ZA PROJEKTANTE I INŽENJERE SISTEMA
Green Dream tehnologija:
Optimizirajte termalno smanjenje PWM IC-a
Upravljački program modula IGBT podržava aplikacije srednje snage
Novi materijali dozvoljavaju induktorima da drže korak sa manjim sistemima
PENTON PUBLICA TION
UREDNIČKO stanovište
Okretanje tehnologije pretvorbe snage "zeleno"
DR. SLOBODAN CUK posvetio je mnogo sati traženju poboljšanja u pretvaranju napajanja jednosmjerne i izmjenične struje. Počevši od ovog izdanja Power Electronics Technology, on će opisati svoju "Green Dream Technology" koja rješava probleme pretvorbe energije za koje se smatra da ih je nemoguće riješiti.
Komponentna tehnologija za pretvorbu snage dramatično je napredovala u posljednje dvije decenije razvojem preklopnih uređaja kao što su MOSFET-ovi sa niskim pogonom i prelaznim gubicima na umjerenim preklopnim frekvencijama od 100 kHz. Isto tako, višeslojni kondenzatori čipova poboljšani su dramatičnim povećanjem mrežnih struja njihovih olova i istodobnim smanjenjem veličine. Nažalost, nije postignut toliki napredak u magnetnim komponentama, transformatorima i prigušnicama. U smanjenju gubitaka jezgra i povećanju gustina protoka zasićenja napravljena su samo mala inkrementalna poboljšanja.
Uprkos ovim naprednim tehnologijama komponenata, tehnologija energetske elektronike u cjelini napreduje sporije zbog ograničenja
ing metode.
Postojeći pretvarači ac-dc trpe zbog ograničenja konvencionalnih metoda prebacivanja PWM za obradu ulazne snage kroz dva ili više stupnjeva stupnjeva snage. Imaju obavezni ispravljač prednjeg mosta, nakon čega slijedi pojačani PFC pretvarač i još jedan kaskadni dc-dc pretvarač koji pruža izolaciju i regulaciju izlaznog napona.
Dr. Cuk je razvio jednostepenu metodu pretvorbe u izmjenični i izmjenični tok, metodu hibridnog prebacivanja, koja eliminira potrebu za ispravljačem s punim mostom i rezultira istinskim PFC pretvaračem i izoliranim PFC pretvaračem bez mosta. Ova nova metoda hibridnog prebacivanja jedinstvena je kombinacija PWM-a i rezonantnog prebacivanja i zapošljava samo tri prekidača. Kao što je opisano u članku 1. dijela, objavljenom u ovom broju, metoda hibridnog prebacivanja pruža rješenje za ovaj problem u jednostepenoj obradi napajanja koja rezultira 98% efikasnošću. Nastavak drugog dijela ovog članka predstavit će još jedno rješenje pretvarača izmjeničnog i istosmjernog napona: trofaznu metodu prebacivanja PWM kvadratnog vala i odgovarajuće konvencionalne topologije pretvarača.Sadašnje metode prebacivanja PWM nameću inherentno velike flukseve na magnetne komponente bez obzira na to koja se topologija pretvarača koristi. Pored toga, konvencionalni pretvarači jednosmjerne struje skladište jednosmjernu energiju u induktorima, što ozbiljno
DR. SLOBODAN CUK,
predsjednik TESLAco-a (Irvine, CA) i bivši Caltechov profesor i osnivač njegove poznate grupe Power Electronics.
Dvosmjerni PFC pretvarač bez mosta za jednostepenu razmjenu snage između trenutnog trofaznog dalekovoda i budućeg istosmjernog dalekovoda napajanog solarnom i vjetrom.
Ove nove tehnike prebacivanja približile su polje energetske elektronike mnogo bliže utjecaju na njihovu veličinu, efikasnost i privremeni odziv. Mnoge rezonantne metode povezane sa prebacivanjem PWM-a također nisu uspjele riješiti ove probleme.
Rješenje dr. Cuka za pretvarače jednosmjerne u jednosmjernu struju nova je metoda prebacivanja bez memorije implementirana s novim topologijama pretvarača, tako da se protok izmjenične struje i veličina induktora i transformatora smanjuju deset puta bez povećanja frekvencije prebacivanja. Pored toga, način prebacivanja bez memorije eliminiše spremanje jednosmerne energije i pruža prirodno brz privremeni odziv. Nova tehnologija rezultira efikasnošću preko 99% dok radi između 50 kHz i 100 kHz.
Ova metoda manje prebacivanja za pohranu može se izmijeniti za primjene pretvarača s niskim izlaznim naponom i jakom strujom POL. Na primjer, pretvorba od 12 V u 1 V rezultira ukupnom efikasnošću preko 97%. Čak je i "nemoguće" područje konverzije od 48V do 1V moguće postići upotrebom nove POL sklopke
tehnologija zelene energije. Raznolikost topologija pretvarača zasnovanih na novim preklopnim metodama već pružaju neviđene prednosti performansi i za pretvorbu ac-dc i dc-dc, uključujući POL aplikacije. Daljnja poboljšanja efikasnosti predstoje razvojem novih sklopnih uređaja, koji bi u potpunosti iskoristili nove metode prebacivanja.
SAM DAVIS, glavni urednik
A bridgeless PFC pretvarač (patenti na čekanju) na osnovu romana Hybrid prebacivanje m enija eli m inates je redovni most ispravljač u potpunosti. Pravi single-stage rezultati procesorske snage u m bilo prednosti u odnosu na konvencionalne dvije faze, most tipa PFC konvertera, kao što su efikasnost više od 98% se postiže odgovarajućim prebacivanje uređaja, 0.999 Power Factor, smanjeni troškovi, veličinu i težinu, jedan niskim troškova m agnetics, i 100% korištenje svih ko m delovi auto za pozitivan ili negativan pola ciklusa ulaznog napona.
urrent propisima IEC-1000-3-2 i m predstavljaju stroge zahtijevaju m enti na izgubio m onic trenutni sadržaj, koji može biti vraćen na komunalnu
linije za sve consu m er elektroničkih uređaja troši više od 75W snage. T o meet koji zahtijevaju m enta, aktivni Power Factor Correction (PFC) m ora biti zaposleni. T on m ost ko mm na PFC rješenje, pogurati konverter, zahtijeva korištenje full-most dioda ispravljača ispred boost konverter u krug. T njegov dizajn uvelike i mudružuje efikasnost, jer su dvije diode u ispravljaču mosta u izravnoj putanji snage bilo za pozitivan ili negativan poluciklus ulaznog naizmjeničnog napona. Dakle, pri niskim naponskim izmjeničnim naponima od 85V, to dovodi do gubitka snage od 3%, što zajedno s gubicima snage pretvarača pojačanja smanjuje ukupnu efikasnost na 93% ili niže.
T kuća, vrlo jasan cilj da se poveća efikasnost je osmisliti konverter koji može eli m inate front-end full-most ispravljač. Ali prošlost atte m poena razviti takav konverter nije eli m inate dioda-mosni ispravljači, olovom ing na vjerovanje da takvi pretvarač topologiju
Slika 1. Pravi PFC pretvarač bez mosta (a) radi direktno sa linije naizmenične struje. Ima tri prekidača: jedan upravljački prekidač i dva diodna prekidača, a pored ulaznog induktora mali rezonantni induktor i mali rezonantni kondenzator. PFC IC kontroler (b) bez mosta djeluje direktnim osjetnikom punog vala naizmjenične mrežne struje i struje naizmjenične struje i upravljačkim prekidačem S.
nije mogao postojati. T kuća, tako da m e istraživanja publikacije sada pogrešno zvati pojačanje PFC i dvostruko povećanje PFC pretvarači i druge varijante jednostupanjski PFC konvertera, si m slojni ne računajući front-end mosni ispravljač kao da je uvijek potrebno ispred i smatra nezaobilazan prednjim dio
Međutim, ovo nije T slučaj kao novu klasu pretvarača u stanju neposredne AC-DC konverzija sa PFC je zaista moguće kao uveden po prvi ti m e u ovom članku. Jedan m e m ber ove nove klase jednostepene AC-DC PFC konvertera je prikazan na slici 1a . T je drugi konverter topologije ovog novog single-stage PFC konverter će biti predstavljen u budućnosti.
BEZMETNI PFC PRETVARAČ TM
T je novi bridgeless PFC konverter djeluje direktno amo m na ac linije i to je prvi pravi jednostepene bridgeless AC-DC PFC konverter.
T o acco m plish ovaj cilj, novi power switching konverzije m enija, ter m ed hibrid-prebacivanje, je potrebno (vidi sidebar: Što je Faktor snage (PF) i zašto niske PF je loše). T njegov m enija također dovodi do prilično neobičan pretvarač topologiju koja se sastoji od tri prekidača samo: jedan kontrolisati prekidač S i dva pasivna struja ispravljača prebacuje CR1 i CR2 kao što se vidi na slici 1a, što uključite i isključite kao odgovor na stanje m ain prekidač S za pozitivan ili negativan polaritet ulaznih AC napona.
T je čudno nu m ber prekidača, tri, je prepoznatljiva karakteristika ovog kon- Verter u odnosu na sve konvencionalne prebacivanje pretvarača, koji uvijek ko m e s čak nu m ber prekidača, kao što su 2, 4, 6, itd . T njegova je diktirao zahtijevaju m ent switching kvadratnih talasa, često nazivaju PWM prebacivanje, koristeći oba, prekidač je na svojoj ko m ple m entary prekidač OFF, i obrnuto [1, 2 i 4].
Slika 2 Definicija faktora snage jedinice (a) Vod je opterećen otpornim opterećenjem. b) Kod otpornog opterećenja, linijska struja je direktno proporcionalna i u fazi je s mrežnim naponom.
Evo, nema takve ko m ple m entary prekidača postoje, kao jedan aktivni prekidač S sama kontrola i dioda prelazi, čije uloge se mijenjaju auto m atically prema polaritet ulaznih AC napona. Za exa m OJPS, za pozitivan polaritet ulaznog napona AC, struja ispravljača CR1 ponašanje tokom
induktivni i kapacitivni transfere energije, što zahtijeva da se prebacuje ko m e u suradnji m OJPS m entary parova: kada se
Slika 3 Konvencionalni ispravljač sa punim mostom AC-DC (a) Ispravljač s četiri diode sa velikim izlaznim kapacitetom (b) Vučena struja provodi tokom kratkog vršnog napona linije što rezultira visokim harmonikama. c) Harmonijski sadržaj linijske struje u pretvaraču izmjeničnog napajanja sa slike 3b
Slika 4. Rad PFC pretvarača bez mosta za pozitivan poluciklus ulaznog napona: (a) Dioda CR1 radi u fazi s prekidačem S i izvan faze s diodom CR2. (b) Stanja prekidača PFC pretvarača (c) Linearno komutirane mreže za ON-vremenski interval (d) Linearno komutirane mreže za OFF-vremenski interval
ON-ti m e interval prekidača S. T koka negativnog polariteta ulaznih AC napona, sa m e struja ispravljača CR1 ponašanja tokom OFF-ti m e interval prekidača S. T je struja ispravljača CR2 i odgovara auto m atički na stanje prekidača S i polaritet ulaznog izmjeničnog napona. Za pozitivan polaritet vrši tokom OFF-ti m e interval prekidača S, i negativnog polariteta vrši tokom ON-ti m e interval prekidača S.
T kuća, tri prekidača rade na svim ti m es, i za pozitivne i negativne polu-cikluse naponskom ulazu linije Volt starosti. Dakle, ovo istina Bridgeless PFC konverter T M djeluje
Slika 5. PWM prigušnica L pobuđuje se kao u PWM pretvaračima s naponom nalik kvadratnom valu tijekom cijelog perioda uključivanja, dok se rezonantna prigušnica uzbuđuje samo u ON-vremenskom intervalu. Talasni oblik napona PWM prigušnice i odgovarajući pozitivni izlasci fluksa (a). Rezonantni induktor Lr (b) pobuđuje se ko-sinusoidnim naponom izmjeničnog talasa Δvr rezonantnog kondenzatora Cr i u potpunosti je uravnotežen fluksom samo tokom intervala ON-vremena.
bez full-most ispravljač od samog pretvarač topologiju Perfor m s u i m zasuo AC Line ispravljanje rezultirati DC izlazni napon za bilo polaritet ulaznih ac napona. Eli m inating full-most ispravljač direktno eli m inates velikih gubitaka posebno za nisku liniju 85V.
Kao što se vidi na slici 1a , ova se topologija također sastoji od induktora u nizu s ulazom, kondenzatora s plutajućom energijom koji djeluje kao rezonantni kondenzator za dio komutacijskog ciklusa i rezonantnog induktora.
