ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
28260620102013
MENIČ SO SYNCHRÓNNYM USMERŇOVAČOM
2010
Bc. Milan Findura
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
MENIČ SO SYNCHRÓNNYM USMERŇOVAČOM
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. Peter Hurtuk
Konzultant:
2010
Bc. Milan Findura
Abstrakt
Bc. FINDURA, Milan: Menič so synchrónnym usmerňovačom. [Diplomová práca]
Žilinská univerzita v Žiline. Elektrotechnická fakulta; Katedra mechatroniky a
elektroniky. Vedúci: Ing. Peter Hurtuk. Stupeň odbornej kvalifikácie: Inžinier v odbore
Výkonové polovodičové systémy. Žilina: EF ŽU, 2010. 43 s. a 5 s. príloh.
V prvej časti sa práca zaoberá analýzou súčasného vplyvu riešenia DC/DC
meničov so synchrónnym usmerňovačom. Hovorí o problematike napájacích zdrojoch
používaných v galvanotechnológiách, spínaných zdrojoch a princípe funkčnosti
synchrónneho usmerňovača. V druhej časti sa venuje návrhu DC/DC meniča. Návrh je
overený simuláciou vytvorenou v programe OrCAD. Simulácia tiež porovnáva
synchrónny a diódový usmerňovač. V poslednej časti sa zaoberá skonštruovaním
DC/DC meniča a následne jeho meraním.
II
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
ANOTAČNÝ ZÁZNAM – DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Milan Findura
Akademický rok: 2009/2010
Názov práce: Menič so synchrónnym usmerňovačom
Počet strán: 43
Počet obrázkov: 40
Počet tabuliek: 5
Počet grafov: 1.
Počet príloh: 6.
Počet použ. lit.: 18.
Anotácia v slovenskom jazyku:
Diplomová práca sa zaoberá analýzou napájacích zdrojov používaných
v galvanotechnologických procesoch. Rieši návrh, simuláciu a zároveň realizáciu
DC/DC meniča s výstupnými parametrami 3V a 100A.
Anotácia v anglickom jazyku:
Diploma
thesis
deals
with
the
analysis
of
power
supplies
used
in
galvanotechnological processes. It handles a design scheme, simulation as well as
realization of DC/DC converert with the output parameters 3V and 100A.
Kľúčové slová:
spínaný zdroj, synchrónny usmerňovač, plný most, simulácia, realizácia
Vedúci diplomovej práce: Ing. Peter Hurtuk
Konzultant:
Recenzent: Ing. Ivan Kožehuba
Dátum odovzdania práce: 7. mája 2010
III
Obsah
1
Úvod .............................................................................................................. 1
2
Analýza súčasného stavu v oblasti riešenia DC/DC meničov so
synchrónnym usmerňovačom ..................................................................... 2
2.1
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.3
2.3.1
2.3.2
2.4
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
2.5.5
2.5.6
2.5.7
2.6
2.6.4
2.6.5
3
Návrh a simulačná optimalizácia hlavného obvodu ............................... 23
3.1
3.1.1
3.1.2
3.1.3
3.1.4
3.2
3.2.1
3.2.2
4
Návrh komponentov zdroja ......................................................................... 23
Vysokofrekvenčný transformátor ................................................................ 23
Filtračná tlmivka synchrónneho usmerňovača............................................. 27
Spínacie prvky striedača a usmerňovača ..................................................... 28
Budiaci a riadiaci obvod .............................................................................. 29
Simulácia DC/DC meniča ........................................................................... 29
Simulácia so synchrónnym usmerňovačom ................................................. 30
Simulácia s diódovým usmerňovačom ........................................................ 33
Realizácia funkčnej vzorky hlavného obvodu ........................................ 36
4.1
4.2
5
Galvanotechnológie ....................................................................................... 2
Elektrochemické obrábanie ............................................................................ 2
Galvanické pokovovanie ................................................................................ 2
Ochrana pred koróziou ................................................................................... 3
Napájací zdroj pre galvanotechnológie ......................................................... 4
Zdroje klasickej koncepcie............................................................................. 5
Typické znaky konštrukcie transf. pre zdroje s nízkym UOUT ....................... 6
Zdroj s riadeným usmerňovačom ................................................................... 6
Spínané zdroje ............................................................................................... 7
Pulzne šírková modulácia (PWM) ................................................................. 8
Striedač .......................................................................................................... 9
Schottkyho dióda ......................................................................................... 10
MOSFET ..................................................................................................... 11
Vnútorná štruktúra MOSFET tranzistora..................................................... 12
Parazitná dióda ............................................................................................. 13
Ovládanie MOSFET .................................................................................... 14
Spínacie charakteristiky ............................................................................... 14
Vstupná charakteristika ................................................................................ 15
Vnútorný odpor tranzistora v zopnutom stave ............................................. 16
CoolMOS ..................................................................................................... 16
Synchrónny usmerňovač ............................................................................. 17
Porovnanie synchrónneho a diódového usmerňovača ................................. 18
Riadenie synchrónneho usmerňovača .......................................................... 21
Výsledky získané meraním ......................................................................... 38
Časové priebehy namerané osciloskopom .................................................. 40
Záver ........................................................................................................... 43
IV
Zoznam obrázkov
Obr. 2.1: Princíp galvanického pokovovania ................................................................. 3
Obr. 2.2: Bloková schéma zdroja ................................................................................... 6
Obr. 2.3: Bloková schéma spínaného zdroja ................................................................. 8
Obr. 2.4: Signál PWM modulácie .................................................................................. 9
Obr. 2.5: Grafické zobrazenie signálov PWM modulácie ............................................. 9
Obr. 2.6: Plný most s dvojcestným usmerňovačom – principiálne zapojenie ............. 10
Obr. 2.7: Schematická značka MOSFET tranzistora s vnútornou diódou ................... 12
Obr. 2.8: Štruktúrne usporiadanie D-MOS tranzistora ................................................ 12
Obr. 2.9: Parazitné prvky v štruktúre MOSFET .......................................................... 13
Obr. 2.10: Spínanie MOSFETu.................................................................................... 14
Obr. 2.11: Výstupná charakteristika MOSFETu .......................................................... 15
Obr. 2.12: Štruktúra CoolMOS tranzistora .................................................................. 17
Obr. 2.13: Tretí kvadrant výstupných statických charakteristík .................................. 18
Obr. 2.14: Výstupné charakteristiky ............................................................................ 19
Obr. 2.15 Porovnanie vodivostných strát. ................................................................... 20
Obr. 2.16: Samoriadený dvojimpulzový synchrónny usmerňovač .............................. 21
Obr. 2.17: Dvojimpulzový synchrónny usmerňovač s vonkajším riadením ................ 22
Obr. 3.1: Simulačná schéma DC/DC meniča so synchrónnym usmerňovačom ......... 30
Obr. 3.2: Časový priebeh výstupného napätia UOUT .................................................... 31
Obr. 3.3: Časový priebeh výstupného prúdu IOUT ........................................................ 31
Obr. 3.4: Časový priebeh napätia na primárnom vinutí transformátora ...................... 32
Obr. 3.5: Časový priebeh napätia na sekundárnom vinutí transformátora................... 32
Obr. 3.6: Časový priebeh UDS usmerňovacieho tranzistora ......................................... 32
Obr.3.7: Simulačná schéma DC/DC meniča s diódovým usmerňovačom .................. 33
Obr. 3.8: Časový priebeh výstupného napätia UOUT .................................................... 34
Obr. 3.9: Časový priebeh výstupného prúd IOUT .......................................................... 34
Obr. 3.10: Časový priebeh napätia na sekundárnom vinutí transformátora................. 34
Obr. 3.11: Časový priebeh napätia na usmerňovacej dióde ......................................... 35
V
Obr. 4.1: Navrhnutý DC/DC menič ............................................................................. 36
Obr. 4.2: Schéma zapojenia pomocného budiaceho obvodu ....................................... 37
Obr. 4.3: Doska plošných spojov pomocného budiaceho obvodu ............................... 37
Obr. 4.4: Schéma zapojenia Start-UP obvodu ............................................................. 38
Obr. 4.5: Doska plošných spojov Start-UP obvodu ..................................................... 38
Obr. 4.6: Grafická závislosť nameranej účinnosti ....................................................... 40
Obr. 4.7: Priebeh napätia a prúd tečúci primárným vinutím transformátora, pri IOUT
= 10A .................................................................................................................... 40
Obr. 4.8: Priebehy riadiacich impulzov synchrónneho usmerňovača, pri IOUT = 10A 41
Obr. 4.9: Priebehy riadiacich impulzov synchrónneho usmerňovača, pri IOUT = 40A 41
Obr. 4.10: Priebehy napätí sekundárnych vinutí transformátora ................................. 41
Obr. 4.11: Časový priebeh napätia na primárnom vinutí transformátora, Iout = 10A . 42
Obr. 4.12: Časový priebeh riadiacich impulzov na jednom z tranzistorov striedača... 42
Zoznam tabuliek
Tab. 3.1: Parametre jadra ETD44 – 3F3 ...................................................................... 24
Tab. 3.2: Parametre CoolMOS tranzistora 20N60CFD ............................................... 28
Tab. 3.3: Parametre Power MOSFET tranzistora IRFB3206 ...................................... 29
Tab. 3.4: Porovnanie výsledkov simulácie oboch usmerňovačov ............................... 33
Tab. 4.1: Vstupné a výstupne namerané hodnoty DC/DC meniča .............................. 39
VI
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
PWM
Pulse-width modulation
Pulzne šírková modulácia
Full-bridge
Full bridge
Striedač v mostovom zapojení
TR
Transformator
Transformátor
D1-D2
Diode
Diódy
T1-T4
Tranzistore
Tranzistory striedača
Q1-Q2
Tranzistore
Tranzistory syn. usmerňovača
FET
Field Effect Tranzistor
Poľom riadené tranzistory
JFET
Junction Field-Effect Tranzistor
Poľom riadené tranzistory
s PN priechodom
MOSFET
Metal-Oxide- Semiconductor
Field-Effect Tranzistor
Elektrickým poľom riadený
tranzistor
D
Drain
Hradlo tranzistora
G
Gate
Hradlo tranzistora
S
Souce
Hradlo tranzistora
ETD
Type ferite core
Typ feritového jadra
UOUT
Output voltage
Výstupné napätie
UIN
Input voltage
Vstupné napätie
IOUT
Output current
Výstupný prúd
IIN
Input current
Vstupný prúd
L
Inductor
Cievka
C
Capacitor
Kondenzátor
VII
Zoznam symbolov
Symbol
Jednotka
2
Význam symbolu
AL
[µH/n ]
Činiteľ indukčnosti
C
[F]
Kapacita
CDG
[F]
Millerova kapacita
CISS
[F]
Vstupná kapacita tranzistora
f
[Hz]
Frekvencia
T
[s]
Perióda
uiz
[V/závit]
Indukované napätie na závit
d
[cm]
Priemer vodiča
ε
[cm]
Hĺbka vniku
ID
[A]
Prúd tranzistora
IF
[A]
Prúd diódy v priepustnom smere
J
[A/cm2]
Prúdová hustota
L
[H]
Indukčnosť cievky
NP
[-]
Počet závitov ptimárneho vinutia
NS
[-]
Počet závitov sekundárneho vinutia
η
[%]
Účinnosť
PIN
[W]
Príkon
POUT
[W]
Výstupný výkon
d
[cm]
Priemer vodiča
SP
[cm2]
Prierez vodiča primárneho vinutia
SS
[cm2]
Prierez vodiča sekundárneho vinutia
VIII
Poďakovanie
Ďakujem Ing. Petrovi Hurtukovi za cenné rady a pripomienky pri vedení
diplomovej práce a všetkým, ktorí mi akoukoľvek formou pomohli. Za technické rady
osobitne ďakujem Bc. Romanovi Radvanovi. Rodine za pomoc a podporu počas
štúdia.
