a vybrať
správne súčiastky pre generovanie signálu. Podľa rovnice (4.51) najhorší prípad
zvlnenia napätia na CBOOST je špička- špička. Treba nájsť vrcholové napätie, vydeliť
zvlnenie napätia dvomi a pridať to k regulovanému napätiu zo zvyšujúceho meniča.
V R ( CBOOST )
potom:
R RAMP =

1
= I BOUT . 
 4.π . f .C BOOST
2

 + ESR (C BOOST ) 2

(4.51)
δ MAX


U REF
(4.52)

C RAMP . f SW . ln1 −
 U BOUT + 0,5.V R 
Hodnota CRAMP =1nF, δMAX = 0,45. Celková schéma sa nachádza v prílohovej časti.
Vzorce a informácie k výpočtovej časti a návrhu FAN4800 nájdete v aplikačnom liste
(Fairchild Semicondustor Corporation, 2009).
4.5.3 Návrh výstupného filtra a transformátora
41
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Výstupný kondenzátor
Musíme navrhnúť na výstupné napätie UOUT = 12V, IOUT = 16, A. Zvlnenie napätia si
volím 25mV a spínacia frekvencia je fSW = 65kHz. Zvlnenie výstupného prúdu volíme
∆IL = 1A.Vychádzame zo vzťahu:
∆I OUT
Q
1
⇒C
=
= 615µF (4.53)
f SW
∆UOUT
f SW .∆UOUT 65.103.0,025
Použijeme elektrolitický kondenzátor s malou hodnotou sériovej impedancie, pretože
Q = ∆I OUT.
1
, potom C =
od tejto hodnoty nám závisí zvlnenie. Volím kondenzátor 2200µF/16V a jeho sériová
impedancia je 33mΩ.
∆U s = Z .∆I OUT = 0,033.1 = 33mV
(4.54)
Keďže táto hodnota je väčšia, ako dovolené zvlnenie zapojíme k nemu ešte jeden
paralelný kondenzátor taktiež s nízkou hodnotou sériovej impedancie. Volím
kondenzátor 1000µF/16V o sériovej impedancii 47mΩ. To už bude vyhovovať môjmu
zapojeniu, pretože zvlnenie klesne skoro na polovicu.
Výstupná tlmivka
Výstupné napätie je 12V, výstupný prúd 16,5A. Pre zvolenú topológiu zapojenia, čo je
priepustný menič s dvomi spínačmi je činiteľ plnenia δMAX= 0,5, ale to je pre ideálny
prípad, kde sa neráta so stratami. Ja volím δMAX= 0,45. Z rovníc ideálneho prevodu sa
určí δMIN a prevod transformátora.
Prevod vyrátame ako:
N P U BOUT (min) .δ MAX 310.0,45
=
=
= 11,2
NS
U OUT + U F
12 + 0,5
U BOUT (min) 310.0,45
δ MIN = δ MAX .
=
= 0,35
U BOUT
400
Pri kolísaní prúdu v tlmivke 1A vychádzame zo vzťahu:
n=
(4.55)
(4.56)
400
U BOUT
− 12.1,25
− U OUT .1,25
11,2
n
L0 =
⋅ δ MIN .T =
5,38.10 −6 = 111,4 µH
(4.57)
∆I L
1
Predpokladáme z väčšou hodnotou, aby sa neprekročila hranica kolísania prúdu
tlmivkou. Pre prúdy tlmivkou platí pre δMIN:
I L min + I L max
= 16,5 A ⇒ ∆I L = I L max − I L min = 1A
2
ILmax=17A a ILmin=16A. Pre δMAX potom platí:
(4.58)
42
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
400
U BOUT
−12.1,25
−UOUT.1,25
11,2
n
∆I L =
⋅ δ MAX .T =
.0,45.15,38.10−6 ≈ 0,8A
(4.59)
L0
1
Potom ILmax=16,9A a ILmin=16,1A. Ak hodnota prúdu cievkou klesne pod 0,5A, menič
bude pracovať v režime prerušovaných prúdov, čo je možné vidieť na priebehoch,
ktoré sú dodané v prílohách. (Faktor Z.,2002)
Návrh transformátora
Pri návrhu transformátora použijeme údaje, ktoré sme si vypočítali pri návrhu cievky
a to prevod n, a maximálny a minimálny prúd, ktorý preteká cievkou. Z dostupných
typov jadier si volím jadro ETD 39/20/13 (hmota 3C90). Pre hmotu materiálu 3C90 je
hodnota saturačnej indukcie určená BS = 0,34T. Rozmery: Se = 125mm2, Smin =
123mm2 , le = 92,2mm, Ve = 11 500mm3,(Se = SV) hodnota efektívnej permeability µe
=1760. Maximálny a minimálny činný prúd primárnym vinutím transformátora je:
I L max
I
17
16
=
= 1,52 A , I 1 min = L min =
= 1,41 A
(4.60)
n
11,2
n
11,2
Maximálna hodnota magnetovacieho prúdu sa volí do 30 % z hodnoty I1max. Volíme si
I 1 max =
10 % z I1max a to je Im1max = 0,152.
Indukčnosť primárneho vinutia L1:
L1 =
UBOUT.δ min.T 400.0,35.15,38.10−6
L 14,1.10−3
=
= 14,1mH ⇒ L2 = 12 =
= 112,4µH
I m1max
0,152
n
11,22
(4.61)
Počet primárnych závitov určíme:
L1 .l e
14,1.10 −3.92,2.10 −3
=
= 68,5 ≈ 69 závitov
µ 0 .µ e .S e
1,26.10 − 6.1760 .125 .10 −6
Z prevodu určíme počet sekundárnych závitov:
N1 =
(4.62)
N1
69
=
≈ 6 závitov
(4.63)
n 11,2
Pre priepustný menič musí byť hodnota magnetickej indukcie v jadre menšia ako
N2 =
BS/2. Skontrolujeme prepočet závitov, či neprekračuje daný stanovený indukčný zdvih
∆BS. Vychádzame z nerovnosti:
∆B ≤
U BOUT .δ min .T 400 .0,35 .15.10 −3
=
= 0,25T
N 1 .S e .
69.125 .10 − 6
(4.64)
Podmienka je splnená.
43
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
Vypočítame si efektívnu hodnotu prúdu, ktorú budeme potrebovať pre výber prierezu
vodičov:
I1ef
 ∆I12