T je aktivan prekidač S o pri m Ary strana m odulated i radi na frekvenciji prebacivanje, što je tri reda m agnitude veća od frekvencije linije, kao što je prebacivanje 50kHz frekvencija ko m poređenju sa niskim ac liniju frekvencije 50Hz ili 60Hz. Takođe imajte na umu da je omjer radne snage D definiran s obzirom na ON-ti m e upravljačkog prekidača S i sve ustaljene veličine, kao što su omjeri jednosmjerne konverzije i jednosmjerna struja induktora L, izražat će se u m s D.
T je full-wave ulaz napona i ulazne linije struje se očitavaju i poslati kao ulaz za bridgeless PFC IC kontrolne ler, koji naizmenično m odulates prekidač s na pri m ary strane, kako bi se prisiliti ulazne linije struja da bude proporcionalan ulaznom naponskom naponu da rezultira idealno željenim Unity Power Factor-om kao što je već prikazano na slici 1b.
T je red tekuće IAC u tom slučaju je i sinusnim i besplatan je amo m visoke frekvencije izgubio m onics, zahvaljujući upotrebi kao m sve visoke frekvencije filtera Lf, CF na naponskom ulazu. T on real nost je prilično drugačiji kao linijski napon je prilično iskrivljena kao što je opisano u poslednjem delu kada experi m ental 400W prototip je direktni amo m takva iskrivljena linija, ali s faktorom snage.
METODA HIBRIDNOG PREKIDA
T on Bridgeless PFC konverter T M ima dva induktora, PWM induktor, L i rezonantne induktor, Lr. Kao što je priloženo
Slika 6. Talasni oblici struje rezonantne indukcije i napona rezonantnog kondenzatora (a) Rezonantna struja induktora ir tokom čitavog perioda uključivanja (b) Napon rezonantnog kondenzatora pokazuje linearno punjenje rezonantnog kondenzatora Cr tokom vremenskog intervala ISKLJUČENJA.
IOR tokom ON-ti m samo e intervala. Konačno, rezonantna kondenzator u kombinaciji sa rezonantnom induktor pokazuje rezonantne ponašanje tokom ON-ti m e interval ali PWM ponašanje u vezi sa PWM induktor u OFF-ti m e intervala.
analiza pokazuje, hibridni-switching m rezultate enija u Fundam entally različitim napon uzbude od dva induktora: PWM induktor L je uzbuđen kao u PWM konvertera sa kvadratnog vala poput napon tako da je induktor je fluksa uravnotežena tokom čitavog perioda prebacivanje T S: pozitivan tok za vrijeme ON-ti m e interval i negativan tok tokom OFF-ti m e intervala. Rezonantni induktor Lr pobuđuje se ko-sinusoidnim naponom izmjeničnog talasa Δvr rezonantnog kondenzatora Cr i u potpunosti je uravnotežen fluksom samo tokom intervala ON-ti m e.
T je velika razlika u tok pobuđenja induktor L i rezonantne induktor L je zbog rezonantne induktor izlaganja ac valovitost napona rezonantnih kondenzatora tokom ON-ti m e samo intervala, dok induktor L je izložena velikim napon izlete u oba ON-ti m e i OFF- ti m e interval koji se sastoji od linearnih ko m binacija velikih količina dc, kao što su ulazne i izlazne DC napona i rezonantne kondenzator DC napona. Shodno tome, rezonantna induktor je m uch e m aller nego PWM induktor, ali njegove pritisaka Ence igra ključnu ulogu u m Moj jednostupanjski, bridgeless PFC konverzije moguće.
Hibrid prebacivanje je jedinstveni ko m binacija je kvadratnog vala (PWM) prebacivanje i rezonantna prebacivanje. T PWM induktor pokazuje PWM ponašanje tokom cijelog perioda uključivanja, dok rezonantni induktor pokazuje rezonantno ponašanje
T Hus, rezonantna kondenzator je ko mm na navoj m Moj takav jedinstven rad dva induktora moguće, jedan u rezonantne m oda drugi u PWM m odu.
Još jedna jasna distinktivna karakteristika hibridnog prebacivanja je ta da postoje tri prekidača za razliku od dva ili četiri prekidača u konvencionalnom PWM i drugim rezonantnim pretvaračima. T je samo jedan upravljački aktivni prekidač i dva pasivna diodna prekidača. Imajte na umu da ovaj novi hibridni-switching m enija radi u ko m potpunosti ne potroši drugačiji način nego što je dobro poznat konvencionalni Square-wave Kvazi-rezonantnih konvertera [2], serije i paralelnim rezonantnih konvertera [3] i pretvarače sa Resonant sklopke [5] kao i svi drugi sada znaju rezonantna m ethods.
DETALJNA ANALIZA
Evo, samo si m plified analizu je uključena što je dovoljno za izvođenje odnosa konverzije dc napon za pozitivan ili negativan DC ulaznog napona. T on m ore ko m sveobuhvatnu analizu zasnovanu na produžetak u prostoru stanja usrednjavanja Način [2] može se e m slen rezultirati u suradnji m plete DC stabilnom stanju količinama za sve skladištenje ko m delovi auto i analitičko rješenje za dyna m ic (frekvencijski odziv pretvarača) u cilju kontrole i regulacije i analiza stabilnosti.
Slika 7. Rad PFC pretvarača bez mosta za negativni poluciklus ulaznog napona: (a) Dioda CR2 radi u fazi s prekidačem S i izvan faze s diodom CR1. (b) Stanja prekidača PFC pretvarača (c) Linearno komutirane mreže za ON-vremenski interval (d) Linearno komutirane mreže za OFF-vremenski interval
Jasno, stvarni ti m e uraditi m Ain wavefor m e od rezonantne kondenzator napon i rezonantne induktor struja moraju biti analizirani odvojeno. T njegova se vrši u posebnom kasnije odjeljak u kojem rješenje analitičke ti m e uraditi m Ain ne pronađe rješenje, tako da je izveden analitički jednadžbe mogu se koristiti za dizajn. T njegova zapravo dokazuje da je m enija u državnom Space usrednjavanja nije primjenjiv na rezonantni pretvarače [2] i to je li m uvođenje biometrijskih u PWM konvertera samo zbog niske ripple koji približno m Sme da (nizak valovitost napona i valovitost struje), ali da je to ima mrude general primjenjivost uključujući Dyna m ic analiza ove nove klase rezonantnih konvertera na osnovu hibridna Switching Način.
Prvo analiziramo rad pretvarača s obzirom na pretvarač na slici 4a u kojem je izvor ulaznog napona pozitivan jednosmjerni napon i koji ima stanja prekidača kao na slici 4b . T je linearni mrežu za ON-ti m e interval je prikazan na slici 4c i linearni uključi mreže za OFF-ti m e interval je prikazan na slici 4d . T o si m plify analize, mi ćemo assu m e da je induktor L je veoma velika, što je rezultiralo u stalnom dc ulazu struja sa zanemarivim ac valovitost struje.
FLUX (volt-sekunda) Saldo T WO INDUC T ORS-a
T on volt-sekundi (fluksa saldo) na induktor L zahtijeva da je za stabilno stanje, pozitivne i negativne područja napona wavefor m u slici 5a m ora biti uravnotežena tako da se:
VgD T S = (V + VCr - Vg) (1 − D) T S (5)
gdje:
Vg = ulazni napon D = omjer opterećenja
T S = Period prebacivanja u sekundama
VCr = jednosmerni napon na rezonantnom kondenzatoru Cr
Za razliku od PWM induktor L, koji je tok uravnotežena tokom čitavog prebacivanje period T S, rezonantna induktor Lr m ora biti u potpunosti tok uravnotežena tokom ON-ti m e interval samo kao što se vidi na slici 5b. T hus primjenom stabilnog stanja kriterije za rezonantne induktor Lr rezultate u:
VCr = 0 (6)
kao rezonantna induktor m UST biti fluksa uravnotežena i ne može da podrži bilo neto DC napona.
T herefore, DC napona, VCR, od rezonantne kondenzatora Cr m ora biti nula, tako da Volt sekundi ravnoteže je zadovoljan na rezonantne induktor Lr.
Omjer DC konverzije
Koristeći jednadžbu (6) u jednačini (5), odnos konverzije jednosmerne struje se dobija kao:
V / Vg = 1 / (1 − D) (7)
Imajte na umu da je omjer dc konverzije daje jednadžba (7) je sa m e kao za poznate boost konverter. Dalje m rude, uprkos rezonantnog kola koja se sastoji od rezonantnih kondenzatora Cr i rezonantne induktor DB, i odgovarajuće sinusoidalnim i ko-sinusoidalnim ti m e uraditi m Ain wavefor m e rezonantnih cur- najam i rezonantne kondenzator napon, odnos konverzije dc ne ovise ili o jednoj od m, i o njihovim vrijednostima, ili o periodu uključivanja T S, ali ovisi samo o omjeru pogonske radne snage, D, kao u konvencionalnim pretvaračima dc-dc.
T on si m odnos OJPS dc konverzije zavisi od odnosa dužnosti, kao što je na trgu talasa PWM prebacivanje, dobija se samo. Dakle, redovnim zadacima kontrole odnos može biti e m slen biste koristili ovu konverter kao osnova za kontrolu PFC, kao poticaj i drugih konvencionalnih pretvarača.
T je rezonantna induktor struje, IR, tokom cijelog perioda prebacivanje je prikazan na slici 6a , dok je prikazan rezonantne kondenzator napona u slici 6b , koja prikazuje linearne punjenja rezonantne kondenzatora Cr tokom OFF-ti m e intervala. Obratite pažnju i na kontinuitet napona kondenzatora na prijelazu između dva intervala prebacivanja.
Zatim analiziramo rad pretvarača s obzirom na pretvarač na slici 7a u kojem je izvor ulaznog napona jednosmjerni napon negativnog polariteta i ima stanja prekidača kao na slici 7b . T je linearni uključen mreže za ON-ti m e intervala su prikazani na Slici 7c i linearne uključen mreže za OFF-ti m e interval je prikazan na slici 7D .
Slika 8. PWM prigušnica L pobuđuje se kao kod PWM pretvarača naponom nalik kvadratnom valu tokom cijelog perioda uključivanja, dok se rezonantna prigušnica uzbuđuje samo u ON-vremenskom intervalu: (a) Napon talasa PWM prigušnice i odgovarajući pozitivni izleti fluksa (b) Rezonantni induktor Lr pobuđuje se sinusoidnim naponom naizmeničnog talasa Δvr rezonantnog kondenzatora Cr i potpuno je uravnotežen fluksom tokom samo ON-vremenskog intervala
Slika 9. Talasni oblici struje rezonantne indukcije i napona rezonantnog kondenzatora
(a) Rezonantna struja induktora ir tokom cijelog perioda uključivanja
(b) Talasni oblik napona rezonantnog kondenzatora prikazuje linearno punjenje rezonantnog kondenzatora Cr tokom vremenskog intervala ISKLJUČENJA.
FLUKS (VOLT-DRUGI) BALANS DVA INDUKTORA
Mi sada koriste dvije linearne uključen mreže na slici 7c i Slika 7D za izgradnju ti m e uraditi m Ain tekuće u PWM induktor L i na rezonantne induktor L. T je napon wavefor m je prikazan na induktor L u slici 8A biti baš kao u konvencionalnim PWM kvadratnih mašu prebacivanje konvertera, dok je rezonantna kondenzator VCR napon je prikazan na slici 8b samo ON-ti m e rezonantne intervala i njegove ko m plete ti m e do m Ain wavefor m u slici 9b .
T on Volt sekundi (fluksa saldo) na induktor L zahtijeva da je za stabilno stanje, pozitivne i negativne područja napona wavefor m e na slici 8a m ora biti uravnotežena tako da se:
VgD T S = (VCr - Vg) (1 − D) T S (8)
Za razliku od PWM induktor, koji je tok uravnotežena tokom cijelog perioda T S, rezonantna induktor m ora biti u potpunosti fluksa uravnotežena tokom ON-ti m e interval samo po rezonantnog kola m odel u Sl. 10b i sl. 10c.
T on rezonantnog kola m odel od Slika 10b se formira petlju koja se sastoji od pet ko m delovi auto, dva kondenzatora Cr i C i rezonantne induktor DB, kretati S i trenutne ispravljač CR2. Međutim, budući da je izlaz kondenzator C m uch veća od rezonantne kondenzator Cr, njihova serija veza je praktično jednaka Kr.