IX
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
1 ÚVOD
Hlavný fyzikálny jav využívaný v galvanotechnologických procesoch je elektrolýza. Je
elektro-chemický rozkladný dej, spôsobený priechodom elektrického prúdu cez roztok, pri
ktorom dochádza k chemickým zmenám na elektródach. Tieto procesy si vyžadujú vysoko
výkonné spínané zdroje. Nízke jednosmerné napätie (jednotky až desiatky voltov), veľký
prúd (tisícky ampérov) a zvlnenie prúdu menšie ako 5% sú najdôležitejšie požiadavky na
zdroj. Pri týchto požiadavkách vznikajú značné straty na polovodičových štruktúrach.
Cieľom tejto diplomovej práce je navrhnúť zdroj so synchrónnym usmerňovačom.
Vysvetľuje princíp činnosti synchrónneho usmerňovača. Usmerňovacím prvkom je
MOSFET tranzistor.
Výhodou oproti klasickému diódovému usmerňovaču sú nižšie
vodivostné straty. Ďalším krokom v práci je overenie návrhu simuláciou pomocou
programu OrCAD. Záver diplomovej práce tvorí realizácia DC/DC meniča a jeho
praktické overenie činnosti.
1
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2 ANALÝZA SÚČASNÉHO STAVU V OBLASTI
RIEŠENIA DC/DC MENIČOV SO
SYNCHRÓNNYM USMERŇOVAČOM
2.1 GALVANOTECHNOLÓGIE
2.1.1 Elektrochemické obrábanie
Elektrochemické obrábanie je metóda beztrieskového (bezsilového) obrábania
elektricky vodivých materiálov. Využíva poznatky o pôsobení elektrického prúdu na
elektrolyt. Podstatou metódy je fyzikálny jav nazývaný elektrolýza.
Obrábaná súčiastka (obrobok) je ponorená do elektrolytu, je zapojená ako anóda a
dochádza na nej k reakcii, pri ktorej sa katióny elektrolytu zlučujú s aniónmi kovu na
povrchu a postupne rozrušujú (uberajú) kov z anódy, anóda kopíruje tvar katódy
(nástrojovej elektródy). Z teoretických rozborov plynie, že najväčšia rýchlosť rozpúšťania
kovu je pri minimálnej pracovnej medzere medzi elektródami. Tým sa riadi regulácia
prísunu nástrojovej elektródy pri obrábaní – účelom je udržanie stále rovnakej veľkosti
(minimálnej možnej – asi 0,05 – 1mm) pracovnej medzery. V pracovnej medzere medzi
nástrojom a obrobkom je hustota prúdu až 1000A.cm-2, pri pracovnom napätí 5 – 30V.
Hlavné zákonitosti elektrochemického obrábania sú dané Faradayovými zákonmi,
teóriou elektrolitov a termodynamikou galvanických článkov. (Havrila, 2002)
2.1.2 Galvanické pokovovanie
Pokovovanie elektrickým prúdom (galvanické pokovovanie) je najrozšírenejší spôsob
povrchovej úpravy. Tak ako u elektrochemického obrábania, aj u galvanických pochodov
je podstatou elektrolýza. Je to elektrický rozklad vodných roztokov solí toho kovu, ktorý
chceme nanášať. Kov uvoľnený rozkladom sa vylučuje na katóde, na ktorú zavesujeme
predmety, ktoré chceme pokovovať. Kov, ktorým pokovujeme, zavesujeme do kúpeľa ako
anódu, ktorá sa rozpúšťa. (Obr. 2.1)
Keď má byť galvanické pokovovanie dobré a trvanlivé, je potrebné venovať príprave
povrchu náležitú starostlivosť (dobré odmastenie, vyleštený základný kov). Galvanickým
2
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
pokovovaním získavame povlaky medi, mosadze (hlavne ako medzivrstvy pre striebrenie,
niklovanie a chrómovanie), niklu (lesklé niklovanie, čierne niklovanie), chrómu (lesklé
chrómovanie, tvrdé chrómovanie), zinku, kadmia, striebra a cínu. (Havrila, 2002)
1 – jednosmerný zdroj
elektrickej energie,
2 – anóda,
3 – katóda (pokovovaný
predmet),
4 – kúpeľ (elektrolyt)
Obr. 2.1: Princíp galvanického pokovovania
2.1.3 Ochrana pred koróziou
Galvanické pokovovanie používame nielen ako prostriedok pre zlepšenie vzhľadu
predmetov, ale taktiež ako ochranný prostriedok proti korózii.
Ochranné povlaky sa dajú vytvoriť zlúčeninami chráneného kovu (chemická úprava
povrchu), inými kovmi (pokovovanie) alebo nekovmi (nekovové povlaky). Pred úpravou
musí byť kov vyčistený obrábaním, leštením, hladením a musí byť odmastený organickými
rozpúšťadlami alebo vodným roztokom alkálií. Možno ho čistiť tiež morením a leptaním
v kyselinách.
Korózia je porušovanie kovov chemickými alebo elektrochemickými vplyvmi, ktoré
začínajú na ich povrchu. Príčinou korózie môžu byť aj baktérie. Korózii podliehajú skoro
všetky kovy, hliník, horčík, meď, zinok a ich zliatiny. Menej koroduje meď, cín a okolo.
U ocelí a liatin sú straty koróziou až 30% celkovej výroby.
Príčinou korózie môže byť atmosféra, prírodná a priemyselná voda a chemické činidlá.
Pri vyšších teplotách je účinok korózie väčší. Korózia je povrchová, jamková a
medzikryštalická. Najlepšou ochranou proti korózii je správna voľba materiálu a použitie
povlakov. V chemickom a potravinárskom priemysle sa porušovaný kov spravidla
nahradzuje kovom ušľachtilým alebo odolnejším nekovom. Kde je možné, nahradzujú sa
kovy sklom, porcelánom alebo plastom. (Vasitko, 2001)
3
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.2 NAPÁJACÍ ZDROJ PRE GALVANOTECHNOLÓGIE
Všetky galvanotechnologické procesy si pre svoju činnosť vyžadujú výkonové zdroje
malého jednosmerného napätia, dodávajúce veľké prúdy. Zdroje pre elektrochemické
aplikácie môžeme rozdeliť podľa ich výkonu do niekoľkých kategórií:
a) najmenšie výkony (do 1kVA) – majú zdroje pre menej významné technologické
procesy ako napr. odmasťovanie,
b) stredné výkony (do 40kVA) – typické použitie pre pokovovanie a malé rafinačné
linky
c) veľké výkony (od 100kVA) – používané pre veľké rafinačné linky a výrobu chlóru
a hliníka.
Špecifické vlastnosti vyplývajú z charakteristických vlastností techniky galvanického
pokovovania. Hlavnou požiadavkou je, aby zdroj bol schopný dodávať veľké prúdy pri
nízkom napätí. Je potrebné brať do úvahy aj to, že kúpeľ je zdrojom protinapätia
primeranej veľkosti. Niektoré technologické procesy si vyžadujú, aby bol zdroj schopný
meniť polaritu výstupného napätia.
Potrebné jednosmerné napätie získame z usmerňovača, ktorý je napájaný z distribučnej
siete striedavého napätia s frekvenciou 50Hz. Usmernené napätie obsahuje aj značný
podiel striedavej zložky s frekvenciou 100Hz alebo 300Hz. Táto striedavá zložka rovnakej
frekvencie sa prejaví aj v prúde, ktorý dodávame do galvanického kúpeľa. Pre zmenšenie
striedavej zložky prúdu (zvlnenia prúdu) je potrebné do prúdového obvodu kúpeľa zaradiť
filtračný člen, ktorým býva pre väčšie prúdy výlučne tlmivka. Tá umožňuje potlačiť
zvlnenie prúdu na prijateľnú veľkosť. Vyhladený prúd s minimálnym zvlnením umožňuje
dosiahnuť kvalitnejší povrch, t.j. homogénny povlak naneseného kovu. Nevýhodou je, že
pri minimálnom zvlnení prúdu sú z povrchu pokovovaného materiálu sa horšie odstraňujú
likvidné produkty a musí byť zabezpečené ich odstraňovanie intenzívnejším obmývaním
povrchu. O optimálnej veľkosti zvlnenia prúdu sa vedú mnohoročné diskusie, ale považuje
za prijateľnú úroveň zvlnenia prúdu (2- 5)% jeho strednej hodnoty. (Cetl, 2004)
4
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Veľkosť zvlnenia prúdu má vplyv nielen na kvalitu pokovovania, ale aj na konštrukciu
napájacieho zdroja. Vylúčený materiál je priamo úmerný dobe pokovovania a strednej
hodnote prúdu. Od efektívnej hodnoty prúdu závisia tepelné straty. U vyhladeného prúdu
je stredná a efektívna hodnota rovnaká. Pri silne zvlnenom prúde je efektívna hodnota o
niekoľko percent väčšia, pri prerušovanom prúde môže byť väčšie až o niekoľko desiatok
percent. Požiadavka veľkosti zvlnenia prúdu, závisí od použitia zdroja v konkrétnej
elektrochemickej technológii. U odmasťovaní nie je zvlnenie prúdu rozhodujúce. Iné
technológie si vyžadujú zvlnenie menšie ako (3 – 5)%. Kvôli tomu nie sú konštrukcie
zdrojov pre galvanotechnológie totožné. Je potrebné rozlišovať niekoľko typov zapojenia
obvodov podľa požadovaných parametrov výstupného prúdu, podľa spôsobu riadenia
a spôsobu vyhladzovania. (Cetl, 2004)
2.2.1 Zdroje klasickej koncepcie
Priemyselné zdroje pre galvanotechnológie sú obvykle napájané z trojfázovej rozvodnej
siete. Aby bola splnená podmienka malého zvlnenia, je potrebné zvoliť topológiu
niektorého viac impulzového zapojenia usmerňovača. Do úvahy prichádza šesť impulzové
uzlové alebo mostové zapojenie usmerňovača, pri veľkých výkonoch môžeme použiť
niektoré dvanásť impulzové zapojenie. Požadovaná veľkosť výstupného napätia
galvanizačného zdroja býva v rozmedzí od 3 do 13V, výnimočne do 18 až 24V. Keďže
regulácia napätia v takomto širokom rozsahu by bola veľmi nepraktická, je vhodné
pracovný rozsah rozdeliť do niekoľkých napäťových úrovní, napr. 3 až 7V, 7 až 14V.