 0,112

2


= δ max .
− I1max .∆I1 + I1 max  = 0,45.
− 1,52.0,11 + 1,522  = 0,98 A
 3

 3

I 2ef = I1ef .n = 0,98.11,2 = 11A
(4.65)
(4.66)
Pri zvolenej prúdovej hustote σ = 4 A.mm2, zodpovedá prierez primárneho vinutia:
S1cu =
I1ef
σ cu
=
4.S1cu
4 . 0,245
0,98
= 0,245mm 2 ⇒ d =
=
= 0,56mm
π
π
4
(4.67)
Sekundárnym vinutím prechádza prúd o efektívnej hodnote 11A. Pri rovnakej
prúdovej hustote prierez vodiča je:
4.S 2 cu
4 . 0,245
11
(4.68)
= 2,75mm 2 ⇒ d =
=
≈ 2mm
σ cu 4
π
π
Pre obmedzenie elektrického povrchového javu volím lanko o priemere d =0,3mm,
S 2cu =
I 2ef
=
ktorého vodivý prierez je Sd =0,071 mm2 . Aby sme dostali požadovanú plochu
2,75mm2 použijeme na sekundárne vinutie:
S 2 Cu
2,75
=
= 39vodičod
Sd
0,071
Podobným spôsobom dostaneme aj primárnu stranu:
p2 =
(4.69)
S1Cu 0,245
(4.70)
=
≈ 4vodičo
Sd
0,071
Z týchto výpočtov vyplýva, že jeden vodič primárnej strany sa skladá z 3 laniek
p1 =
a jeden vodič sekundárneho vinutia sa skladá z 39 laniek.
Pre indukciu B = 0,25 T si určíme straty z katalógového listu 3C90. Pre spínaciu
frekvenciu 65 kHz sú merne straty ∆Pv =350 kW/m3.Potom celkove straty jadra sú:
(4.71)
∆Pj = ∆PV .Ve = 350.10 3.11500.10 −9 = 4.025W
V spínaných zdrojoch pre prenos malých a stredných výkonov sa transformátory
realizujú na feritových jadrách. Snahou takýchto konštrukčných riešení je, aby
spínacia frekvencia bola čo najvyššia, ale výkonové straty pri daných frekvenciách
boli čo najmenšie. V porovnaní s transformátormi pre zdroje pracujúce so sieťovou
frekvenciou, kde na jeden volt pripadá niekoľko závitov, pri transformátoroch
impulzných zdrojov je to naopak. Takže na jeden závit pripadá niekoľko voltov. To
44
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
zvyšuje nároky na izoláciu vodičov. Prierezy vodičov sa volia podľa prípustných
oteplení, ktoré sú určené efektívnou hodnotou. (Faktor,2002)
45
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA, KME
DIPLOMOVÁ PRÁCA
ZÁVER
Táto práca sa zaoberá návrhom priepustného meniča spolu s PFC regulátorom.
V jednotlivých kapitolách sme sa oboznámili s činnosťou napájacích zdrojov, kde sme
sa zamerali hlavne na impulzné zdroje, ale taktiež som spravil porovnanie týchto
dvoch typov. Ďalej som sa venoval topológii PC zdroja typu AT, jeho rozboru, ktorá
my pomohla pri rozhodovaní a ďalšom navrhovaní impulzného zdroja. V ďalej sa
venujem návrhu impulzného zdroja, kde ako riadiaca súčiastka je použitý obvod
FAN4800, nazývaný aj combo controller, pretože dokáže riadiť PFC menič, a taktiež
priepustný menič s dvomi spínačmi. V práci je spravený prehľad PFC regulátorov
a ich riadenie a návrh obvodov, ktoré sú potrebné pridať k FAN4800 pre činnosť.
V prílohovej časti sú uvedené výsledky a priebehy, ktoré sme dosiahli pri daných
vyrátaných parametroch obvodu. Sú tu taktiež navrhnuté aj súčiastky, pre správny
chod meniča. Posledná časť je venovaná návrhu impulzného transformátora pre