T rezonantni krug za pozitivni ulazni napon na slici 10a imao je samo jedan kondenzator, rezonantni kondenzator Cr. S druge strane, ima rezonantni krug za negativni ulazni napon
dva kondenzatora u seriji kao na slici 10b. Međutim, zbog m uch veći izlazni kondenzator, kako učinkovito smanjiti do rezonantnog kola prikazan na slici 10c. Osim toga, s obzirom na auto m potkrovlju prebacivanja na ulogama dva aktuelna ispravljači amo m pozitivan ulazni polaritet napona na negativne ulazni polariteta napona, rezonantne kolo Slika 10c je primjenjiv na SA m e na-ti m e interval za bilo pozitivan ili negativan polaritet ulaznog napona. T on rezonantnog kola će stoga dovesti do rezonantne kondenzator napon kao na slici 8b i na rezonantne induktor trenutni kao na slici 9a kao što je dobiti prije nego se za pozitivne ulaznog napona.
T je rezonantna induktor, DB, m Ust se, još jednom, potpuno fluksa uravnotežena toku sa m e na-ti m e interval, D T S, samo, što rezultira amo m mrežu prebačenih na slici. 7c i kolo m odel na slici 10c:
VCr = V (9)
kao rezonantna induktor ne može podržati bilo neto DC tokom ovog ON-ti m e intervala.
Imajte na umu da se jednosmerni napon u stabilnom stanju na rezonantnom kondenzatoru značajno promenio od m VCr = 0 za pozitivni ulazni napon do VCr = V za negativni ulazni napon.
Zamjenom jednadžbe (9) u jednadžbu (8) dobivamo omjer pretvorbe jednosmjerne struje kao:
V / Vg = 1 / (1 − D) (10)
što je sa m e kao jednadžba (7) za pozitivnu ulazni istosmjerni napon.
Slika 10. Modeli rezonantnih krugova (a) Model rezonantnih krugova za pozitivni poluciklus linijskog napona (b) Model rezonantnih krugova za negativni poluciklus linijskog napona. Takođe imajte na umu da jednosmerni napon rezonantnog kondenzatora mora biti jednak izlaznom jednosmernom naponu V da bi se zadovoljila ravnoteža fluksa rezonantnih induktora. Izlazni kondenzator je najmanje nekoliko puta veći od rezonantnog kondenzatora, tako da može biti kratko spojen. (c) Model konačnog rezonantnog kruga za negativni poluciklus linijskog napona.
T herefore, bez obzira na različite DC napona na rezonantne kondenzatori za pozitivan ulazni napon (nula DC napon) i za negativne ulazni napon (izlaz DC napon V), pokazatelji DC konverziju su identične za pozitivne i negativne ulazne polaritet napona kao što je prikazano Jednačine (7) i (10).
Slika 11. Implementacija upravljačkog prekidača S. (a) Prekidač S mora raditi za pozitivni polaritet ulaznog napona u prvom kvadrantu i održavati puni reverzni napon u trećem kvadrantu i za negativni polaritet ulaznog napona u trećem kvadrantu, ali i dalje sposoban za održavanje punog reverznog napona u prvom kvadrantu (b) Implementaciona sklopka S sa dva paralelno spojena dva bipolarna tranzistora sa izoliranim kapijama (RBIGBT). (c) Implementaciona sklopka S sa dva n-kanalna MOSFET-a, S1 i S2, spojena leđa-na-leđa na svoje izvore i pokretana zajedničkim krugom pogonskih plutajućih vrata.
Kao i do sada, rezonantna struja pražnjenja IR kondenzatora Cr je li m uvođenje biometrijskih samo pozitivan ciklus rezonantnih struja kao tekući ispravljač CR2 sada po m svoje provođenje samo u jednom pravcu kao na slici 7c. Kao rezonantne struja počinje na nuli, to praktično ponovo ograničava rezonantne interval pražnjenja tačno jedna polovina od rezonantnih perioda, sa m e kao i do sada.
T on wavefor m e preko ko m plete period za rezonantne induktor struja IR (t) i rezonantna kondenzator napon VCR (t) se zatim je prikazano na slici 9a i Slika 9b . Napomena kako kontinuitet napon na rezonantne rezultati kondenzator u sa m e ac valovitost napona Δvr na prijelazu između dva intervala. Još jednom, rezonantna kondenzator DC napon nije nula, ali jednak izlazni istosmjerni napon V. T Hus, SA m e dc funkcija konverzije koristi se dobiva bez obzira na drastično različitim stabilnom stanju vrijednosti dc napona na kondenzatoru Cr
Ovdje je dat samo kratki sažetak Faktora snage i njegovog značaja, jer se detaljniji prikaz može naći drugdje [2].
Kada se otpornik opterećenja R postavi direktno preko vodova, kao što je prikazano na slici 2a, izvučena struja sinusoidne linije i AC direktno je proporcionalna i u fazi napona sinusoidne linije v AC, kao što je prikazano na slici 2b, tako:
iAC (t) = vAC (t) / R (1)
Za najučinkovitiji rad napona vodova komunalnog voda i bez izobličenja, sva opterećenja priključena na vod komunalne mreže trebaju se ponašati kao efikasni otpor R, koji se često naziva otporom "emulacije". Međutim, mnoga opterećenja, poput elektroničke opreme, računara i drugih uređaja, rade sa jednosmernim naponom koji zahteva pretvaranje u izmenični i strujni tok. Najjednostavniji jednostepeni pretvarač izmjeničnog i istosmjernog napona je mostički ispravljač s četiri diode prikazan na slici 3a, s velikim kondenzatorom C preko otpornika opterećenja R smještenog na izlaznu jednosmjernu stranu. Ovo, u stvari, nelinearno opterećenje crta linijsku struju samo tokom vrha napona sinusoidne linije što rezultira "vršnom" ulaznom strujom linije prikazanom na slici 3b. Ova "vršna" linijska struja generiše mnoge struje
zakupiti harmonike uporedive veličine po veličini sa osnovnom harmoničnom strujom na linijskoj frekvenciji kao što je prikazano na slici 3c. Međutim, samo struja harmonika na istoj frekvenciji kao i linijska frekvencija i u fazi sa linijskim naponom (u ovom slučaju osnovni harmonik na linijskoj frekvenciji) kao na slici 2b, doprinosi prosječnoj snazi P koja se isporučuje opterećenju. Svi ostali harmoniki na višestrukoj linijskoj frekvenciji samo povećavaju struju koja se zahtijeva od mreže koja povećava gubitke, bez doprinosa stvarnoj (aktivnoj) snazi opterećenju.
Faktor snage je tada jednostavan broj, koji opisuje odstupanje od idealno željenog stanja naizmenične struje koja je proporcionalna naponskom naponu i definira se kao:
Faktor snage (PF) = P / Vrms Irms (2) Gdje
P = Prosječna snaga opterećenja izražena u jedinicama vata (stvarna snaga)
Arms = RMS (srednji kvadrat) napon Rims = RMS (srednji kvadrat) struja
Vrms Irms = Prividna snaga izražena u volt-amperima
jednak nuli za pozitivan ulaz i jednak izlaznom naponu jednosmerne struje V za negativni ulaz.
T je novi PFC pretvarač ima energetski prenos kondenzator, Cr, koja je tokom OFF-ti m e interval T optužbe OFF i na sa m e ti m e prolazi ulazna struja punjenja na opterećenje. U toku ON-ti m e intervala, T ON, ovaj kondenzator m m rezonantni krug sa rezonantnom induktivnošću
R N =
r
w
Ostalo (14)
(15)
Lr i razmjene energije pohranjene u prethodnim OFF-ti m e interval sa rezonantnom induktor. T on rezonantne induktor je m uch e m aller od PWM induktor L. Kao rezultat toga, trgovine m uch manje induktivni energije u odnosu na PWM induktor L. Ipak, sadašnji pravac u ovom rezonantne induktor mijenja amo m jedan pravac u OFF-ti m e interval do drugog
f r
RN = Prirodni otpor fr = Rezonantna frekvencija
w r = radijalna frekvencija
= r
2 str
(16)
smjer u ON-ti m e intervalu. T njegova promjena smjera rezonantne induktor tekuće tokom kratkog tranzicije može izazvati napon šiljci na prekidaču S. T je brže promjene, veći napon šiljak će biti. Međutim, zbog s m sve energije koja je uskladištena u ovom m induktoru, ovaj šiljak se može učinkovito suzbiti upotrebom Zener dioda.
ANALIZA REZONANTNOG KRUGA
Kao što se vidi gore, rad pretvarača amo m pozitivan ulazni napon i negativne ulazni napon, rezultati u reso- Nant kolo m odels, što se može i opisati prva dva diferencijal bi jednadžbe čija rješenja su:
ir (t) = IP sin ( w rt) (11)
vCr (t) = Δvr cos ( w rt) (12) Δvr = IP RN (13)
gdje:
T on bridgeless PFC konverter ima jedan ko m Ponent, kontrolni prekidač S čiji sam m OJPS m jenu je od ključne važnosti za ukupnu efikasnost. Amo m opis rada pretvarača za pozitivne i negativne izlaz napona, jasno je da je ovaj prekidač S m ora imaju dva kvadranta prebacivanje karakteristika rada u prvom i trećem kvadrantu kao što je prikazano u definiciji prekidač S na slici 11a. Drugim riječima, prekidač S m ust za pozitivni ulazni napon radi u prvom kvadrantu, ali bi također trebao biti u stanju održavati puni reverzni napon (rad trećeg kvadranta). Jasno je da ni bipolarni, ni MOSFE T tranzistori to mogu učiniti jer nisu dizajnirani da održavaju napon u trećem kvadrantu (MOSFE T zbog prisustva diode tijela). Međutim, bipolarni T- tranzistor sa izoliranim kapijama sa reverznim blokiranjem (RBIGB T ) može održavati puni reverzni napon kako je predviđen i može održavati puni napon suprotnog polariteta. T herefore,
(VA) umjesto u vatima (W).
Za otpornik opterećenja R direktno preko izmjeničnog napona, kao na slici 2a:
PF = 1 (3)
R je naveden u efektivnim količinama kao:
R = Vrms / Irms (4)
Stoga su idealni uvjeti za vodovodni faktor jedinstveni faktor snage kao u jednadžbi (3), što je identično tvrdnji da je struja vodovoda proporcionalna mrežnom naponu izraženom u vremenskom području u jednadžbi (1) .
Imajte na umu da loši faktor snage 0,5 za slučaj nelinearnog opterećenja sa slike 3a rezultira i velikim sadržajem harmonične struje kao što je prikazano na slici 3c, prikazujući veličinu struja višeg reda (treća, peta, itd.) Normaliziranih s obzirom na do veličine osnovnog harmonika na linijskoj frekvenciji. Direktna posljedica je da će harmonike višeg reda jednostavno povećati veličinu struje linije bez doprinosa aktivnoj snazi P opterećenju.
Dakle, za slučaj prikazan na slici 3a, jedina varijabla koja ostaje u definiciji faktora snage u jednačini (2) je struja linije. I, budući da je mrežni napon, V, pomoćnim generatorima fiksiran na 120V. Jasno je da što je veća struja I, koju povlači vod komunalne mreže za zadanu prosječnu snagu koja se isporučuje na teret, to je faktor snage manji (PF). Pretvarač AC-DC na slici. 3a, koji radi od napona napona od 120 V izmjenične struje i isporučuje 600 W snage do opterećenja, dok crtanje 10 A struje voda ima PF = 0,5. Međutim, otporno opterećenje s faktorom snage 1,0 na slici 2a crta 600W iz vodovoda 120V, vuče samo 5A iz linije. Jasno je da komunalni vod pati od malog faktora snage opterećenja na dva osnovna načina:
Mora pružiti veću sposobnost generisanja da podrži povećanu trenutnu potražnju u slučaju lošeg faktora snage opterećenja, ali naplaćuje kupcu samo prosječnu snagu u isporučenim vatima, a ne generirane volt-ampere (VA).
Stvorene struje visokih harmonika smještene na vodovodu uzrokuju velike smetnje ostalim korisnicima iste vodovodne mreže. To je razlog zašto propisi definiraju maksimalni sadržaj harmoničke struje dozvoljen za određeni nivo snage.
primjena prekidača paralelno koristi dva takva RBIGB T uređaja.
Ipak, u m bilo praktičnoj primjeni, na MOSFE T i m ple m jenu je poželjan zbog mogućnosti velike frekvencije uključivanja i niskim gubicima provođenje. U ovom trenutku, jedan MOSFE T i m OJPS m jenu nije moguće zbog ugrađene u tijelu-dioda, tako da prekidač S m ora biti i m ple m ented upotrebom dva MOSFE T uređaja koji su povezani u seriju na svoje izvore i pogonjen co mm na pogonskom krugu plutajućih vrata.