Sekundárne vinutie transformátora je rozdelené do niekoľkých častí a pre výstupné napätie
v jednotlivých napäťových úrovniach sa využíva ich paralelné (sériové) radenie. Dôležitým
parametrom zdroja je jeho efektivita. Pri nízkych hodnotách výstupného napätia zdroja je
vhodné, aby počet usmerňovacích prvkov (diód, tyristorov) v prúdovej dráhe bol
minimálny. Dôležité je tiež, aby použité prvky mali minimálny úbytok napätia v
priepustnom smere. Z tohto hľadiska je výhodnejšie uzlové zapojenie, kde je v prúdovej
dráhe iba jeden usmerňovací prvok. U mostíkového zapojenia sú v prúdovej dráhe v sérii
dva prvky. Pri použitie tyristorov (UF = 1,5 V) a napätie zdroja 6 V, predstavuje úbytok na
tyristore 25% výstupného napätia. Použitím mostíkového zapojenie zhoršíme účinnosť
zhruba o ďalších 15%. (Cetl, 2004)
5
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.2.2 Typické znaky konštrukcie transf. pre zdroje s nízkym UOUT
Základný rozdiel od bežných transformátorov, používaných v rozvodných sieťach,
vyplýva z potreby získavať nízke napätie na sekundárnej strane pri veľkých prúdoch. Počet
závitov na volt u vinutia transformátora stredného výkonu (6 až 8 kVA) je okolo 1 závitu
na volt. Pre uvedený výkon bude potrebný počet závitov sekundárneho vinutia asi 8, pri
priereze medi 140 mm2. Pri vyšších výkonoch transformátorov sa bude počet závitov
zmenšovať až k jednému závitu. Prierez vodičov sa bude zvyšovať, takže sekundárne
vinutie napokon bude realizované len jedným alebo niekoľkými málo závitmi, najčastejšie
z medeného pasu alebo plechu. Primárne vinutie s vyšším počtom závitov a podstatne
menším prierezom vodiča nebude predstavovať žiadne výrobne problémy. (Cetl, 2004)
2.2.3 Zdroj s riadeným usmerňovačom
Riadenie výstupného napätia (strednej hodnoty) môžeme zabezpečiť viacerými
spôsobmi. Najjednoduchšie sa zdá byť použitie tyristorového usmerňovača na sekundárnej
strane transformátora. Reguláciou riadiaceho uhla tyristora je potom možné nastaviť
požadovanú strednú hodnotu výstupného napätia. Problém nastáva, keď pri plnom otvorení
tyristora požadujeme na výstupe veľmi malú hodnotu usmerneného napätia. Príčinou je, že
bežné výkonové tyristory sa pri malej veľkosti blokovacieho napätia správajú podobne ako
tranzistory. Po privedení riadiaceho impulzu zapnú, ale po jeho skončení sa vrátia do
blokujúceho stavu. Aby boli použiteľné, je potrebné použiť taký typ generátora zapínacích
impulzov, ktorý podporuje túto vlastnosť súčiastok.
Principiálne je to zakreslené v blokovej schéme na obrázku 2.2. V prvom bloku je
transformátor pripájaný na rozvodnú sieť s frekvenciou 50Hz, transformované napätie je
usmernené riadeným usmerňovačom (tyristorovým usmerňovačom) v druhom bloku.
Usmernené napätie sa privádza na tlmivku (tretí blok). Posledný blok je kúpeľ. (Cetl,
2004)
Obr. 2.2: Bloková schéma zdroja
6
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Tyristorový riadený usmerňovač je z princípu svojej činnosti zdrojom vyšších
harmonických v priebehu prúdu, ktorý odoberá z distribučnej siete. Je zároveň zdrojom
harmonického napätia v mieste, kde sa zdroj pripája na sieť. Aby boli splnené platné
normy EMC, je potrebné na vstupnej strane zdroja zaradiť odrušovací filter. Tým sa
zvyšuje cena aj hmotnosť zdroja.
Pomocou dnešných výkonových spínacích súčiastok (GTO tyristory, IGBT tranzistory)
môžeme zostrojiť spínané zdroje s využitím šírkovo impulznej modulácie (PWM). Tým
dosiahneme požadované výstupné parametre zdroja pri zvládnuteľných rušivých vplyvoch.
(Cetl, 2004)
2.3 SPÍNANÉ ZDROJE
Účinnosť klasických zdrojov nie je príliš veľká (iba 30 – 50%). Ide o veľké a ťažké
zariadenia s masívnym transformátorom a rozmerným chladičom. Moderná technika sa
preto nahradzuje meničmi a spínanými zdrojmi. Tie majú účinnosť zhruba 80% a ďaleko
menšie rozmery.
Rozmery a hmotnosť transformátoru sú tým menšie, čím väčšia je pracovná frekvencia.
Ak zväčšíme frekvenciu napr. z 50Hz tisíckrát, rozmery transformátora môžeme zmenšiť
tridsaťkrát. Sieťové napätie preto najprv usmerníme mostíkovým usmerňovačom (Gretzov
mostík), filtrujeme kondenzátorom a potom pomocou spínacieho obvodu (striedač)
prevedieme na frekvenciu 100 až 200kHz. Malým transformátorom s feritovým jadrom
napätie vysokej frekvencie transformujeme, spínacími súčiastkami usmerníme a kvalitným
kondenzátorom alebo LC filtrom vyhladíme výstupné napätie. Veľkosť výstupného napätia
môžeme riadiť pulzne šírkovou moduláciou (PWM), ktorá spína striedač. Blokovo je to
znázornené na obrázku 2.3. (Vlček, 2007)
7
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.3: Bloková schéma spínaného zdroja
Obvod riadenia zabezpečuje galvanické oddelenie výstupného napätia od siete. Musí
obsahovať buď pomocný transformátor alebo optický väzobný člen. Tiež obsahuje ochranu
proti skratu na výstupe.
Pre ich vysokú účinnosť a malé rozmery už takmer vo všetkých aplikáciách nahradili
klasické zdroje. Dôkazom toho sú napr. nabíjačky k mobilným telefónom či notebookom.
Ich výrobná cena je pri veľkých sériách priaznivá no vývoj je náročnejší ako pri klasických
zdrojoch. (Vlček, 2007)
2.3.1 Pulzne šírková modulácia (PWM)
Pulzne šírková modulácia, alebo PWM (Pulse Width Modulation) je diskrétna
modulácia pre prenos analógového signálu pomocou dvojúrovňového signálu. Ako
dvojúrovňová veličina môže byť napr. napätie, prúd alebo svetelný tok. Signál je
prenášaný pomocou striedy. Pre demoduláciu takého signálu stačí dolnopriepustný filter.
Vzhľadom k svojím vlastnostiam je pulzne šírková modulácia často využívaná vo
výkonovej elektronike na riadenie veľkosti napätia alebo prúdu. Kombinácia PWM
modulátora a dolnopriepustného filtra býva využívaná aj ako náhrada D/A prevodníka.
Prenosový signál, ktorý nesie informáciu o prenášanej hodnote môže nadobúdať
hodnoty zapnutý/vypnutý (logická 1 / logická 0). Hodnota prenášaného signálu je v
prenose „zakódovaná“ ako pomer medzi stavom zapnutý a celou periódou. Tento pomer sa
nazýva strieda. Je vyjadrený vzťahom (2.1), kde t je doba zopnutia a T je perióda signálu
(obr. 2.4). Vyjadruje sa v percentách. (Wikipedia)
d=
t
.100%
T
(2.1)
8
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.4: Signál PWM modulácie
Obr. 2.5: Grafické zobrazenie signálov PWM modulácie
2.3.2 Striedač
Menič, ktorý zo vstupných jednosmerných elektrických veličín vytvára výstupné
striedavé elektrické veličiny. Poznáme rôzne topológie striedačov, napr.:
a) striedač s vyvedeným stredom vstupného transformátora,
b) striedač v polomostovom zapojení,
c) striedač v mostovom zapojení (plný most). (Špánik, 2008)
9
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.6: Plný most s dvojcestným usmerňovačom – principiálne zapojenie
Zapojenie nazývané plný most (obr. 2.6), sa skladá zo štyroch zhodných tranzistorov. V
každej vetve sa nachádza jeden tranzistor. Zapojenie sa používa pre najvyššie výkony,
kedy je nutné odoberať plný výkon zo skutočne tvrdého zdroja. Nevýhodou plného mostu
je komplikovanejšie budenie jednotlivých tranzistorov, kedy spínajú súčasne tranzistory T1
a T4 a v druhej polperióde T2 a T3. Na mieste jednotlivých tranzistorov je možné použiť
tranzistory MOS s indukovaným kanálom, poprípade JFET tranzistory. V prípade použitia
bipolárnych tranzistorov sa často používajú Darlingtonové dvojice v jednom puzdre pre
zníženie nárokov na ovládanie obvodu.