priepustný menič s dvomi spínačmi a výstupného filtra. Priebehy pri daných
vypočítaných parametroch sú zobrazené v prílohovej časti.
46
Zoznam použitej literatúry
FAKTOR, Z.: Transformátory a tlumivky pro spínané napájecí zdroje, BEN technická literatúra, 2002, ISBN 80-86056-91-0
FAIRCHILD SEMICODUCTOR CORPORATION, 2009 dostupné na:
http://www.fairchildsemi.com/ds/FA%2FFAN4800A.pdf
http://www.ferroxcube.com/prod/assets/3c90.pdf
HUBERT, L., JANG, Y., JOVANOVIČ, M,: Performance Evaluation of Bridgeless
PFC Boost Rectifiers, 2007, dostupné na:
http://www.deltartp.com/dpel/dpelconferencepapers/Performance%20Evaluation%20o
f%20PFC_LH.pdf
JANCÍK, M.: Napájací zdroj pre Teslov transformátor, 2009, diplomová práca
KREJČIŘÍK, A.: Napájecí zdroje 1, BEN – technická literatúra, 2002, ISBN 8086056-02-3
KREJČIŘÍK, A.: Napájecí zdroje 2, BEN – technická literatúra, 1996, ISBN 8086056-03-1
POLÁČEK, L.: Power Factor Correction, 2002, dostupné na:
http://www.elektrorevue.cz/clanky/02012/index.html
POWER FACTOR CORRECTION, 2007, dostupné na :
http://www.onsemi.com/tech.support
ŽATKOVIČ, A.: Sieťové napájacie zdroje, dostupné na :
http://alzat.szm.com/zdroje/zdroje.html
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval
samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Vladimíra Vavruša, Phd. a
používal som len literatúru uvedenú v práci.
V Žiline dňa 7. 5. 2010
____________________
podpis
Prílohová časť
Zoznam príloh
Príloha A: Schéma zapojenia PC zdroja typu AT ........................................................... i
Príloha B: Bloková schéma riadiaceho obvodu FAN4800 ........................................... ii
Príloha C: Schéma zapojenia môjho návrhu ................................................................. iii
Príloha D: Priebehy prúdov a napätí z priepustného meniča s dvoma spínačmi .......... iv
Príloha E: Priebehy priepustného meniča v režime prerušovaných prúdov ................. v
Príloha F: Priebehy napätí a prúdu PFC meniča pri UINmax = 265 V ............................ vi
Príloha G: Priebehy napätí a prúdu PFC meniča pri UInmin = 85 V ............................. vii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha A: Schéma zapojenia PC zdroja typu AT
i
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha B: Bloková schéma riadiaceho obvodu FAN4800
ii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha C: Schéma zapojenia môjho návrhu
iii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha D: Priebehy prúdov a napätí z priepustného meniča s dvoma
spínačmi
iv
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha E: Priebehy priepustného meniča v režime prerušovaných prúdov
v
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha F: Priebehy napätí a prúdu PFC meniča pri U INmax = 265 V
vi
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha G: Priebehy napätí a prúdu PFC meniča pri U Inmin = 85 V
vii
Download

návrh napájacieho meniča s využitím súčiastok pc zdroja typu at