Kao gubici provođenje su daleko do m inant gubitaka cijele pretvarač, očekuje se
da takva prekidač i m OJPS m jenu bi mogao podići ukupnu efikasnost amo m trenutni 98% (vidi u prilogu experi m ental
PROVJERA PROTOTIPA
13. U prototipu od 400 W PFC pretvarača (Bridge of Bridge) od 400 W (a), linijska struja je direktno proporcionalna ulaznom naponu i u fazi s njim. Obratite pažnju na prisustvo izobličenja i u linijskoj naponu i u linijskoj struji.
dobitak je onaj tipa step-down / step-up. T Hus, izlazni DC napon se može pokrenuti e m oothly amo m nula DC izlazni napon i doveo do povećanja odnos dužnost u regiji DC konverziju step-up bez potrebe za in-rush struja li m iting kola.
m merna m enti) do preko 99% u bliskoj budućnosti.
POKRETANJE PRETVARAČA
T on dc dobit karakteristika Jednadžba (7) ukazuje na to da bi konverter ima start-up proble m kao dc dobitak karakteristika je uvijek veći od 1, jer u start-up izlazni DC napon je nula. T je sa m e uslovi važe u boost konverter, što onda zahtijeva korištenje in-rush struja li m iting kola. T njegov konverter, međutim, ne zahtijeva, kao što kola kao poseban m oda rada pri niskim omjerima dužnost po m its a pokretanje mekog amo m nula izlazni napon.
Što je prikazano na slici 12 s isprekidane linije je idealno DC kon- verzija dobit karakteristika daje jednadžba (7). T je stvarni m easured dc konverzije karakteristika prikazana u punom linijom, međutim, otkriva postojanje u hladu regiona na vrlo niskim omjerima dužnosti tokom koje je dobitak dc konverzije pada na nulu. T herefore, efikasno, stvarni DC konverzije
Slika 12. Izmjerena karakteristika pojačanja jednosmerne struje prikazana punom linijom pokazuje karakteristiku pojačanog pojačanja pri vrlo malim omjerima radne snage kao što je prikazano zasjenjenim područjem, što omogućava meko pokretanje i eliminira sklop zaštite od naleta potreban u konvencionalnim pretvarači pojačanja.
A 400W prototip je izgrađen u provjeru osnovne operacije Bridgeless PFC pretvarača i prikazan je na slici 13a , dok je m merna m su ilustrirani enti napona i liniju trenutni snimljen pod jedinstva snage kontrolom faktor u slici 13b. Imajte na umu da je mrežna struja zaista proporcionalna mrežnom naponu. Međutim, postoje značajna izobličenja u mrežnom naponu. T iskrivljeni mrežni napon rezultat je m bilo kog korisnika priključenog na tu liniju koji crpi snagu na vrhuncu naizmjeničnog mrežnog napona što rezultira popuštanjem mrežnog napona.
Zanimljivo
je primijetiti da u tom slučaju cilj još uvijek nije crtanje struje
sinusoidne linije, već struja linije proporcionalna naponu mreže. T i
dalje će rezultirati PF = 1, iako mrežni napon više nije sinusoidan, već
izobličen. T je
faktor snage m easured
na ovoj konverter prototip je 0.999.
Napomena za uredništvo: Dio 2 ovog članka pojavit će se u izdanju Power Electronics Technology iz avgusta. Za pitanja u vezi s ovim člankom i kontakt podatke s autorom, čitatelji su upućeni na web stranicu TESLAco-a na http://www.teslaco.com.
Fusnota: Bridgeless PFC Converter T M i single-stage PFC Converter T M su trgovine m ARKS od T ESLAco
LITERATURA
T echnology, Pasadena, Kalifornija.
DR. SLOBODAN CUK ,
Predsjednik, TESLAco
Dio 2
PFC konvertor bez mosta postiže 98% efikasnosti, faktor snage 0,999
Proteklog mjeseca opisali smo PFC pretvarač bez mosta koji čeka patent, a zasnovan je na novoj metodi hibridnog prebacivanja koja potpuno eliminira ispravljač punog mosta. Prava jednostepena obrada snage rezultira mnogim prednostima u odnosu na konvencionalne dvostepene PFC pretvarače sa prednjim krajevima ispravljača, uključujući i efikasnost preko 98% koja se postiže odgovarajućim preklopnim uređajima, faktor snage 0.999, smanjeni troškovi, veličina i težina, pojedinačni jeftina magnetika i 100% iskorišćenje svih komponenata bilo za pozitivne ili negativne polucikluse ulaznog napona. Trofazno proširenje PFC pretvarača bez mosta pruža jedinstveni rad faktora snage, niska ukupna harmonijska izobličenja i eliminira veliki izlazni istosmjerni kondenzator, a rezultira malim izlaznim naponom mreškanja. PFC pretvarač bez mosta sa slike 1aradi direktno na naizmjeničnom mrežnom naponu, jer je eliminiran prednji kraj ispravljača s punim mostom povezan sa konvencionalnim PFC pretvaračima.
U 1. dijelu pokazalo se da je ovaj pretvarač sposoban pružiti pojačani DC napon za bilo koji od polariteta ulaznog napona. Nadalje, također je pokazano da je omjer jednosmjerne konverzije jednak za bilo koji od polariteta ulaznog napona i jednak:
Vg ( 1 - D )
(1)
Slika 1. PFC pretvarač bez mosta
Dakle, jednakost pojačanih konverzija istosmjerne struje u funkciji omjera radne snage D upravljačkog prekidača S za bilo koji polaritet (1) jedan je važan preduvjet da bi pretvarač radio kao jednostepeni AC-DC ( Pretvarač bez mosta sa PFC funkcijom.
U jasnom odstupanju od prethodnih pokušaja konverzije PFC-a bez mosta, sve komponente, sva tri prekidača, ulazna induktivnost L, rezonantna induktivnost Lr i rezonantni kondenzator Cr 100% se koriste jer sudjeluju u radu PFC-a za obje
Slika 2. Talasni oblici struje rezonantne indukcije: (a) Promjenjivo vrijeme uključivanja i konstantna frekvencija uključivanja što rezultira intervalom nulte struje. (b) Stalno vrijeme uključivanja i promjenljivo vrijeme isključenja eliminira interval nulte struje. (c) Stalno uključivanje i promjenjiva frekvencija uključivanja rezultiraju efektivnom kontrolom omjera radne snage.
|
97.7 |
6% |
|||||||||
|
96,21% |
||||||||||
Slika 3. Eksperimentalna merenja na prototipu od 300 W PFC pretvarača bez mosta: (a) Merenja efikasnosti na nivou od 300 W u širokom opsegu ulaznog naizmeničnog napona od 85 do 240 Vac (b) Merenja gubitaka snage u istom širokom opsegu ulaznog napona .
pozitivnog i negativnog dijela ulaznog izmjeničnog napona tako da nikada nema praznih dijelova, kao što je slučaj kod konvencionalnih PFC pretvarača.
PFC KONTROLNI MEHANIZAM
Korekcija faktora snage zasniva se na prisiljavanju ulazne struje i izmjeničnog napona pretvarača na slici 1b da postane proporcionalna i u fazi ulaznog naizmjeničnog napona upotrebom odgovarajućeg upravljačkog kruga. Jedan krug, koji se može koristiti, sadrži konvencionalni PFC IC kontroler kojem se spolja dodaju strujni krugovi za preklapanje i preklapanje napona, kao što je prikazano na blok dijagramu na slici 1b .
Modulacija omjera radne snage koristi se za kontrolu prosječne ulazne struje AC-DC izmjeničnog pretvarača sa slike, 1b; stoga širina pojasa ove strujne povratne sprege mora biti dovoljno široka da prisili prosječnu ulaznu struju da bude proporcionalna izmjeničnom ulaznom naponu s minimalnim ili nikakvim izobličenjima. To se postiže korištenjem komutacijske frekvencije 1000 puta veće od 60Hz, kao što je 60kHz.
S druge strane, druga upravljačka petlja napona trebala bi imati malu širinu pojasa (nižu od 60Hz) kako ne bi došlo do izobličenja ulazne struje, a da pri tom regulira izlazni napon. Dakle, izlazni jednosmjerni napon će se regulirati, iako s malom širinom pojasa i imat će mali napon mreškanja pod uvjetom da se koristi odgovarajući izlazni kondenzator velike veličine C. Takav veliki izlazni kondenzator potreban je u jednofaznom PFC pretvaraču izmjenične struje kako bi se popunila razlika u pulsirajućoj ulaznoj snazi i konstantnoj izlaznoj istosmjernoj snazi. Ovaj zahtjev za velikim izlaznim kondenzatorom C potpuno se uklanja kada se trofazni PFC pretvarač bez mosta primijeni na uravnoteženi trofazni mrežni ulaz.
ALTERNATIVNE METODE PFC KONTROLE
Prisiljavanje ulazne struje da bude proporcionalno naponu ulaznog voda postiže se upravljanjem odnosom dužine D upravljačkog prekidača S na jedan od dva načina:
Slika 4. Mjerenje napona i linijske struje kada linijski napon daje laboratorijski generator sinusnih valova: (a) linijski napon (gornji trag) i izmjenična struja (donji trag) na 110Vac, 60Hz ulaznog napona. (b) Linijski napon (gornji trag) i izmjenična struja (donji trag) na 220Vac i 60Hz.
Vremenski interval uključivanja počinje na nultom nivou. Budući da dva ispravljača ograničavaju strujni tok samo u jednom smjeru, interval pražnjenja rezonantnog kondenzatora je efektivno ograničen na tačno polovinu rezonantnog perioda, to jest:
D RTS = Tr / 2 (2)
T r = 1 / f r (3)
Ovdje smo također uveli pojam rezonantnog
Slika 5. Napajanje računarskog servera pomoću PFC pretvarača bez mosta i izoliranog pretvarača bez spremišta.
odnos dužnost, D R . Rezonantni krug je dakle formiran petljom koja se sastoji od dvije rezonantne komponente, C r i L r , prekidača S i odgovarajućih ispravljača struje (jedan za pozitivni i jedan za negativni ulazni napon) spojenih u seriju, kao što je ranije prikazano, što ograničava struju pražnjenja na samo jedan pravac.
U ovom slučaju, rezonantni interval D R T S manji je od ON vremenskog intervala ( slika 2a ) ili jednak intervalu vremena ( slika 2b ). Imajte na umu da je omjer radne snage D veći od rezonantnog omjera D R, što rezultira intervalom kretanja prikazanim nultim nivoom struje rezonantne struje budući da je ispravljač CR 1 ISKLJUČEN ( slika 2a ).
Ako se želi u potpunosti eliminirati ovaj interval aktiviranja nulte struje, treba koristiti varijabilnu kontrolu vremena isključenja, dakle promjenljivu kontrolu frekvencije prebacivanja.
KONSTANTNA ON-TIME I PROMJENJIVA OFF-TIME KONTROLA
Za najveću efikasnost i najbolje performanse, gore opisani intervali nultog strujanja moraju biti eliminirani. Tada je najbolji način rada održavati vrijeme uključivanja konstantnim prema:
T ON = DT s = T r / 2 = konstanta (4)
tako da je omjer radne snage proporcionalan frekvenciji prebacivanja, ili:
Vrijeme uključivanja (interval DT s) prikazano je prvo kako bi se naglasilo promjenljivo vrijeme isključenja i promjenjiva frekvencija prebacivanja, kao i eliminacija nultog intervala pokretanja konstantnog rada frekvencije prebacivanja.
Jednostepeni ac-dc PFC pretvarač potvrđen je na eksperimentalnom prototipu od 300 W, koji pretvara naponski naponski napon od 110 V i mrežni napon od 220 V u izlazni jednosmerni napon od 400 V sa vrlo visokom efikasnošću u širokom rasponu ulaznog napona. Na slici 3a prikazana su mjerenja efikasnosti na nivou od 300 W u rasponu ulaznog izmjeničnog napona od 85Vac do 240Vac, a na slici 3b prikazana su mjerenja gubitka snage.
D = f S / 2fr (5)
Dakle, regulacija napona se postiže korištenjem promjenjive preklopne frekvencije fS i odgovarajućeg omjera dužine D prema jednačini (5). Imajte na umu da su sve jednosmjerne veličine, kao što su omjer jednosmjerne konverzije, jednadžba (1), istosmjerni naponi na kondenzatorima i jednosmjerne struje prigušnica i dalje u funkciji samo omjera radne snage D, kao u slučaju frekvencijskog rada sa stalnim prebacivanjem , budući da se frekvencija prebacivanja (bilo konstantna ili promjenljiva) učinkovito uklanja iz svih stanja stabilnog stanja.