Tranzistory sú namáhané indukčnými spičkami, vznikajúcimi pri vypínaní indukčnej
záťaže (primárna strana transformátora). Je nutné ich dostatočne napäťovo dimenzovať
a použiť ochranné obvody (diódy, zenerové diódy, RC členy). (Krejčířik, 1998)
2.4 SCHOTTKYHO DIÓDA
Schottkyho dióda je polovodičová súčiastka, ktorá využíva usmerňovaciu vlastnosť
prechodu kov – polovodič. Veľkou výhodou tohto prechodu je, že v ňom nedochádza k
injekci minoritných nosičov náboja. Vedenie prúdu je realizované iba majoritnými
nosičmi, čo prináša radu výhod. Schottkyho prechody majú v priamom smere menšie
úbytky napätia ako prechod PN. Z polovodiča N prechádzajú do kovu elektróny, ktoré v
kove strácajú prebytok svojej energie. To predurčuje Schottkyho diódy na spracovanie
signálu s vysokými spínacími frekvenciami (100 až 300kHz). (Dobrucký, 1995)
10
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Pre výrobu Schottkyho diód sa najčastejšie používa kremík alebo GaAs. Základ
štruktúry tvorí doštička silne dotovaného polovodiča N+. Na tú sa epitaxne nanesie vrstva
typu N. Kontakt kov – polovodič sa vytvára naparovaním. Epitaxne slabo dotovaná vrstva
zaisťuje dióde dobré záverné vlastnosti, silne dotovaná vrstva tak dobrý ohmický kontakt a
malý sériový odpor.
Schottkyho diódy sa používajú v aplikáciách pre veľmi vysoké frekvencie, kde
nahradzujú
hrotové
diódy,
oproti
nim
majú
lepšiu
mechanickú
pevnosť,
reprodukovateľnosť pri výrobe, menší šum a vyššie záverné napätie. Vzhľadom k rýchlym
spínacím časom a malému napätiu v priechodnom smeru sú Schottkyho diódy používané v
spínačoch s dobou zopnutia rádovo ns i menšie, ako ochranné prvky a ako súčiastky
rýchlych logických integrovaných obvodov. Malé napätie v priepustnom smere umožňuje
využívať Schottkyho diódu vo výkonovej technike ako usmerňovače a spínače s väčšou
energetickou účinnosťou, menšími rozmermi a hmotnosťou než klasické diódy. Jedným z
nedostatkov je menšie záverné napätie (10 až 150 V). (Dobrucký, 1995)
2.5 MOSFET
Poľom ovládaný tranzistor (The Field Effect Transistor - FET), hoci štrukturálne
odlišný, poskytuje rovnaké základné funkcie ako bipolárny tranzistor. Rozdiel je v tom, že
FET je ovládaný napätím. Nepotrebuje bázový prúd, ale napätie na to aby sa otvoril.
Elektródy sú nazvané DRAIN (u bipolárneho tranzistora je to kolektor), GATE (u
bipolárneho báza) a SOURCE (u bipolárneho emitor). FET prichádza v dvoch hlavných
variantoch, prispôsobený pre rôzne typy aplikácií: JFET (Junction FET) používaný na
spracovanie malých signálov a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET), používaný
hlavne vo lineárnych alebo výkonovo spínaných aplikácií. (Tulbure, 2007)
11
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 2.7: Schematická značka MOSFET tranzistora s vnútornou diódou
2.5.1 Vnútorná štruktúra MOSFET tranzistora
Obr. 2.8: Štruktúrne usporiadanie D-MOS tranzistora
Prúdová cesta je vytvorená prevrátením vrstvy P pod hradlom Gate. Prúd zdroja preteká
zvisle cez Drain a potom pod oblasťou hradla Gate rozširujúc sa von ako keby tiekol
smerom dole. Typický MOSFET sa skladá z tisícok N+ Source vedených paralelne. Táto
vertikálnej geometrie umožňuje rýchlejšie spínanie a nižší odpor zopnutia (RDS(on)) pri
rovnakom blokovacom napätí. (Locher, 1988)
Vodivý kanál typu N vzniká po priložení kladného napätia UGS pod elektródou hradla
v oblasti P. Vznik kanála sa navonok prejaví ako uvedenie štruktúry do vodivého stavu.
12
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Podmienkou je, že napätie UGS musí prekročiť hodnotu prahového napätia UTH , ktorá býva
u MOSFETov 3 – 5V. Hradlo je galvanicky oddelené od ostatných častí prvku pomocou
vrstvy oxid hradla (SiO2), preto na udržanie prvku v zopnutom stave stačí len minimálny
prúd veľkosti rádovo 10-7 – 10-8A. Budiace obvody preto kryjú len straty potrebné na
nabíjanie a vybíjanie vstupnej kapacity MOSFETu, hlavne Millerovej t.j. kapacity medzi
hradlom Gate a Drainom. (Ovcarčík, 2001)
2.5.2 Parazitná dióda
Obr. 2.9: Parazitné prvky v štruktúre MOSFET
Predchádzajúce verzie MOSFETov boli veľmi náchylné na skokové napätia spôsobené
prechodovými napätiami a tiež mal tendenciu k zapnutiu pod vysokú mieru vzostupu
napätia medzi Drainom a Soursom (dV/dt), obe majú za následok katastrofálne zlyhanie.
Derivácia dV/dt zopnutia bola spôsobená vnútorným parazitným NPN tranzistorom
začleneným vo vnútornej štruktúre tranzistora, schematicky je znázornené na obr. 2.9a.
Tečúci prúdu dobíja Millerovú kapacitu CDG, ktorá pôsobí ako bázový prúd na zapnutie
parazitného NPN tranzistora.
Parazitné NPN tranzistor je potlačený skratovaním N+ source na telo P+ pomocou
metalizáciou Source. Takto sa teraz vytvorila vlastné PN dióda v anti-paralelnom zapojení
s tranzistorom MOSFET (obr. 2.9b). Výrobcovia schválne pripájajú k prvku ďalšiu spätnú
diódu s lepšími dynamickými vlastnosťami, ako má parazitná dióda. Celé sa to spoločne
zapuzdruje. (Locher, 1988)
13
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.5.3 Ovládanie MOSFET
Hlavnou výhodou výkonových MOSFETov je veľmi vysoká spínacia rýchlosť. Prúd
Drainom je priamo úmerný hradlovému napätiu, takže teoreticky dokonalý tranzistor môže
spínať na 50 – 200ps, čo je čas potrebný na prietok prúdu od Source k Drain. MOSFET sa
začína vypínať, ako náhle jeho hradlové napätie poklesne pod jeho prahové napätie.
(Locher, 1988)
2.5.4 Spínacie charakteristiky
Obrázok 2.10a zobrazuje zjednodušený model pre parazitné kapacity výkonového
MOSFETu a 2.10b krivky spínacieho napätia s odporovou záťažou. Existuje niekoľko
rôznych javov počas zopnutia. (Locher, 1988)
Obr. 2.10: Spínanie MOSFETu
Časový interval t1 < t < t2:
Počiatočná doba oneskorenia pri zapnutí td(on) je spôsobená dĺžkou doby zvyšovania UGS
exponenciálne na prahové napätie UGS(th). Časovú konštantu td(on) môžeme určiť pomocou
vzťahu (2.2), kde RS je impedancia generátora hradlového signáli a CGS je kapacita medzi
hradlom G a S.
t d ( on ) = R S .C GS
(2.2)
14
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Časový interval t2 < t < t3:
Keď UGS dosiahne prahovú hodnotu, prúd MOSFETom sa začne zvyšovať a napätie UDS
klesá. Millerová kapacita CDG sa musí nielen vybiť, ale jej hodnota kapacity sa okrem toho
zvyšuje, pretože je nepriamo úmerná napätiu UDG, a to:
C DG =
C DG (0)
(U DG ) n
(2.3)
Časový interval t3 < t < t4:
MOSFET je teraz zopnutý, takže hradlové napätie môže stúpať po jeho hornú hranice.
Vypínací interval t4 < t < t6:
Vypínanie je v opačnom poradí. UGS musí klesnúť na prahovú hodnotu, predtým ako sa
RDS(on) začne zvyšovať. Ak UDS začne stúpať, Millerov jav kvôli CDG znovu nastane a bráni
zvýšeniu UDS ak sa CDG dobíja na napájacie napätie UCC. (Locher, 1988)
2.5.5 Vstupná charakteristika
Obr. 2.11: Výstupná charakteristika MOSFETu
Na obrázku 2.11 sú znázornené výstupné charakteristiky tranzistora. Nachádzajú sa tam
dve odlišné oblasti funkcie označené „lineárna“ a „saturácia“ (oblasť nasýtenia). Pre
pochopenie rozdielu, pripomeňme si, že aktuálna prúdová cesta v MOSFET je cez
15
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
horizontálny kanál vytvorený pod oxidom hradla a potom zvislo cez Drain. V lineárnej
časti funkcie, napätie kanálu, nie je dostatočné pre nosiče (elektróny), na dosiahnutie
maximálnej driftovej rýchlosti alebo ich maximálnej prúdovej hustoty. Statická impedancia
RDS(on) je definovaný vzťahom (2.4)
RDS ( on ) =
U DS
I DS
(2.4)
Ak je zvýšené UDS, nosiče dosiahnu maximálnu driftovú rýchlosť a amplitúda prúdu sa
nemôže zvyšovať. Tranzistor sa chová ako prúdový generátor, čo je vysvetlené tým, že má
vysokú výstupnú impedanciu. To je tzv. oblasť nasýtenia (saturácia). Treba tiež
poznamenať, že v porovnaní oblastí MOSFET a bipolárneho tranzistora, lineárne a
nasýtené oblasti u bipolárneho tranzistora sú presne opačné ako u MOSFET tranzistora.
(Locher, 1988)
2.5.6 Vnútorný odpor tranzistora v zopnutom stave
Odpor zopnutia výkonového MOSFETu je veľmi dôležitý parameter, pretože určuje,
koľko prúdu tranzistor môže viesť pre aplikácie nízkych až stredných frekvencií (menej
ako 200 kHz). Po zapnutí, napätie v priepustnom stave MOSFETu klesne k spodnej
hodnote a jeho RDS(on) je definovaný iba ako podiel napätia a prúdu v priepustnom stave.
Keď je vodivostný prúd ako spínač, vodivostné straty PC sú uvedené vo vzťahu (2.5).
PC = I D ( RMS ) . RDS ( on )
2
(2.5)
Ak chceme minimalizovať RDS(on), je potrebné použiť hradlový signál, ktorý by mal byť
dostatočne veľký pre udržanie prevádzky v lineárnej oblasti, ktorá je to znázornené na
obrázku 2.11. (Locher, 1988)
2.5.7 CoolMOS
Trh si žiada čoraz efektívnejšie a výkonnejšie spínané zdroje pre takmer všetky
spotrebiče, ktoré sú napájané zo siete 230V. Veľkou výzvou pre návrhárov je redukcia
veľkosti pri zvýšení flexibility a mobility používateľov. Nová generácia spínaných zdrojov
musí spĺňať veľmi prísne kritéria, ktorými sú vysoká účinnosť a spoľahlivosť pri
16
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
minimálnej spotrebe v stand-by režime a nízkej úrovni elektromagnetického rušenia.
(SOS)
Týmto podmienkam vyhovujú unipolárne tranzistory nazývane CoolMOS. Oproti
MOSFETom sa líšia v geometrickom usporiadaní vnútornej štruktúry. K pôvodným
kanálikom typu P sa pripojili ďalšie vodivostné kanáliky rovnakého typu a umiestnili sa do
oblasti N- Drain. Graficky je to znázornené na obrázku 2.12.
Hlavné výhody CoolMOS tranzistorov sú: menší odpor zopnutia RDS(on), nižšie spínacie
straty a straty vo vedení, vyššia spínacia frekvencia pri rovnakých celkových stratách.
(Lorenz, 1998)
Obr. 2.12: Štruktúra CoolMOS tranzistora
2.6
SYNCHRÓNNY USMERŇOVAČ
Synchrónny usmerňovač na rozdiel od konvenčného (diódového) usmerňovača používa
na usmernenie MOSFET tranzistory. Musíme ich zapojiť tak, aby po privedení budiaceho
signálu na hradlo Gate, tranzistor pracoval v treťom kvadrante statických výstupných
charakteristík (obr. 2.13). V treťom kvadrante je vodivá aj vnútorná dióda, pretože je
polarizovaná v priepustnom smere. Ak je napätie zdroja opačné, dostávame sa do prvého
17
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
kvadrantu statických charakteristík a vtedy musí byť tranzistor zatvorený. Vidíme, že aj
vnútorná dióda je v blokovacom stave. MOSFET tranzistor je schopný viesť prúd
prakticky pri nulovom napätí UDS. To u diódy nie je možné dosiahnuť kvôli jej prahovému
napätiu UTH. Vodivostné straty diódy sú vyjadrené vzťahom (2.6). Pri synchrónnom
usmernení sa tieto straty neuplatnia. To je hlavný dôvod používania synchrónnych
usmerňovačov. (Hurtuk, 2009)
P = U TH .I F ( AV )
(2.6)
Obr. 2.13: Tretí kvadrant výstupných statických charakteristík
2.6.4 Porovnanie synchrónneho a diódového usmerňovača
Použitím synchrónneho usmerňovača chceme znížiť úbytok napätia v priepustnom
smere a tým aj straty.
Z pohľadu statických charakteristík je výhodnejšie použiť MOSFET tranzistor. Keďže
nemá prahové napätie ako dióda, straty na ňom závisia od odporu štruktúry v zopnutom
stave RDS(on). Výstupná charakteristika MOSFET tranzistora a jeho vnútornej diódy pre
maximálne UGS je znázornená na obr. 2.14a.
Ak je tranzistor otvorený a pracuje v treťom kvadrante výstupných charakteristík, je
schopný viesť od nuly bez prahového napätia. So zväčšujúcim sa prúdom sa zväčšuje aj
úbytok napätia na RDS(on). Keď tento úbytok dosiahne hodnotu prahového napätia UTH
18
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
vnútornej diódy (bod B1), vnútorná dióda sa začne otvárať a výsledný odpor
usmerňovacieho prvku tvorí paralelná kombinácia RDS(on) a dynamického odporu vnútorná
diódy RD. Výsledná výstupná charakteristika je zobrazená na obr. 2.14b. (Ovcarčík, 2001)
Až po hodnotu prahového napätia na osi UDS má charakteristika sklon RDS(on) a vedie
len tranzistor. Potom má sklon výsledného odporu a vedú oba polovodiče. Pomer prúdov
závisí od úbytku napätia na štruktúre.
a) Charakteristika MOSFET tranzistora a jeho vnútornej diódy.
b) Výsledná charakteristika štruktúry.
Obr. 2.14: Výstupné charakteristiky
Napríklad v bode B2 budú oba prúdy rovnaké a ďalej preberá na seba väčšinu záťaže
vnútorná dióda. Stratový výkon pre U < UTH je vyjadrený vzťahom (2.7) pre U ≥ UTH
vzťahom (2.8). (Ovcarčík, 2001)
∆PSU1 = R DS(on) .I D
∆PSU2 =
R DS(on) .R d
R DS(on) + R d
2
.I D
(2.7)
2
(2.8)
19
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
∆PSU2 =
R DS(on) .R d
R DS(on) + R d
.I D
2
V prípade konvenčného usmerňovača je do obvodu zaradená len usmerňovacia dióda. Z
jej vonkajšej charakteristiky je vidieť trvalý úbytok napätia (prahové napätie) a navyše
úbytok napätia na jej dynamickom odpore RD. Stratový výkon diódy je daný vzťahom
(2.9). Na obr. 2.15 je znázornené porovnanie vodivostných strát pre synchrónny a diódový
usmerňovač. (Ovcarčík, 2001)
∆PD = U T .I D + R d .I D
2
(2.9)
2
UT.I+R
d .ID
D
∆P
Rd .R DS(on) 2
Rd +RDS(on) ID
2
RDS(on) .ID
UT.ID
0
ID
Obr. 2.15 Porovnanie vodivostných strát.
Okrem vodivostných strát vznikajú na polovodičoch aj zapínacie a vypínacie
straty, straty vplyvom komutácie prvkov usmerňovača a riadiace straty. Tieto závisia od
konkrétnej topológie obvodu usmerňovača. Do riadiacich strát zahrňujeme energiu
potrebnú na nabíjanie a vybíjanie celkovej vstupnej kapacity MOSFETu. Tie sa zväčšujú
so zvyšujúcou sa frekvenciou.
Z uvedených argumentov vyplýva, že synchrónnym usmerňovačom je možné dosiahnuť
lepšiu účinnosť meniča. (Ovcarčík, 2001)
20
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
2.6.5 Riadenie synchrónneho usmerňovača
Na hradlo MOSFET tranzistora musíme privádzať riadiaci signál synchrónne s časom,
kedy by viedla len dióda. Preto hovoríme o ňom, ako o synchrónnom usmerňovači.
Používame dva druhy riadenia:
a) Samoriadenie tranzistorov synchrónneho usmerňovača
b) Vonkajšie riadenie
Princíp samoriadeného usmerňovača spočíva v tom, že na riadenie tranzistorov sa
využíva priamo z napätia sekundárneho vinutia transformátora (obr. 2.16). S topológiami
meničov na primárnej strane transformátora sa mení tvar riadiacej krivky, na ktorú sú
kladené určité požiadavky. Napäťové úrovne musia byť dostatočne vysoké na bezpečné
zopnutie tranzistora a nie príliš vysoké kvôli hradlovej bezpečnosti. Rýchly prechod: Ak
nie je tranzistor zopnutý a jeho interná dióda už vedie, vznikajú na nej prídavné straty.
Energiu riadenia použitú na nabitie parazitných kapacít MOSFETu by sme mali využiť
z ďalšieho parazitného induktívneho komponentu výkonového stupňa, ako magnetizačnej
alebo rozptylovej indukčnosti transformátora. (Ovcarčík, 2001)
Obr. 2.16: Samoriadený dvojimpulzový synchrónny usmerňovač
Príklad synchrónneho usmerňovača s vonkajším riadením je na obr. 2.17. Riadenie
MOSFET tranzistorov je pomocou špeciálneho riadiaceho a budiaceho obvodu. Týmito
obvodmi je generovaný riadiaci signál. Musia byť dodržané presné časovania signálov, čo
21
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
je najkritickejším miestom tohto prístupu. Časovanie riadiacich signálov môžeme získať
dvomi základnými spôsobmi. (Ovcarčík, 2001)
Prvý spôsob je založený na získavaní vstupných informácií (signálov) z hlavných
tranzistorov na primárnej strane výkonového transformátora. Najdôležitejšie sú presné
oneskorenia riadiacich signálov privádzane na hradlá MOSFET tranzistorov usmerňovača.
Keďže snímame signály na primárnej strane transformátora, musíme zabezpečiť elektrickú
izoláciu medzi primárnou a sekundárnou stranou meniča. To dosiahneme galvanickým
oddelením pomocou elektronických prvkov (optočlenom).
Druhý spôsob je pomocou signálu detekcie vodivosti tranzistorov synchrónneho
usmerňovača.
Pri vonkajšom riadení vznikajú prídavné riadiace straty. Výhodou vonkajšieho riadenia
je nemennosť riadiacich signálov vplyvom premenlivosti záťaže a ľahká hradlová ochrana.
Je to drahšie riešenie, ako samoriadenie synchrónneho usmerňovača. (Ovcarčík, 2001)
Obr. 2.17: Dvojimpulzový synchrónny usmerňovač s vonkajším riadením
22
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3 NÁVRH A SIMULAČNÁ OPTIMALIZÁCIA
HLAVNÉHO OBVODU
Všetky napájacie zdroje majú svoje špecifické požiadavky. Závisí to od aplikácií
v ktorých sa budú používať. Zdroje pre galvanotechnológie si vyžadujú vysoký vystupný
výkon pri nízkom jednosmernom napätí a veľkých prúdoch. K realizácii takéhoto zdroja
sme sa rozhodli, že použijeme spínaný zdroj. Výhody takéhoto zdroja boli opísane
v kapitole 2.3.
Navrhovaný DC/DC menič ma tieto požiadavky:
a) výstupné napätie UOUT = 3V
b) výstupný prúd IOUT = 100A
c) spínacia frekvencia 100kHz
d) napájacie jednosmerné napätie UIN = 325V
e) zvlnenie výstupného prúdu menej ako 5%
Pre striedač napájajúci vysokofrekvenčný transformátor sme zvolili dvojčinné zapojenie
striedača v mostovom zapojení (Full Bridge – plný most). Výstupné napätie VF
transformátora bude usmernené synchrónnym usmerňovačom. Rozhodli sme sa pre
topológiu dvojimpulzového synchrónneho usmerňovača s vonkajším riadením (obr. 2.17).
Tieto topológie sme zvolili na základe požadovaného výkonu DC/DC meniča.