Imajte na umu da je ovo jedna od ključnih razlika između metode hibridnog prebacivanja i svih ostalih konvencionalnih rezonantnih metoda, u kojima ustaljeni uslovi nisu samo funkcija omjera radne snage D, već i struje opterećenja, rezonantne frekvencije i ostali parametri i uvjeti kruga. U hibridnom prebacivanju, unatoč prisutnosti rezolucije, zadržava se ista jednostavnost konvencionalne PWM regulacije: omjer pretvorbe napona i ostali ustaljeni uvjeti ovise samo o radnom omjeru D.
Talasni oblici sa slika 2b i 2c pokazuju konstantu
6. Mjerenja učinkovitosti na prototipu od 600 W izoliranog pretvarača bez spremišta koji daje 12V izlaz pri 50A struji opterećenja i radi na 68,5kHz:
Slika 7. PFC pretvarač bez mosta sa dva izlaza: pozitivnim i negativnim i zajedničkom induktivitetom L i zajedničkim upravljačkim prekidačem za smanjenje veličine, težine i troškova i poboljšanje efikasnosti.
Izmerena je vrlo visoka efikasnost od preko 97% u širokom opsegu ulaznog izmjeničnog napona. Obratite pažnju na vrlo visoku efikasnost pri niskom naponskom naponu od 85Vac kao što je prikazano na slici 3a, dok su mali ukupni gubici prikazani na slici 3b . To jasno ukazuje na odsustvo ispravljača mosta na prednjoj strani. Konvencionalni PFC pretvarači imaju značajan pad efikasnosti na niskom naponu od 85 V, usljed padova napona dvodijelnih mostovnih ispravljača.
Slika 4a prikazuje linijski napon (gornji trag) i izmjeničnu struju (donji trag) na ulaznom naponu 110V 60Hz. Faktor snage izmjeren je pri opterećenju od 300 W i iznosi 0,999, a izmjereno je ukupno harmonijsko izobličenje (THD) od 1,7%.
Slika 4b prikazuje linijski napon (gornji trag) i struju izmjenične struje (donji trag) na 220V izmjeničnog toka i 60Hz. Faktor snage izmjeren je pri opterećenju od 300 W i iznosi 0,991, a THD 2%.
Mjerenja harmonskih struja prikazana su u Tabeli 1 za 110V i Tabeli 2 za 220Vac za 60Hz i 50Hz.
8. Trofazni PFC pretvarač bez mosta eliminira potrebu za velikim izlaznim kondenzatorom C.
RAČUNARSKI SERVERI, NAPAJANJA ZA PC
Od mnogih aplikacija koje su prema industrijskim propisima potrebne za upotrebu PFC kontrole, možda najrasprostranjenija je upotreba na računarskim serverima i ličnim računarima. Blok dijagram takve sistemske aplikacije prikazan je na slici 5 , na kojoj prednji Pless pretvarač bez mosta generira srednje visoki istosmjerni napon za skladištenje energije na 400 V za vrijeme zadržavanja od 20 msec. Za takve primjene, TESLAco je razvio vrlo visoku efikasnost, izolirani pretvarač bez spremišta ™ male veličine, zasnovan na svojoj metodi pretvorbe bez spremišta. Podaci mjerenja učinkovitosti za prototip pretvarača napona bez spremišta od 600 W, 12 V prikazani su na slici 6a, a mjerenja gubitaka na slici 6b .Jedina magnetna komponenta u pretvaraču je izolacijski transformator prikazan na slici 6c . Ovaj transformator izrađen je od dvije naslagane feritne toroidalne jezgre, svaka poprečnog presjeka 33 mm2 za prilično mali ukupni presjek od samo 66 mm2, uprkos niskoj radnoj frekvenciji prebacivanja od 68,5 kHz. Tip jezgre je EPCOSR20x10x7 u materijalu N87 14/2/3.
Još jedna jedinstvena karakteristika je upotreba samo jednog okretnog sekundarnog napona za izlazni jednosmerni napon od 12 V, otkrivajući znatno niže pobuđivanje fluksa transformatora u ovom pretvaraču bez spremišta u odnosu na konvencionalne pretvarače kojima je potrebno najmanje 3 zavoja sekundarnih namotaja za efektivnih 4 V / zaokret izljev fluksa i mnogo veće feritne jezgre na tako niskoj radnoj frekvenciji prebacivanja. Jasno je da toroidna struktura jezgre ne sugerira jednosmjernu pristranost u transformatoru, dakle nema zasićenja bilo kojom jednosmjernom strujom opterećenja i mogućnost velike struje preopterećenja dva ili više puta u odnosu na nominalnu struju opterećenja ograničenu kratkotrajnim termičkim razmatranjima.
Slika 9. Komponente jednosmerne struje opterećenja za pretvarač sa slike 9: (a) Struja opterećenja zbog ulazne struje faze 1 (b) Struja opterećenja zbog ulazne struje faze 2
(c) Struja opterećenja zbog ulazne struje faze 3 (d) Ukupna struja opterećenja je zbroj struja opterećenja zbog svake od ulaznih faznih struja. DC komponente se sabiraju sa istosmjernom strujom opterećenja I0, dok se izmjenične komponente zbrajaju na nulu zbog njihovih trofaznih veza.
DVA IZLAZNA MOSTA PFC PRETVARAČA
Sistem ranog jednosmernog prenosa koji je predložio Edison bio je trožični sistem sa neutralnom žicom koja je nosila br
Istosmjerna struja. Za istosmjerne transmisije, ovo rezultira udvostručavanjem prenosne snage za istu količinu bakra koja se koristi u odnosu na direktni dvožični sistem istosmjernog prijenosa i stoga je poželjna metoda.
PFC pretvarač bez mosta može generirati ili izlazni istosmjerni napon pozitivnog ili negativnog polariteta, što dovodi do izravne primjene trožičnog istosmjernog sustava prijenosa. To se lako može vidjeti u pretvaraču sa slike 1a , u kojem
promjena smjera oba trenutna ispravljača CR 1 i
CR 2 rezultirat će negativnim izlaznim istosmjernim naponom. Daljnja ušteda veličine i težine i poboljšanje efikasnosti mogu se postići kada su dva takva odvojena pretvarača integrirana u jedan pretvarač s dva izlaza, koji imaju jedan induktor L i jedan aktivni prekidač S, kao što je prikazano na pretvaraču sa slike 7.
PFC PRETVORNICI OD MOSTA BEZ MOSTA PREMA MOSTU
Novi Bridgeless PFC pretvarač se temelji na romanu hibrid-switching m enija da eli m inates full-most ispravljač u potpunosti. Prema tome, sadašnji rezultati izum u m bilo funda m ental prednosti u odnosu na konvencionalne mosta tipa PFC konvertera:
t) JHIFTU FGGJDJFODZ XJUI PWFS 98% BDIJFWBCMF XJUI BQQSPQSJBUF
jedan aktivni prekidački uređaj za sklopku S.
t 3FEVDUJPO PG UIF DPTU, TJ [F BOE XFJHIU.
t) JHI QPXFS RVBMJUZ XJUI MPX UPUBM IBSNPOJD EJTUPSUJPO
t 'VMM VUJMJ [BUJPO PG BMM UIF DPNQPOFOUT GPS CPUI QPTJUJWF BOE
negativni dio ciklusa naponskom ulazu jer nema praznog hoda ko m - delovi auto u bilo liniji ciklusa.
t 4NBMM TJ [F BOE MPX DPTU SFTPOBOU DBQBDJUPS BOE SFTPOBOU
prigušnice.
t #SJEHFMFTT 1 '$ DPOWFSUFS UPHFUIFS XJUI * TPMBUFE 4UPSBHFMFTT
$ POWFSUFS GPSN B WFSZ FGGJDJFOU BOE VMUSB-TNBMM TJ [F DPOWFS -
Sion SYSTE m za data centra servere i osobne co m puters. Dvoizlazno produženje PFC pretvarača bez mosta sa pozitivnim i negativnim izlaznim istosmjernim naponima
t 5ISFF-1IBTF #SJEHFMFTT 1 '$ DPOWFSUFS FMJNJOBUFT MBSHF PVU -
stavite kondenzator za pohranu, a opet rezultira niskim izlaznim naponima mreškanja.
t 5ISFF-QIBTF #SJEHFMFTT 1 '$ DPOWFSUFS QSPWJEFT UIF NPTU
efikasna veza između trofazni trans m isija linije i lokalnih DC trans m isija SYSTE m .
t & GGJDJFOU BOE EJSFDU DPOOFDUJPO CFUXFFO MPOH EJTUBODF
trofazni trans m isija SYSTE m i međugradske DC trans m isija SYSTE m .
TROFAZNI BEZMETNI PFC PRETVARAČ
Trofazni sistem naizmjenične struje Nikole Tesle zamijenio je sistem jednosmerne struje Edison kao mnogo efikasniju alternativu za prenos električne energije na velike daljine, zahvaljujući upotrebi trofaznog transformatora za povišenje prenosnog napona na 400 kV i shodno tome smanjenje prenosna struja i gubici bakra. Teslin trofazni prenosni sistem, među ostalim, ima jedno jedinstveno svojstvo: uprkos činjenici da svaka faza pomaknuta za 120 stepeni ima sinusni napon i struju, a time i trenutnu snagu koja varira, zbroj trenutnih ulaznih snaga uravnoteženi trofazni prenosni sistem je konstantan i neovisan o vremenu:
i 1 v 1 (t) + i 2 v 2 (t) + i 3 v 3 (t) = P = konstanta (6)
Ova karakteristika trofaznog prenosnog sistema koristi se u velikoj prednosti u trofaznom Pless pretvaraču bez mosta prikazanom na slici 8 . Svaki od tri PFC pretvarača bez mosta sa slike 1aspojen je na odgovarajuću fazu trofaznog ulaza spojenog sa zvijezdom, dok su njihovi izlazi spojeni na zajednički izlazni napon, tako da je izlazni istosmjerni terminal uzemljenja spojen na nulu četverožične trofazne zvijezde izmjenični ulazni napon. Izlazna jednosmjerna snaga umnožak je izlaznog istosmjernog napona i izlazne jednosmjerne struje i po definiciji ne fluktuira u vremenu i trebala bi biti jednaka (6) jer izmjenični prijenos ne pohranjuje jednosmjernu energiju. To dolazi kao izravni rezultat koji je, iako je svaka faza od tri izlazne struje odgovarajućih pojedinačnih jednofaznih PFC pretvarača bez mosta, označenih kao i01 (t), i02 (t) i i03 (t) na slici 8 sami po sebi variraju u vremenu kako je prikazano na talasnim oblicima sa slike 9 a, b, c,njihov zbroj, zbog faznog pomaka od 120 stepeni, rezultira konstantnom strujom opterećenja I0 i konstantnom snagom P datom u (6), čak i bez potrebe za bilo kakvim izlaznim kondenzatorom C zbog slijedećeg odnosa:
i 01 (t) + i 01 (t) + i 01 (t) = I 0 (7)
Imajte na umu da bi u uobičajenom trofaznom ispravljanju pomoću šest strujnih ispravljača, rezultujuće mrežno napon istosmjernog napona trebao proporcionalno veliki izlazni kondenzator
C. Iako bi izravno ispravljanje trofazne linije rezultiralo relativno dobrim faktorom snage, harmonijsko izobličenje prisutno u svakoj fazi neće udovoljiti regulacijskim zahtjevima i stoga bi bilo potrebno aktivno ili pasivno PFC upravljanje za smanjenje harmonskih struja.
Tablice: Ukupna harmonijska izobličenja (THD) izmjerena sa opterećenjem od 300 W (1) Za 110Vac, ulazni napon 60Hz (2) 220 Vac, 60Hz i 50Hz ulazni napon.
PRIKLJUČAK NA BUDUĆI SISTEM PRIJENOSA DC
Solarna proizvodnja počinje pružati povećanu snagu koja nadopunjuje snagu generisanu tradicionalnim izvorima, poput uglja, nafte, nuklearne i hidroenergije. Solarni izvori generišu jednosmjernu energiju što dovodi do planiranja budućih dalekovoda istosmjerne struje pri visokim istosmjernim naponima. Jasno je da bi takvi istosmjerni dalekovodi bili najefikasniji kao trožični istosmjerni prijenosni sistem s neutralnim ili uzemljenjem i pozitivnim i negativnim istosmjernim naponima dostupnim za prijenos na velike daljine.