3.1 NÁVRH KOMPONENTOV ZDROJA
3.1.1 Vysokofrekvenčný transformátor
Z dostupných materiálov poskytnutých školou, na skonštruovanie VF transformátora
použijeme feritové jadro typu ETD44 s materiálom 3F3 od výrobcu Ferroxcube. Výrobca
udáva tieto Parametre jadra udávané výrobcom sa nachádzajú v tabuľke 3.1. (Ferroxcube,
2008)
23
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Tab. 3.1: Parametre jadra ETD44 – 3F3
Symbol
∑(l/S)
Ve
Ie
Se
AL
µe
Parameter
faktor jadra
efektívny objem
efektívna dĺžka
efektívny prierez jadra
činiteľ indukčnosti
permeabilita
Hodnota
0,589
17800
103
173
3500 ±25%
1660
Jednotka
mm-1
mm3
mm
mm2
nH
-
Magnetickú indukciu volím 0,1 T aby sa jadro nepresycovalo a boli malé magnetizačné
straty Pri použitom Full bridge zapojení meniča je jadro transformátora magnetizované
obojsmerne, preto uvažujem s dvojnásobkom zvolenej magnetickej indukcie. Keďže
frekvencia spínania f = 100kHz, potom perióda T:
T=
1
1
=
= 10 µs
f 100.10 3 Hz
(3.1)
Maximálny čas jednosmerného magnetizovania jadra transformátora ∆t:
∆t =
T 10 µs
=
= 5µs
2
2
(3.2)
Potom indukované napätie na závit je dané vzťahom:
∆φ 2.∆B.S 2.0,1T .173mm 2
u iz =
=
=
= 6,92V / závit
∆t
∆t
5µs
(3.3)
(Hurtuk, 2009)
Sekundárne vinutie:
Vzhľadom na použité zapojenie synchrónneho usmerňovača s vyvedeným stredom
transformátora bude mat sekundárne vinutie dve časti . Požadované napätie sekundárnej
strany transformátora US vypočítam s uvažovaním úbytku napätia na tranzistore a tlmivke:
U S = U VÝST + U D + U RL = 3V + 1,3V + 1V = 5,3V ,
(3.4)
kde UVÝST je výstupné napätie zdroja, UD je úbytok napätia na vnútornej dióde
usmerňovacieho tranzistora a URL je úbytok napätia na výstupnej tlmivke.
24
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Počet závitov sekundárneho vinutia:
US
5,3V
=
= 0,766 závitu ~ 1závit
u iz 6,92V / závit
NS =
(3.5)
US = 5,3V bude indukovať na jednom závite, výsledné uizv sa nezmení:
U S 5,3V
=
= 5,3V
NS
1
(3.6)
u .∆t
∆φ 2.∆B.S
5,3V .5.µs
=
⇒ ∆B = izv
=
= 0,0766T
∆t
∆t
2.S
2.173.mm 2
(3.7)
u izv =
Potom výsledná indukcia je:
u izv =
Prúd sekundárnym vinutím transformátora IS = 100A. Vo vinutí transformátora počítam
s prúdovou hustotou: J≤ 4 A/mm2. Potom prierez vodiča sekundárneho vinutia je:
S SEC =
I
100 A
=
= 25mm 2
J 4 A.mm − 2
(3.8)
Pretože pracujeme so spínacou frekvenciou 100kHz prejaví sa skinefekt. Ten spôsobuje
vytláčanie prúdu na povrch vodiča, čím sa zmenší jeho efektívny prierez a dochádza k
prehrievaniu vodiča. Povrch vodiča je možné zväčšiť použitím zväzkového vodiča alebo
vodiča v tvare pásika. Je potrebné určiť hĺbku vniku δ, ktorá určí, v akej hĺbke pod
povrchom vodiča ešte tečie dostatočne veľký prúd na to, aby bol vodič plne využitý.
(Hurtuk, 2009)
δ=
75
f
=
75
100.10 3 Hz
= 0,237 mm
(3.9)
Polomer vodiča nemá byť väčší ako 0,237mm. Vzhľadom na dostupnosť materiálu
použijem zväzový vodič 12 x 0,65mm (kde 12 je počet vodičov a 0,65 je priemer jedného
vodiča), ktorého prierez SZV je:
S ZV = 12.π .r 2 = 12.π .0,325 2 = 3,98mm 2
(3.10)
Počet zväzkových vodičov sekundárneho vinutia ps je:
ps =
S SEC
25mm 2
=
= 6,28
S ZV
3,98mm 2
(3.11)
25
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Vzhľadom na rozmery a konštrukciu jadra transformátora, volíme počet zväzkových
vodičov sekundárneho vinutia ps = 5. (Hurtuk, 2009)
Primárne vinutie:
Počet závitov primárneho vinutia určíme vzhľadom na minimálne vstupné napätie (t.j.
10% napájacieho napätia) aby sa naindukovalo vypočítané napätie na závit uizv:
NP =
U VST (min)
=
u izv
292,5V
= 42,27 ~ 43 závitov
6,92V / závit
(3.12)
Veľkosť maximálneho prúdu primárnym vinutím transformátora vypočítam pomocou
približnej veľkosti vstupného výkonu a hodnoty minimálneho vstupného napätia zdroja.
Vstupný výkon:
PVST =
PVÝST
η SZ
U VÝST .I VÝST
=
η SZ
=
3V .100 A
= 306,12 W
0,98
(3.13)
Vstupný prúd:
I VST max =
PVST
U VST min
=
306,12W
= 1,046 A
292,5V
(3.14)
Prierez vodiča primárneho vinutia transformátora je:
S PRIM =
I PRIM 1
1,046 A
=
= 0,26mm 2
−2
J
4 A.mm
(3.15)
Priemer vodiča, ktorý použijeme na primárne vinutie vypočítame:
S PRIM =
π .d 2
4
⇒d =
4.S PRIM
π
=
4.0,26mm 2
π
= 0,57 mm ,
(3.16)
Volíme priemer vodiča d = 0,65mm. (Hurtuk, 2009)
Pomocné vinutie
Na transformátor ešte musíme navinúť dve pomocné vinutia ktorými budeme napájať
budiaci obvod a obvod so spätnou väzbou. Požadované napätie pomocného vinutia je 20V.
26
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Počet závitov pomocného vinutia určime nasledujúcim vzťahom:
NP =
U VST (min)
u izv
=
20V
= 2,89 ~ 3 závity
6,92V / závit
(3.17)
Na navinutie pomocného vinutia použijeme taktiež vodič s priemerom 0,65mm. (Hurtuk,
2009)
3.1.2 Filtračná tlmivka synchrónneho usmerňovača
Tlmivka navrhujeme pre maximálne vstupné napätie UVST(max), minimálny pracovný
cyklus DMIN a maximálne zvlnenie výstupného prúdu 5% ktoré je vhodné pre
galvanotechnológie.
DMIN =
U VÝST (max) + U D Np 3V + 1,3V 43
⋅
=
⋅
= 0,569
U VST (max)
Ns
325V
1
(3.18)
Maximálne zvlnenie výstupného prúdu:
∆I VÝST =
PVÝST ⋅ 0,05
UVÝST (max)
=
300W ⋅ 0,05
= 5A
3V
(3.19)
Potom indukčnosť výstupnej tlmivky L je:
L=
(U
VÝST (max)
)
+ U D ⋅ (1 − DMIN )
∆I VÝST ⋅ f
=
(3V + 1,3V ) ⋅ (1 − 0,513) = 3,71µH
5 A ⋅ 100.10 3 Hz
(3.20)
Maximálna hodnota prúdu IL(PK) tečúceho tlmivkou L s uvažovaným zvlnením je:
I L ( PK ) = I L (max) +
∆I VÝS T
2
= 100 +
5
= 102,5 A
2
(3.21)
IL(max) je maximálna hodnota efektívnej hodnoty prúdu tlmivkou. Magnetické jadro
tlmivky musí vyhovovať podmienke:
WL = L ⋅ I L2( PK ) = 3,71 ⋅ 10 −6 H ⋅ (102,5 A) 2 = 38,98mHA 2
(3.22)
Z dostupnosti materiálu sme použili magnetické jadro ktorého činiteľ indukčnosti sme
zistili meraním. AL = 225nH
Minimálna indukcia AL(min) je:
27
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
AL (min) = AL ⋅ 0,92 = 225.10´−9 H ⋅ 0,92 = 207nH / závit
(3.23)
Počet závitov NL tlmivky L je:
NL =
L
AL (min)
3,71.10 −6 H
= 4,23 závitov ~ 5 závitov
207.10 −9 H
=
(3.24)
Prierez vodiča tmivky:
SL =
I L (max)
J
=
102,5 A
= 25,63mm 2
−2
4 A.mm
(3.25)
Použijem zväzkový vodič 12 x 0,65mm. (Hurtuk, 2009)
3.1.3 Spínacie prvky striedača a usmerňovača
Pri výbere vhodných spínacích prvkoch musíme brať do úvahy napäťové a prúdové
namáhanie. Vypočítame ich pomocou vzťahov (3.26) a (3.27). (ON – SEMICODUCTOR,
2002)
I DS =
U DS = 1.U IN max = 325V
(3.26)
1,2.POUT 1,2.300W
=
= 1,23 A
U IN min
292,5V
(3.27)
Pri výbere vhodných tranzistorov pre striedač (Full bridge) berieme do úvahy, aby mali
nízky odpor zopnutia RDS(on). Rozhodli sme sa pre použitie CoolMOS tranzistora
20N60CFD, ktorého parametre získané z katalógového listu sú uvedené v tabuľke 3.2.
(Infineon, 2006)
Tab. 3.2: Parametre CoolMOS tranzistora 20N60CFD
Symbol
Parameter
Hodnota
Jednotka
IDS
Maximálny prúd tranzistorom
20,7 A
UDS
Maximálne blokovacie napätie
600 V
Odpor v zopnutom stave
0,22 Ω
RDS(on)
tr
Doba nábehu
15 ns
tf
Doba vypnutia
6,4 ns
Ciss
Vstupná kapacita
2400 pF
28
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Pre výber MOSFET tranzistorov použitých v synchrónnom usmerňovači, musíme klásť
dôraz na čo najmenší odpor zopnutia RDS(on). Pri požadovanom výstup prúde 100A
vznikajú veľké stratové výkony. Z parametrov získaných z katalógového listu, sme sa
rozhodli pre tranzistor IRFB3206. Parametre tohto tranzistora sú uvedené v nasledujúcej
tabuľke 3.3. (International Rectifier, 2009)
Tab. 3.3: Parametre Power MOSFET tranzistora IRFB3206
Symbol
Parameter
Hodnota
Jednotka
IDS
Maximálny prúd tranzistorom
120 A
UDS
Maximálne blokovacie napätie
60 V
RDS(on)
Odpor v zopnutom stave
3 mΩ
tr
Doba nábehu
82 ns
tf
Doba vypnutia
83 ns
Ciss
Vstupná kapacita
6540 pF
3.1.4 Budiaci a riadiaci obvod
Všetky MOSFET tranzistory použité v obvode sú budené budiacim transformátorom.
Na jednom jadre budiaceho transformátora sa nachádza 7 vinutí. Jedno primárne a šesť
sekundárnych vinutí. Transformačný pomer týchto vinutí je 1:1. Na vstup transformátora
sa privádza signál, ktorý generuje budiaci obvod MC33152.
Vstupom pre budiaci obvod je výstup PWM regulátora SG3525. Tento obvod slúži na
riadenie tranzistorov a riadenie spätnej väzby. Na galvanické oddelenie použijeme
optočlen PC817.
3.2 SIMULÁCIA DC/DC MENIČA
Správnosť návrhu jednotlivých komponentov zdroja si môžeme overiť simuláciou.
Simuláciu vykonáme pomocou programu OrCAD. Zameriame sa hlavne na výstupné
napätie a prúd, výkonové straty vzniknuté na tranzistoroch synchrónneho usmerňovača.
Súčasťou simulácie je porovnanie výstupných údajov synchrónneho usmerňovača
a diódového usmerňovača.
29
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.2.1 Simulácia so synchrónnym usmerňovačom
Obr. 3.1: Simulačná schéma DC/DC meniča so synchrónnym usmerňovačom
Po navinutí výkonového transformátora sme odmerali skutočnú indukčnosť vinutí a aj
ich rozptylové indukčnosti. Tieto hodnoty sme použili aj v simulácií, aby sme dosiahli
najdôveryhodnejšie výsledky. Cievky L1, L2 a L3 reprezentujúce primárne a sekundárne
vinutia. Medzi jednotlivými vinutiami transformátora je vzájomná indukčná väzba
realizovaná funkciou K_Linear. Prvky L6, D3 a D4 slúžia na útlm napäťových špičiek
vzniknutých spínaním tranzistorov plného mostu. Rovnakú úlohu spĺňajú R-C členy
pripojené na primárnej a sekundárnej strane transformátora. Tým dosiahneme menšie
spínacie straty v obvode.
Na riadenie jednotlivých MOSFET tranzistorov sme použili impulzný zdroj. V1 a V2
slúži na nastavenie počiatočného a špičkového napätia. TD je počiatočná doba
s počiatočným napätím, TR a TF sú doby vzostupnej a zostupnej hrany. Parametrom PW
nastavujeme šírku impulzu, pomocou PER nastavujeme periódu.
3.2.1.1
Výsledky simulácie
Stredná hodnota výstupného napätia dosiahla hodnotu 3,23V. Jeho priebeh je
znázornený na obr. 3.2. Nameraný prúd tečúci záťažou je rovný 107,54A. Časový priebeh
30
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
je na obr. 3.3. Dosiahnutá účinnosť simuláciou je 81,2%. Najväčšie výkonové straty sú na
tranzistoroch synchrónneho usmerňovača. Na jednom tranzistore je až 20,86W stratového
výkonu. Pri realizácií sa musíme zamerať hlavne na chladenie týchto prvkov.
3.2.1.2
Časové priebehy
3.24V
3.23V
3.22V
3.21V
3.10667ms
3.11000ms
V(R7:2)
3.11500ms
3.12000ms
3.12500ms
3.13000ms
3.13500ms
3.13867ms
Time
Obr. 3.2: Časový priebeh výstupného napätia UOUT
108.0A
107.8A
107.6A
107.4A
107.2A
107.0A
2.502ms
-I(R7)
2.504ms
2.506ms
2.508ms
2.510ms
2.512ms
2.514ms
2.516ms
2.518ms
2.520ms
2.522ms
Time
Obr. 3.3: Časový priebeh výstupného prúdu IOUT
31
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
383V
200V
0V
-200V
-400V
2.86703ms
2.87000ms
V(R11:1,C3:1)
2.87500ms
2.88000ms
2.88500ms
2.89000ms
2.89500ms 2.89811ms
Time
Obr. 3.4: Časový priebeh napätia na primárnom vinutí transformátora
19.8V
10.0V
0V
-10.0V
-20.0V
2.450ms
2.452ms
V(R9:2,R10:2)
2.454ms
2.456ms
2.458ms
2.460ms
2.462ms
2.464ms
2.466ms
2.468ms
2.470ms
2.472ms
Time
Obr. 3.5: Časový priebeh napätia na sekundárnom vinutí transformátora
19.8V
16.0V
12.0V
8.0V
4.0V
0V
-4.0V
3.136ms
3.140ms
V(R9:2,M24:source)
3.144ms
3.148ms
3.152ms
3.156ms
3.160ms
3.164ms
3.168ms
3.172ms
Time
Obr. 3.6: Časový priebeh UDS usmerňovacieho tranzistora
32
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
3.2.2 Simulácia s diódovým usmerňovačom
V tejto simulácií nahradím MOSFET tranzistory BSC022N03S Schottkyho diódami
typu 160CMQ045. Sú stavané na prúd IF(AV) = 160A a napätie UR = 45V.
Obr.3.7: Simulačná schéma DC/DC meniča s diódovým usmerňovačom
3.2.2.1
Výsledky simulácie
Pre prehľadnejšie porovnanie synchrónneho a diódového usmerňovača, výsledky
získané simuláciou uvediem v tabuľke 3.4.
Tab. 3.4: Porovnanie výsledkov simulácie oboch usmerňovačov
Symbol
Diódový usmerňovač
Synchrónny usmerňovač Jednotka
IOUT(AV)
103,26
107,54
A
UOUT(AV)
3,09
3,23
V
η
76,08
81,2
%
33
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Časové priebehy
3.2.2.2
3.110V
3.105V
3.100V
3.095V
3.090V
3.085V
2.800ms
V(R7:2)
2.804ms
2.808ms
2.812ms
2.816ms
2.820ms
2.824ms
2.828ms
Time
Obr. 3.8: Časový priebeh výstupného napätia UOUT
103.60A
103.40A
103.20A
103.00A
102.88A
3.22006ms 3.22200ms
-I(R7)
3.22400ms
3.22600ms
3.22800ms
3.23000ms
3.23200ms
3.23400ms
3.23600ms
3.23800ms
3.24000ms
3.24200ms
3.24400ms
Time
Obr. 3.9: Časový priebeh výstupného prúd IOUT
20V
10V
0V
-10V
-20V
2.605ms
V(R9:2,R10:2)
2.610ms
2.615ms
2.620ms
2.625ms
2.630ms
2.635ms
2.640ms
2.645ms
2.650ms
Time
Obr. 3.10: Časový priebeh napätia na sekundárnom vinutí transformátora
34
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
19.9V
16.0V
12.0V
8.0V
4.0V
0V
-3.0V
3.4802ms
3.4840ms
V(D5:C,D5:A)
3.4880ms
3.4920ms
3.4960ms
3.5000ms
3.5040ms
3.5080ms
3.5120ms
3.5160ms
3.5200ms
Time
Obr. 3.11: Časový priebeh napätia na usmerňovacej dióde
35
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
4 REALIZÁCIA FUNKČNEJ VZORKY HLAVNÉHO
OBVODU
Po navrhnutí prvkov a ich overení simuláciou sme začali s realizáciou funkčnej vzorky.
Pri návrhu dosky plošných spojov sme si dopomohli s programom EAGLE.
Keďže za sekundárnou časťou výkonového transformátora bude tiecť 100A, plocha
medi v tejto oblasti musí mať najväčšiu možnú plochu. Tieto cestičky ešte budeme
zosilňovať medenými plátmi. Súčiastky budeme osadzovať na dvojvrstvovú dosku
plošných spojov. Pre lepšiu stabilitu obvodu, sme sa snažili aby GND bola rozliata v jednej
vrstve. Menič sme navrhli tak, aby bolo možné ho pripojiť aj na rozvodnú sieť 230V AC.
Preto je tam použitý mostový usmerňovač a filtračný kondenzátor, ktorý ďalej napája
jednosmernú stranu meniča. Návrh dosky plošných spojov je uvedený v prílohovej časti.
Chladič
striedača
Budiaci
transformátor
Start-UP
obvod
Budiaci obvod
Prúdový
transformátor
Synchrónny
usmerňovač
Výkonový
transformátor
Filtračná
cievka
Obr. 4.1: Navrhnutý DC/DC menič
36
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Po osadení a oživení meniča sme zistili, že budiaci obvod MC33152 sa prehrieval.
K prehriatiu došlo vplyvom veľkého odberu budiaceho transformátora, ktorý napájal
spínacie aj usmerňovacie tranzistory. Aby sme budiaci obvod nepoškodili, nahradili sme
ho zapojením uvedeným na obrázku 4.2. Doska plošných spojov pomocného budiaceho
obvodu je znázornená na obrázku 4.3.
Obr. 4.2: Schéma zapojenia pomocného budiaceho obvodu
Obr. 4.3: Doska plošných spojov pomocného budiaceho obvodu
Start-UP obvod slúži ako náhrada rezistora R35, ktorý sa jedným vývodom pripája na
325V a druhým na 15V. Schéma zapojenia a navrhnutá doska plošných spojov je na
obrázku 4.4. Princíp spočíva v tom, že unipolárny tranzistor je otvorený a energia dobíja
kondenzátor. Ak napätie na kondenzátore stúpne nad 13,7V, otvorí sa bipolárny tranzistor,
čo spôsobí uzatvorenie unipolárneho tranzistora.
37
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 4.4: Schéma zapojenia Start-UP obvodu
Obr. 4.5: Doska plošných spojov Start-UP obvodu
4.1 VÝSLEDKY ZÍSKANÉ MERANÍM
Obvod sme pripojili na jednosmerný zdroj elektrickej energie. Použili sme laboratórny
zdroj STATRON Typ 2229. Aby sme dosiahli požadované napätie, zapojili sme 7 zdrojov
do série. Keďže prúd zo siete nie je obmedzený, z bezpečnostného hľadiska sme menič
nepripájali na sieťové napätie. Na výstup meniča sme zapojili elektronickú záťaž
38
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
STATRON. Záťažou môže pretekať maximálny prúd 50A. Z tohto dôvodu sme
neprekročili výstupný prúd synchrónneho usmerňovača nad úroveň 50A.