Trofazni PFC pretvarač bez mosta prikazan na slici 8 bio bi idealna veza između trofaznog AC sistema prenosa i budućeg DC sistema prenosa. Imajte na umu da trofazni PFC pretvarač bez mosta može iskoristiti istu prednost kao jednofazna implementacija PFC-a bez mosta sa slike 7 i pretvoriti svoju snagu u trožični istosmjerni sistem prijenosa.
DRUGO "NEMOGUĆE" RJEŠENJE PRETVARAČA
PFC pretvarač bez mosta naći će put u druge primjene dok inženjeri dizajna nastoje iskoristiti veličinu kruga i atribute performansi. Drugo u nizu "nemogućih" rješenja pretvarača, "Jednofazni izolirani PFC pretvarač bez mosta" , bit će objavljeno u septembarskom izdanju Power Electronics Technology. Ovaj izolirani PFC pretvarač bez mosta, prikazan na slici 10, pruža i PFC i izolaciju u jednostepenoj obradi snage koja se sastoji od aktivnog prekidača S na primarnoj strani i dva ispravljača struje na sekundarnoj strani i jednog magnetnog jezgra. Dizajn postiže izuzetno visoku efikasnost konverzije od preko 97%.
Napomena o uređivanju : Za pitanja u vezi s ovim člankom i kontakt informacije s autorom, čitatelji su upućeni na web stranicu TESLAco-a na http: // www.teslaco.com.
*
Fusnota:
PFC Converter bez mosta i PFC konvertor u jednoj fazi zaštitni su znakovi
kompanije TESLAco.
10. Jednostepeni izolirani PFC pretvarač bez mosta.
DR. SLOBODAN CUK,
Predsjednik, TESLAco
3. dio
Jednofazni izolirani PFC pretvarač bez mosta postiže 98% efikasnosti
Do sada se smatralo nemogućim imati AC-DC pretvarač sa PFC i izolacionim karakteristikama u jednoj fazi obrade snage i bez obaveznog ispravljača s punim mostom. To više nije slučaj. Visoke performanse neizoliranog PFC pretvarača bez mosta (opisano u julu 2010. godine, Power Electronics Technology ) sa faktorom snage 0,999 i harmonijskim izobličenjem 1,7% THD očuvane su uz jedini
dodatak je odgovarajuće umetnuti izolacioni transformator. Integrirano proširenje Magnetics rezultira jednom magnetskom komponentom, konfiguracijom s 3 prekidača, u usporedbi s 14 prekidača i četiri magnetne komponente uobičajenog trostupanjskog pristupa. Kao rezultat, ovo jednostepeno rješenje ima znatno poboljšanu efikasnost od preko 98%, u poređenju sa 90% trostupanjskog pristupa i istovremeno nudi značajno smanjenje veličine i troškova.
Prvo ograničenje nalazi se u konvencionalnom Boost PFC pretvaraču prikazanom na slici 1a , koji može raditi samo od ispravljenog izmjeničnog voda kao što je prikazano talasnim oblicima na slici 1b, što rezultira dvostupanjskom obradom snage. Dodatni je problem što ne postoji jednostavan i učinkovit način za uvođenje izolacije u konvencionalni Boost pretvarač sa slike 1a.
Kao što se vidi na slici 2a,jedan pristup je korištenje punog mosta proširenja Boost pretvarača za uvođenje izolacije, koja se zatim kontrolira kao PFC pretvarač. Međutim, imajte na umu njegovu složenost koja se sastoji od četiri tranzistora na primarnoj strani i četiri diodna ispravljača na sekundarnoj strani koja rade na preklopnoj frekvenciji, na primjer, 100 kHz, sa dodatne četiri diode ulaznog mostovskog ispravljača koji rade na linijskoj frekvenciji od 50 Hz ili 60 Hz što rezultira ukupno 12 prekidača. Linearna struja tada će imati superponiranu ulaznu valovitu struju induktora pri visokoj frekvenciji uključivanja, koju treba filtrirati dodatnim visokofrekventnim filterom na izmjeničnoj liniji. Prisustvo 12 prekidača i njihov rad u režimu tvrdog prebacivanja rezultira velikim gubicima u provodljivosti i prebacivanju. Najbolja efikasnost prijavljena sa ovim dvostupanjskim pristupom je 87%,koji su takođe uključivali dodatne sklopne uređaje za postizanje rezonantnih prijelaza i smanjenje preklopnih gubitaka.
Slika 1a. Diodni ispravljač s punim mostom, zajedno sa pojačivačem pretvarača, koji se koristi kao dvostupanjsko rješenje za neizoliranu pretvorbu izmjeničnog u istosmjernu struju sa značajkom korekcije faktora snage. 1b. Talasni oblici ispravljenog linijskog napona i struje u PFC pretvaraču sa slike 1a.
Ova konfiguracija ima problem s pokretanjem koji nastaje uslijed pojačanja samo jednosmjernog napona. Dakle, dodatni sklop je potreban za prethodno punjenje izlaznog kondenzatora prije pokretanja pretvarača. Ovaj problem ne postoji u izoliranom PFC pretvaraču bez mosta, kao što je opisano u sljedećim odjeljcima.
Međutim, najčešći pristup za snagu od 1 kW ili veću je upotreba trostupanjske obrade snage prikazane na slici 3a, u kojoj mostni ispravljač na ulazu prati izolirani Boost PFC pretvarač s punim mostom. U ovom slučaju potrebno je ukupno četrnaest (14) prekidača! Najveća efikasnost je do 90%, pa je bolji od dvostupanjskog pristupa. Stoga se ovaj trostupanjski pristup koristi u praktično svim prisutnim aplikacijama velike snage.
Za srednju i malu snagu, alternativni pristup sa smanjenim brojem prekidača prikazan je na slici 3b , na kojem je pretvarač unaprijed korišten za fazu izolacije. Iako se broj prekidača smanjuje na deset, problem je što su četiri preklopna uređaja u pretvaraču prema naprijed i dalje izložena znatno povećanim naponskim naprezanjima na primarnim bočnim prekidačima i na sekundarnim bočnim prekidačima u usporedbi s dvostupanjskim rješenjem punog mosta. Također imajte na umu da se četiri magnetska komada moraju koristiti kao u cjelovitom rješenju kada je uključena induktivnost ulaznog filtra.
NOVI IZOLIRANI PFC pretvarač bez mosta
Jasno je da sadašnja rješenja izmjeničnog i istosmjernog napona s PFC i izolacijom koriste konfiguraciju s tri kaskadna pretvarača (mostovni ispravljač praćen sa dva istosmjerna / istosmjerna pretvarača) tako da se ukupna snaga obrađuje u nizu tri puta, što rezultira velikim gubicima snage i niska ukupna efikasnost.
PFC pretvarač bez mosta na slici 4a i njegova kontrola modulacije omjera radne snage na slici 4b prikazani su u julskoj Power Electronics Technology da rade direktno sa izmjeničnog voda i bez potrebe
Slika 3a. Diodni ispravljač s punim mostom praćen pojačanim PFC pretvaračem i izoliranim pretvaračem s punim mostom koji se koristi kao trostupanjsko rješenje za pretvorbu izmjenične u istosmjernu struju s izolacijom i korekcijom faktora snage sastoji se od 14 prekidača i 4 magnetske komponente.
Slika 3b. Diodni ispravljač s punim mostom praćen pojačanim PFC pretvaračem i izoliranim pretvaračem prema naprijed koji se koristi kao trostupanjsko rješenje za pretvorbu izmjenične u istosmjernu struju s karakteristikama izolacije i korekcije faktora snage sadrži 10 prekidača i 4 magnetske komponente, kada ulazni filter priloženi je induktor.
Slika 4a. Topologija PFC pretvarača bez mosta s jednim upravljačkim prekidačem S. Slika 4b. Stanja jednog kontrolnog prekidača S u PFC pretvaraču bez mosta sa slike 4a.
za ispravljač Full Bridge ispred. Ovaj pretvarač ima samo tri prekidača i radi na temelju nove metode hibridnog prebacivanja. Uprkos upotrebi rezonantnih prigušnica i rezonantnih kondenzatora, ova hibridna metoda prebacivanja rezultira da dobitak istosmjernog napona ovisi samo o omjeru radne snage i da ima isto pojačanje istosmjernog napona kao i obični pretvarač pojačanja bilo za pozitivni ulazni ili negativni ulazni napon , stoga osigurava automatsko ispravljanje izmjeničnog voda bez potrebe za prednjim ispravljačem mosta.
Jasni cilj sada postaje uvođenje izolacije u PFC pretvarač bez mosta na najjednostavniji i najefikasniji način. Željeni način bio bi da se ne poveća broj prekidača (koliko je bio potreban za uobičajeni pojačivački pretvarač!) I da se dobije jednostavan i efikasan izolacijski transformator. Oba cilja postižu se jednostavnim postupkom opisanim u nizu ekvivalentnih transformacija kola ilustriranih na sl. 5a, 5b i 5c . Imajte na umu da je u ovim ekvivalentnim krugovima ulazni napon označen kao pozitivni izvor jednosmerne struje Vg radi pojednostavljenja označavanja odgovarajućih komponenata u stabilnim uslovima. Stvarni AC-DC pretvarač napaja se vremenski promjenjivim izvorom izmjeničnog napona V g (t).
Prvo je rezonantni kondenzator podijeljen na dva rezonantna kondenzatora Cr1 i Cr2 spojena u seriju, kao što je prikazano na slici 5a . Zatim se induktor sa induktivitetom magnetiziranja Lm poveže od njihove zajedničke priključne tačke A na masu G, kao što je prikazano na slici 5b . Budući da sada postoje dva kondenzatora, svaki će se smjestiti na svoj jednosmjerni napon V1 odnosno V2. Te napone možemo pronaći pomoću prosjeka stanja i svemira ili volt-sekundne vage na
dvije prigušnice L i L m. Međutim, brži način je korištenje nekih prečica do kruga. Na primjer, petlja koja se sastoji od
ulazni izvor, dvije prigušnice L i L m i rezonantni kondenzator Cr1 moraju zadovoljiti zahtjev da zbrajanje
Slika 5a-c. Postepeni postupak uvođenja izolacijskog transformatora u neizolirani PFC pretvarač bez mosta sa slike 4a.
istosmjernih napona oko petlje mora biti jednaka nuli. Međutim, budući da niti jedan induktor ne može podržati prosječni neto napon na njemu, njihov doprinos jednosmjernom naponu je nula što rezultira da rezonantni kondenzatori Cr1 napon V1 moraju biti jednaki naponima ulaznog izvora Vg i polariteta kao što je prikazano na slici 5b . S druge strane, tokom intervala ON-vremena, dva rezonantna kondenzatora su postavljena paralelno preko induktiviteta magnetiziranja L m , što nameće da jednosmerni napon V2 rezonantnog kondenzatora Cr2 mora biti jednak naponu V1, ili:
V1 = V2 = Vg (1)
Sada se može izračunati napon na magnetiziranju
induktivitet Lm tokom intervala isključenja kao: Vm (vrijeme isključenja) = V - Vg = D / (1-D) Vg (2)
Budući da izlazni istosmjerni napon nije promijenjen gornjim ekvivalentnim transformacijama kruga i jednak je:
V = Vg / (1-D). (3)
To dokazuje da je induktivitet magnetiziranja Lm automatski uravnotežen u volt-sekundama za bilo koji omjer radne radne snage D. Stoga ovu induktivitet magnetiziranja možete zamijeniti transformatorom za namotavanje s omjerom 1: 1 okretaja
Slika 7a. Ekvivalentni model rezonantnog kruga pretvarača na slici 5b, a slika 7b je pojednostavljeni model rezonantnog kruga sklopa na slici 7a.
Slika 6a-c. Istaknuti talasni oblici pretvarača na slici 5c:
a) talasni oblik napona na rezonantnom kondenzatoru primarne strane Cr1 b) talasni oblik napona na rezonantnom kondenzatoru sekundarne strane Cr2 c) talasni oblik valovitog vala jednak zbroju talasnih oblika valovitog vala na oba rezonantna kondenzatora Cr1 i Cr2.
kako je prikazano na slici 5c .
Stvarni talasni oblici napona u vremenskoj domeni na dva rezonantna kondenzatora prikazani su na sl. 6a i sl. 6b da bi imali isti istosmjerni napon Vg, ali su na taj jednosmjerni napon postavljena dva napona mreškanja koja su izvan faze, jer su za vrijeme ISKLJ. vremenski interval prvi rezonantni kondenzator Cr1 se puni, dok se drugi rezonantni kondenzator Cr2 prazni i odvija se suprotno tokom intervala ON-vremena. Prema tome, rezultujući neto mrežni napon na serijskim kondenzatorima jednak je dvostrukom naponu valovitosti na svakom kondenzatoru i nema neto jednosmerni napon kao što prikazuje talasni oblik na slici 6c.