Vstupné a výstupné napätie sme merali stolným digitálnym multimetrom značky BK
PRECISION 2831D. Vstupný prúd sme odčítali z displeja napájacieho zdroja. Výstupný
prúd sme merali pomocou prúdovej sondy od firmy Tektronix. Namerané hodnoty sú
uvedené v nasledujúcej tabuľke 4.1.
Tab. 4.1: Vstupné a výstupne namerané hodnoty DC/DC meniča
N
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
UIN (V)
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275,1
275
275
275
275
275
275
275
275
275
275
275
IIN (A)
0,005
0,055
0,097
0,115
0,147
0,17
0,20
0,22
0,24
0,27
0,30
0,37
0,4
0,44
0,47
0,51
0,55
0,59
0,63
0,67
0,69
0,74
PIN (W) UOUT (V) IOUT (A) POUT (W)
1,38
5,24
0,01
0,05
15,13
2,817
2,00
5,63
26,68
2,801
4,05
11,34
31,64
2,783
6,26
17,42
40,44
2,774
8,12
22,52
46,77
2,769
10,34
28,63
55,02
2,769
12,40
34,34
60,52
2,769
14,69
40,68
66,02
2,769
16,11
44,61
74,28
2,77
18,06
50,03
82,53
2,77
20,26
56,12
101,75
2,767
25,62
70,89
110,00
2,768
27,50
76,12
121,00
2,764
30,55
84,44
129,25
2,763
32,50
89,80
140,25
2,763
35,13
97,06
151,25
2,762
37,50
103,58
162,25
2,763
40,20
111,07
173,25
2,856
43,00
122,81
184,25
2,764
45,00
124,38
189,75
2,752
47,00
129,34
203,50
2,769
50,00
138,45
η=
POUT
U .I
.100% = OUT OUT .100%
PIN
U IN .I IN
η (−)
0,0381
0,3724
0,4251
0,5507
0,5570
0,6122
0,6241
0,6721
0,6756
0,6735
0,6800
0,6967
0,6920
0,6979
0,6948
0,6921
0,6848
0,6846
0,7088
0,6751
0,6817
0,6803
η (%)
3,81
37,24
42,51
55,07
55,70
61,22
62,41
67,21
67,56
67,35
68,00
69,67
69,20
69,79
69,48
69,21
68,48
68,46
70,88
67,51
68,17
68,03
(4.1)
39
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
100
90
80
70
η (%)
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
Obr. 4.6: Grafická závislosť nameranej účinnosti
40
4.2 ČASOVÉ PRIEBEHY NAMERANÉ OSCILOSKOPOM
Na získanie časových priebehov sme použili digitálny osciloskop značky Tektronix.
Výhod tohto osciloskopu je priame ukladanie získaných priebehov na externú USB Flash
pamäť.
Obr. 4.7: Priebeh napätia a prúd tečúci primárným vinutím transformátora,
pri IOUT = 10A
40
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 4.8: Priebehy riadiacich impulzov synchrónneho usmerňovača, pri IOUT = 10A
Obr. 4.9: Priebehy riadiacich impulzov synchrónneho usmerňovača, pri IOUT = 40A
Obr. 4.10: Priebehy napätí sekundárnych vinutí transformátora
41
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, KME
Diplomová práca
Obr. 4.11: Časový priebeh napätia na primárnom vinutí transformátora, Iout = 10A
Obr. 4.12: Časový priebeh riadiacich impulzov na jednom z tranzistorov striedača
42
5 ZÁVER
Cieľom diplomovej práce bolo navrhnúť DC/DC menič so synchrónnym
usmerňovačom, ktorý bude schopný dodávať do záťaže 100A pri výstupnom napätí
3V. Aby sme dosiahli požadované výstupné veličiny, musí byť správne navrhnutý
výkonový transformátor. Keďže sa jadro transformátora neprehrievalo, usudzujem, že
návrh bol vykonaný správne. Simuláciou sme dokázali, že synchrónny usmerňovač
má o 5,12% vyššiu účinnosť ako diódový usmerňovač.
Navrhovaný DC/DC menič sme umiestnili na dvojvrstvovú dosku plošných spojov
o rozmeroch 207 x 96,5mm. Po osadení a oživení obvodu sme začali s praktickým
overením jeho činnosti. Obvod sme napájali jednosmerným napätím 275V. Pri meraní
sme používali elektronickú záťaž, ktorou sme regulovali výstupný prúd. Z dôvodov
nepoškodenia záťaže sme neprekročili hranicu 50A. Od 2A výstupného prúdu sa
napätie na svorkách veľmi nemenilo. Stabilne držalo hodnotu od 2,77V až po 2,81V.
Maximálna dosiahnutá účinnosť 71% bola nameraná pri 43A. Pri 50A menič dosiahol
účinnosť 68%. V porovnaní so simuláciou sme očakávali vyššiu účinnosť. Najväčšie
straty nastali na tranzistoroch synchrónneho usmerňovača. Na každom tranzistore boli
vodivostné straty takmer 10W pri RDS(on) = 3mΩ. Další významný fakt, ktorý spôsobil
zhoršenie účinnosti meniča, boli spínacie straty všetkých MOSFET-ov v dôsledku
nízkych strmostí riadiacich impulzov. Príčina spočíva vo vysokej pracovnej frekvencií
100kHz a veľkých hodnôt vstupných kapacít tranzistorov, čo malo vplyv i na veľkú
spotrebu riadiacej časti.
Pre dosiahnutie lepších výsledkov by som navrhoval použiť tranzistory s ešte
menším RDS(on). Budiaci obvod MC33152 mal odber 450mA, na ktorý nie je stavaný,
preto bol nahradený upraveným obvodom. V novom budiacom obvode by bolo
vhodnejšie použiť komplementárne MOSFET tranzistory namiesto bipolárnych
tranzistorov. Spínacie straty by sa zmenšili aj použitím nižšej spínacej frekvencie
a taktiež by sa znížila spotreba riadiacej časti (8W). Aj keď sme sa snažili dosku
posilniť medenou pásovinou pre zníženie sériového odporu, nebolo to postačujúce. Je
potrebné prispôsobiť návrh a použiť ešte väčšie prierezy pásovej medi. Treba
zdôrazniť, že pri vysokých prúdoch vznikajú straty aj na najmenších parazitných
odporoch, preto je realizácia takýchto zdrojov o to zložitejšia.
43
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
Zoznam použitej literatúry
CETL, T. Napájecí zdroje pro elektrochemické výrobní procesy. [online]. 2004.
Elektrotechnická
fakulta
ČVUT
v
Prahe.
Dostupné
na
internete
<http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=25987>
DOBRUCKÝ, B. Výkonové polovodičové štruktúry. Vedecká monografia. EDIS,
Vysoká škola dopravy a spojov Žiline, 1995
FERROXCUBE. ETD cores and accessories.
Data Sheets ETD44 . [online].
Dostupné na internete. 2008. <http://www.ferroxcube.com/prod/assets/etd44.pdf>
HAVRILA, M. Úvod do výrobného inžinierstva. 1. vyd. Fakulta výrobných
technológií TU Košice so sídlom v Prešove, 2002. 158 s. ISBN 80-7099-833-4.
HURTUK, P. Synchrónny usmerňovač pre galvanotechnológie. Diplomová práca,
Žilina KVES – EF, 2009.
INFINEON. CoolMOS Power Transistor. Data Sheets SPA20N60CFD. [online].
Dostupné
na
internete.
2008.
<http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/view/153240/INFINEON/SPA20N60CFD.html>
INTERNATIONAL RECTIFIER. Data Sheets IRFB3206. [online]. Dostupné na
internete. 2009.
<http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfb3206gpbf.pdf>
KREJČÍŘÍK, A. Napájecí zdroje 1. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatúra, 1998.
343 s. ISBN 80-86056-02-3.
LOCHER, R. Introduction to Power MOSFETs and Their Applications. [online].
Dostupné na internete. 1988. <http://www.national.com/an/AN/AN-558.pdf>
LORENZ, L. COOLMOS™ - a new milestone in high voltage Power MOS. [online].
Dostupné na internete. 1998.
<http://www.iisb.fraunhofer.de/de/arb_geb/pub_les/01_99.pdf>
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
ON – SEMICODUCTOR. Switchmode Power Supply Reference Manual. [online]
SMPSRM/D Rev. 3B. ON – SEMICONDUCTOR, 2002. 48s. Dostupné na
internete: <http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/SMPSRM-D.PDF>.
OVCARČÍK, R. Synchrónny usmerňovač pre veľké prúdy. Diplomová práca, Žilina
KVES – EF, 2001.
SOS. CoolMOS® technológia druhej generácie. [online]. Dostupné na internete.
< http://www.sos.sk/?str=276>
ŠPÁNIK, P. Výkonové polovodičové meniče. EF ŽU v Žiline, 2008 (nepublikovaný
rukopis)
TULBURE, D. Introduction to Power MOSFETs. [online]. Dostupné na internete.
2007. < http://www.microsemi.com/micnotes/901.pdf >
VASILKO, K. Výrobné technológie. 2. vyd. Prešov: FVT Prešov, 2001. 202 s. ISBN
80-7099-382-0.
VLČEK, J. Měniče napětí a spínané zdroje - teoretická základna. [online]. 2007.
Dostupné na internete <http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=4263&h=292&pl=42>
WIKIPEDIA.
Pulzně
šířková
modulace.
[online].
<http://cs.wikipedia.org/wiki/Pulzně_šířková_modulace>
Dostupné
na
internete
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce Ing. Petrom Hurtukom a používal
som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa 7. 5. 2010
____________________
podpis
Prílohová časť
Zoznam príloh
Príloha A: Schéma navrhovaného DC/DC meniča ........................................................ i
Príloha B: Doska plošných spojov zo strany spojov ..................................................... ii
Príloha C: Doska plošných spojov zo strany súčiastok ............................................... iii
Príloha D: Osadzovací výkres súčiastok ...................................................................... iv
Príloha E: Zrealizovaný DC/DC menič zo strany spojov ............................................. v
Príloha F: Zrealizovaný DC/DC menič........................................................................ vi
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha A: Schéma navrhovaného DC/DC meniča
i
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha B: Doska plošných spojov zo strany spojov
ii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha C: Doska plošných spojov zo strany súčiastok
iii
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha D: Osadzovací výkres súčiastok
iv
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha E: Zrealizovaný DC/DC menič zo strany spojov
v
PRÍLOHOVÁ ČASŤ
Príloha F: Zrealizovaný DC/DC menič
vi
Download

žilinská univerzita v žiline menič so synchrónnym