Takođe imajte na umu da se tokom intervala ON-vremena dobija ekvivalentni krug kao što je prikazano na slici 7a . Kako je magnetska induktivitet Lm velika, a njegova impedancija vrlo velika, tako da, do prvog reda, ova impedansa ne opterećuje krug na slici 7a i može se ukloniti s njega da bi se dobio model rezonantnog kruga kao na slici 7b u kojem se ekvivalentni rezonantni kondenzator Cr može izračunati iz:
1 / Cr = 1 / Cr1 + 1 / Cr2 (4)
Stoga se isti rezonantni talasni oblici kao i prethodno dobiveni za neizolirani pretvarač sa slike 4a i odgovarajući analitički rezultati primjenjuju izravno na izolirani pretvarač.
Imajte na umu da se gornja analiza nastavlja na isti način za negativni ulazni napon. Iako su ustaljena stanja na dva rezonantna kondenzatora
Cr1 i Cr2 će se sada na odgovarajući način promijeniti, uključujući polaritet napona na njima, ostaće isto pojačanje istosmjernog napona dato kao (3). Stoga je cilj naveden na samom početku umetanja izolacijskog transformatora u neizoliranu strukturu pretvarača uz minimalne smetnje kako bi se postigao njegov izvorni rad: izolirana konfiguracija ima istu konfiguraciju s tri prekidača, s jednim upravljačkim sada uključite primarnu, a dvije sekundarne dvije pasivne diode na sekundarnoj strani.
Sada se može mjeriti omjer okretaja transformatora sa 1: 1 na transformator s primarnim Np zavojima i sekundarnim Ns zavojima kao što je prikazano na slici 8a i rezultirati ukupnim odnosom jednosmjernog napona od
Slika 8a. Topologija izoliranog PFC pretvarača bez mosta s jednim upravljačkim prekidačem S kojim upravlja ICP čip bez mosta. 8b. Visokofrekventna preklopna struja postavljena na ulaznu izmjeničnu struju od 50 Hz izvučena izoliranim PFC pretvaračem bez mosta sa slike 8a.
V / Vg = NS / NP 1 / (1-D) (5)
Pored izolacije, ovo daje dodatnu fleksibilnost, tako da izlazni napon može biti preko omjera okretaja smanjen na bilo koji željeni izlazni jednosmerni napon.
Imajte na umu da je PFC IC kontroler bez mosta sada na primarnoj strani pretvarača kao što je prikazano na slici 8a , što će rezultirati linijskim talasnim oblikom kao što je prikazano na slici 8b, koji ima visokofrekventni mrežni talas induktora (na preklopnoj frekvenciji na primjer od 50kHz) postavljen na linijsku struju niske frekvencije (50Hz). Valovita struja visoke preklopne frekvencije se zatim filtrira upotrebom zasebnog visokofrekventnog filtra na ulazu pretvarača.
PREDNOSTI IZOLACIONOG TRANSFORMATORA
Postupak koji je slijedio uvođenje prethodno opisanog izolacijskog pretvarača također naglašava neke od ključnih prednosti ovog transformatora u odnosu na izolacijski transformator u konvencionalnim izoliranim pretvaračima kao što su, na primjer, pretvarač prema naprijed i povratni pretvarač, kao što ilustrira BH krivulja petlje njihovih odgovarajućih transformatora prikazana na slici 9 .
Prvo, izolacijski transformator pretvarača unaprijed koristi samo polovinu raspoložive BH petlje, jer je tok transformatora postavljen u jednom smjeru ulaznim prekidačem i izvorom ulaznog napona, ali također zahtijeva mehanizam resetiranja da bi tok vratio na izvorni nulti položaj fluksa naizmenične struje. Mehanizam resetiranja uključuje ili treći namotaj za resetiranje ili češće korišten reset tipa letenja, poznat kao resetiranje stezaljki napona u pretvaraču unaprijed.
Izolacijski transformator u povratnom pretvaraču također koristi samo polovinu mogućnosti jezgra kao protočni pretvarač. Međutim, ima dodatni nedostatak što njegov transformator za vrijeme UKLJUČIVANJA pohranjuje svu ulaznu energiju, a za vrijeme ISKLJUČENJA oslobađa uskladištenu energiju u teret. Zbog toga transformator tipa povratnog leta mora koristiti veliki zračni razmak za pohranjivanje te energije što rezultira znatno smanjenom induktivnošću magnetiziranja, što ilustrira smanjeni nagib BH petlje. Što je veća struja istosmjernog opterećenja, manji je ovaj nagib. Tada se fluks naizmenične struje naslaže na vrh
Slika 9. Usporedba karakteristika radne BH petlje tri tipa izolacionih transformatora koji se koriste u: a) izoliranom PFC pretvaraču bez mosta b) pretvaraču prema naprijed c) pretvaraču u povratnom toku.
ovo veliko pristranost jednosmerne struje, ostavljajući samo preostalu raspoloživu gustinu fluksa za AC tok.
Izolacijski transformator u izoliranom PFC pretvaraču bez mosta koristi oba dijela dostupne mogućnosti protoka jezgre kao što je prikazano na slici 9. Pored toga, nema potrebe za resetiranjem namotaja trećeg reseta ili resetiranjem napon-stezaljki kao u pretvaraču prema naprijed jer se transformator automatski automatski volt-sekunda uravnotežen za bilo koji omjer radne snage D. Uz to, ovaj transformator djeluje kao pravi izmjenični transformator jer ne pohranjuje jednosmjernu energiju i stoga se može graditi na magnetskom jezgru bez zazora što rezultira velikom induktivnošću magnetiziranja i malom strujom magnetiziranja. Činjenica da ovaj izolacijski transformator ne pohranjuje nikakvu jednosmjernu energiju poput povratnog pretvarača može se lako provjeriti na samom pretvaraču:primarni namot uza se ima primarni bočni rezonantni kondenzator Cr1 koji mora biti uravnotežen nabojem, a isto vrijedi i za sekundarni bočni rezonantni kondenzator Cr2. Stoga ni primarni ni sekundarni namot ne mogu imati neto jednosmjernu struju, tako da sam transformator ne akumulira energiju.
Ove prednosti izolacionog transformatora jasno se prevode
Slika 10a. Identični talasni oblici napona na induktoru L i transformatoru t izvan pretvarača na slici 8a, 10b. Integracija transformatora i induktora u zajedničko magnetsko jezgro daje integriranu magnetsku strukturu. 10c. Rezultirajuća nulta ulazna mreškasta struja dobijena implementacijom integrirane magnetske strukture sa slike 10b.
Slika 11a. Integrirani magnetni most PFC pretvarač s jednim prekidačem S kojim upravlja PFC IC čip bez mosta. Slika 11b. Struja ulazne izmjenične struje od 50 Hz koju izvodi integrirani magnetni izolirani PFC pretvarač bez mosta sa slike 11a.
D kao što je prikazano na slici 10a . U petlji koja se sastoji od primarnog namota izolacionog transformatora i izvora ulaznog napona, model izmjenične struje dobiva se kratkim spojem izvora ulaznog napona i primarne rezonantne
u mnogo manju veličinu i veću efikasnost transformatora, koji ima dvosmjernu sposobnost fluksa bez skladištenja istosmjerne energije.
Pretvarač sa slike 8a ima dva magnetska dijela: ulazni induktor i izolacijski transformator koji zahtijevaju dvije magnetske jezgre. Međutim, topologija pretvarača sa slike 8a ima jedinstveno svojstvo: i induktor L i primarni izlaz transformatora imaju identične napone pobude kvadratnog vala vL1 i Vp za bilo koji radni omjer radne snage
kondenzator što dovodi do toga da namotaj induktora i primarni namotaj paralelno budu paralelni jedni drugima. Stoga, bez obzira na pobude naizmjeničnog napona, i induktor i transformator imaju identične talasne oblike izmjeničnog napona, što omogućava njihovo postavljanje na zajedničko jezgro, kao što je prikazano na slici 10b , čime se eliminira jedno magnetno jezgro. Nadalje, pravilno postavljanje zračnog zazora na zajedničko jezgro, kao što je na strani transformatora (slika 10b), pomiče svu valovitu struju sa
Slika 12a Izolirani PFC pretvarač bez mosta sa implementacijom prekidača S sa dva paralelno povezana RBIGBT uređaja. Slika 12b. Zahtjevi za dva kvadranta nametnuti se prekidaču S koji radi u prvom i trećem kvadrantu.
namotaj prigušnice u namotaj transformatora, što rezultira nultom valovitom strujom ulazne struje prigušnice, kao što je prikazano punom linijom na slici 10c . Prema tome, pretvarač može čak raditi na granici načina prekida struje induktivnog kruga (DICM), kao što pokazuju talasni oblici tačkaste linije na slici 10c, i još uvijek rezultirati vrlo malom ulaznom valovitom strujom induktora blizu nule.
Jasno je da bi za tako veliku valovitu struju induktora bio potreban značajan zaseban visokofrekventni filter u konvencionalnom trostupanjskom pristupu. Ovdje dolazi doslovno bez kazne, ali zapravo s dodatnim prednostima u veličini i izvedbi. Na primjer, tako velika dopuštena struja mreškanja ulaznog induktora mogla bi se koristiti za smanjenje veličine jezgre integrirane magnete. Dalje, pokazalo se da je rad na ivici DICM-a u prošlosti rezultirao niskim ukupnim harmonijskim izobličenjima za linijsku frekvenciju od 400Hz. Takva integrirana magnetska izvedba prikazana je na slici 11a, a odgovarajuća čista izmjenična linija bez visokofrekventnih harmonika na slici 11b .
Smjer struje u rezonantnoj induktivnosti mijenja se iz jednog smjera u OFF-vremenskom intervalu u drugi smjer u ON-vremenskom intervalu. Ova promjena smjera struje prigušnice tijekom kratkog prijelaza mogla bi uzrokovati skokove napona na prekidaču S. Što je promjena brža, to bi skok napona bio veći. Međutim, zbog male energije pohranjene u ovom malom induktoru, ovaj šiljak se može efikasno suzbiti upotrebom Zener diode, koja bi ograničila skok napona i rasipala njegovu energiju. Budući da pretvarač radi za oba polariteta ulaznog napona, dvosmjerna Zener dioda, nazvana Transorber, koristi se u praktičnoj primjeni. Ovo bi još jednom rasipalo svu energiju napona i ograničilo napon. Kako god,mogu se koristiti i brojni ne-disipativni načini za oporavak većine sadržane energije i njeno predavanje opterećenju, povećavajući na taj način efikasnost i smanjujući naprezanja prekidača tokom tranzicije.
IMPLEMENTACIJA KONTROLIRANOG PREKIDAČA S
Kao što je prikazano prije za neizolirani Pless pretvarač bez mosta (srpanjska Power Electronics Technology), iste izvedbe za prekidač S jednako se primjenjuju i za ovaj izolirani Pless pretvarač bez mosta: dva RBIGBT-a u pretvaraču sa slike 12a i dva n-kanalna MOSFET-a u pretvaraču Slika 16a .
Očekuje se da će uskoro biti dostupan jedan prekidač od dva kvadranta koji ima karakteristike sa slike 12b . Kako su gubici provodljivosti daleko dominantni gubici izoliranog PFC pretvarača bez mosta, takva implementacija prekidača od dva kvadrata podigla bi ukupnu efikasnost sa sadašnjih 97% na preko 98%.
Niskonaponska naprezanja prekidača u izoliranom PFC pretvaraču bez mosta sa slike 13a prikazana su na slici 13b za primarni prekidač S i na slici 13c za sekundarne bočne ispravljače CR1 i CR2. Ispravljači sekundarne bočne struje imaju naponska naprezanja jednaka izlaznom istosmjernom naponu i stoga rezultiraju minimalnim naponskim naponom.
Slika 13a. Izolirani PFC pretvarač bez mosta s omjerom okreta n: 1 izolacijskog transformatora. Slika 13b. Naponsko naprezanje na jednom upravljanom prekidaču S jednako je izlaznom naponu skaliranom odnosom okretaja transformatora.
Slika 13c. Naponsko naprezanje na dva sekundarna bočna strujna ispravljača jednako je izlaznom naponu.
Slika 14. Pokretanje: Izmjerena karakteristika pojačanja jednosmjernog napona pokazuje karakteristiku opadajućeg pojačanja pri vrlo malim omjerima radne snage kako je prikazano zasjenjenim područjem, omogućavajući meko pokretanje i eliminirajući potrebu za odvojenim krugom za punjenje izlazni kondenzator potreban u konvencionalnim pretvaračima tipa pojačanja.
Naponsko naprezanje ulaznog prekidača S je takođe malo, jer je jednako izlaznom naponu koji se odražava odnosom okretaja transformatora. Niskonaponska naprezanja dovode do veće efikasnosti i smanjenja troškova pretvarača.
Karakteristika jednosmjernog pojačanja izoliranog PFC pretvarača bez mosta (5) sugerira problem pokretanja iz istog razloga kao i ostali izolirani pretvarači pojačanja, poput onog na slici 2a koji ima istu karakteristiku pojačanja tipa pojačanja (5). Međutim, ovaj pretvarač nema takav problem pokretanja zbog svog posebnog načina rada pri malim omjerima radne snage, koji omogućavaju lagano pokretanje od nultog izlaznog napona.
Na slici 14 isprekidanom linijom prikazana je idealna karakteristika pojačanja istosmjernog napona data jednadžbom (5) za poseban slučaj izolacionog transformatora 1: 1, koja je korištena u eksperimentalnoj verifikaciji. Baš kao i u neizoliranom PFC pretvaraču bez mosta, stvarno izmjereno pojačanje jednosmjerne napona prikazano punom linijom otkriva postojanje zasjenjenog područja pri vrlo malim omjerima radne snage tokom kojeg dobitak pretvorbe jednosmerne struje pada na nulu. Stoga je stvarno izmjereno pojačanje jednosmjernog napona onog stepenastog / pojačanog tipa. Dakle, izlazni istosmjerni napon može se lagano pokrenuti od nultog izlaznog napona i dovesti ga povećanjem omjera radne snage u pojačano područje pretvorbe istosmjerne struje, bez potrebe za odvojenim startnim krugom za prednapunjenje izlaznog kondenzatora na jednosmjerni napon dobit od one koja bi inače bila potrebna.
Umetanje izolacionog transformatora pokazalo je da su izvorna topološka struktura i PFC performanse PFC pretvarača Bridge Bridge (neizolirani) sačuvani u izoliranom produžetku, uključujući zadržavanje istih prekidača. Dakle, originalni prototip pretvarača
www.powerelectronics.com oktobar 2010. | Tehnologija energetske elektronike 29
|
TABELA |
||
|
OBRADA SNAGE |
JEDNOSTRANSKA |
TRI FAZE |
|
Tip pretvarača |
IZOLIRANI BEZ MOSTA PFC |
MOST-BOOST PFC-FULL-MOST |
|
Metoda prebacivanja |
HIBRIDNI |
Kvadratni val |
|
Nu m ber prekidača |
3 |
14 |
|
Tranzistori |
1 |
5 |
|
Napon napona prekidača |
Niska |
Visoko |
|
Prebacivanje bez gubitaka |
DA |
Ne |
|
Kontrola |
Si m ple |
Ko m pleks |
|
Magnetni komadi |
1 |
4 |
|
Gubici snage |
2% |
10% |
|
Efikasnost |
> 98% |
88% do 90% |
|
Veličina |
S m svima |
Veliki |
|
Težina |
Svjetlost |
Teška |
|
Trošak |
Niska |
Visoko |
Tablica: Usporedba jednostupanjskog rješenja izoliranog PFC pretvarača bez mosta s trostupanjskim pristupom mostovskog ispravljača, pojačanog PFC pretvarača i izoliranog pretvarača s punim mostom.
od 400 W PFC pretvarača bez mosta (August Power Electronics Technology ) modificiran je umetanjem izolacionog transformatora 1: 1. Kao što se očekivalo, mjerenja faktora snage (PF) i ukupnog harmonijskog izobličenja (THD) ostaju ista pri 0,999 PF i 1,7% THD za 60Hz, 110V linijski rad.
Međutim, učinkovitost je smanjena gubicima u dodanom izolacionom transformatoru, što je rezultiralo dodatnim gubitkom snage od 0,25% do 0,5%, ovisno o veličini transformatora.
Pored velikog broja prekidača koji su mu potrebni, konvencionalna trostepena konverzija rezultira i velikim naponskim naprezanjima na nekim prekidačima, jer koristi srednju visokonaponsku istosmjernu magistralu od 400 V. Konceptualni dijagram prikazan na slici 15a pokazuje ove tri faze pretvorbe i korak pretvorbe u srednju magistralu visokog istosmjernog napona od 400 V.
Jednostepena konverzija karakteristika snage jednostepenog izoliranog P Bridge pretvarača bez mosta sa konvencionalnim trostupanjskim pristupom pomoću mostnog ispravljača, pojačanog PFC pretvarača i izoliranog pretvarača s punim mostom prikazana je u tablici.
Posebno primijetite dramatično smanjenje broja prekidača sa 14 na 3 i istovremeno poboljšanje efikasnosti sa 90% na preko 97% uz smanjenje magnetnih komponenti sa 4 na 1 i odgovarajuće veliko smanjenje težine, veličine i troškova.
Hibridno prebacivanje omogućilo je upotrebu jednostepenog pristupa i umetanja izolacionog transformatora uz minimalne promjene u odnosu na rad neizolirane verzije.
Nekoliko aplikacija izoliranog PFC pretvarača bez mosta potvrđuje svestranost pretvarača za širok raspon snage od 75 W do nekoliko kilovata.
UGRADNI ADAPTER ZA LAPTOP RAČUNARE
Prethodni pokušaji da se AC adapteri stave u prenosne računare nisu uspjeli iz dva razloga:
Oba ova problema su sada riješena izoliranim PFC pretvaračem bez mosta, koji može biti dizajniran da osigura, na primjer, adapter za izmjeničnu struju od 100 W koji generiše 18V do 20V DC izlaza i puni bateriju laptopa direktno iz linije izmjeničnog napona uz istovremeno jedinstveni faktor snage i nizak nivo izobličenja.
Nadalje, jedan integrirani magnetni komad može se napraviti pomoću ravnog magnetskog jezgra, čime se zadovoljavaju zahtjevi niskog profila čak i najzahtjevnijih trenutnih prijenosnih računara s niskim profilom manjim od jednog inča. Konačno, da bi se povećala efikasnost, ispravljači izlaznih dioda mogu se implementirati sa dva MOSFET-a sinhronog ispravljača i pokretačima visoke strane, kao što je prikazano na slici 16a . Da bi se dodatno smanjile veličina i troškovi, dva MOSFET-a i visoki bočni pokretački programi mogli bi se zamijeniti jednim integriranim sili-
Izolirani PFC pretvarač bez mosta
eliminira intermedijarnu magistralu visokog istosmjernog napona koja ide direktno sa izmjeničnog voda kroz ugrađenu ispravku i PFC konverziju u izolirane niže napone kao što je 48V koji se koristi u telekomunikacijama prikazan na slici 15b .
Usporedba ključnog rješenja percon, kao što je Dr MOS, dostupna od velikog broja dobavljača poluprovodnika.
Slika 15a. Trostepena obrada snage s ispravljanjem napona i zatim pojačanom konverzijom napona u srednju 400V jednosmjernu liniju koja se koristi kao ulaz za izoliranu konverziju napona za smanjenje pretvarača sa slike 3b. 15b. Jednofazna izravna konverzija u izlazni istosmjerni napon bez srednje visokog napona magistrale istog trenutka, a istovremeno pruža izolaciju i PFC karakteristike.
NAPUNJAČ AKUMULATORA ZA HIBRIDNE AUTOMOBILE I ELEKTRIČNE BICIKLE
Još jedna atraktivna aplikacija je punjač za hibridne i električne automobile ( slika 16b), koji se koristi za punjenje 200V litijum-jonskih baterija koje se koriste u većini hibridnih automobila. Jasno je da će visoka efikasnost dovesti do povećanja pređenih kilometara po cijeni naplate.
Električni bicikli postaju sve popularniji širom svijeta, posebno u Japanu i Evropi. Trenutno ne postoje prenosivi punjači za bicikle zbog njihove trenutne velike veličine. Novi izolirani PFC pretvarač bez mosta može se koristiti za prijenosne punjače za bicikle od 120 W i eliminirati potrebu za velikim, glomaznim i skupim kućnim punjačem.
Konačno, za industrijsku primjenu bit će dostupni učinkovitiji, manji i jeftiniji punjači za viličare, kolica za golf i invalidska kolica.
TELEKOMUNIKACIJE NAPAJANJE
Kako se telekomunikacijska snaga standardizirala na 48V bateriju kao rezervni izvor za njen pouzdan rad, izolirani Pless pretvarač bez mosta se uklapa u tu aplikaciju, kao i može pružiti jeftin i efikasan ispravljač za 3kW i 10kW potrebni u tim aplikacijama .
Fig. 16a shows the Isolated Bridgeless PFC converter of Fig. 13a with implementation of two MOSFETs on the secondary side controlled by high-side driver control chip, which are suitable for 18V built-in AC adapter designs and 48V telecommunication supply. Fig. 16b Isolated Bridgeless PFC converter with implementation of switch S with two back-to-back MOSFET devices operating in the first and third quadrant, suitable for 200V hybrid car charger.
Nova metoda hibridnog prebacivanja omogućila je jednostepenom izoliranom PFC pretvaraču bez mosta, koji se sastoji od samo tri prekidača i jedne magnetne komponente, da učinkovito zamijeni trostupanjski pristup s do 14 prekidača i 4 magnetne komponente. Rezultirajuće veliko smanjenje gubitaka i istovremeno smanjenje veličine, težine i troškova, odgovara ovom pristupu mnoštvu potrošačkih i industrijskih aplikacija.
TREĆE "NEMOGUĆE" RJEŠENJE PRETVARAČA
Treće
u nizu "nemogućih" rješenja pretvarača, "Izolirani PFC pretvarač bez
mosta sa pulsirajućom ulaznom strujom" (patenti na čekanju), prikazano
je na slici 17 . Pretvarač
ima transformator s povratnim karakteristikama, ali njegov izlazni
jednosmjerni napon je pozitivan (nije negativan kao u povratnom
pretvaraču), a njegova karakteristika pojačanja istosmjernog napona je
tipa pojačanja, tj. 1 / (1-D).
Fusnota: Izolirani PFC pretvarač bez mosta TM i jednostepeni
Izolirani PFC Converter TM su zaštitni znakovi tvrtke TESLAco. Napomena o uredništvu: Za pitanja u vezi s ovim člankom i kontakt informacije s autorom čitatelji su upućeni na web stranicu TESLAco www.teslaco.com.
17. Treće rješenje "nemogućeg" pretvarača: Izolirani PFC pretvarač bez mosta sa pulsirajućom ulaznom strujom.
LITERATURA
2 .. Slobodan Cuk, RD Middlebrook, "Napredak u konverziji snage u komutiranom načinu", sv. 1, II i III, TESLAco 1981. i 1983.
UREDNIČKO stanovište
Ucrtavanje budućnosti u prebacivanju pretvarača napajanja
Upoznao sam DR. SLOBODAN CUK prije mnogo godina na konferenciji Power Systems World koju sponzorira PCIM (Power Conversion and Intelligent Motion) magazin, sada Power Electronics Technology. U to je vrijeme dr. Cuk bio profesor na Kalifornijskom tehnološkom institutu (Caltech) i zadužen za njegovu poznatu Power Electronics Group. U avgustu 1979. godine, dr. Cuk je takođe pokrenuo Optimum Power Conversion, Inc., dba TESLAco.
TESLAco je imao ekskluzivnu licencu od Caltecha za CUKonverter . Za izum nove topologije komutacionog pretvarača i nekoliko njegovih proširenja, dr. Cuk je 1980. godine dobio nagradu IR 100 od časopisa Industrial Research Magazine. Dr. Cuk je takođe 1991. godine osvojio nagradu za medalju Franklin Institute Edward Longstreth za pionirstvo i ubrzavanje razvoja integrisane magnete i konverzije snage u preklopnom režimu.
TESLAco je stekao reputaciju visokotehnološke kompanije specijalizirajući se za prilagođene dizajne preklopnog režima visoke efikasnosti i velike gustoće snage
tradicionalni trostupanjski pristup sa samo tri prekidača i jednom magnetnom komponentom. Zasnovane na novim metodama hibridnog prebacivanja i prebacivanja bez skladišta, koje je izumio dr. Cuk, nove topologije pretvarača istovremeno omogućavaju dramatično smanjenje veličine, težine i troškova, a opet i dalje smanjuju gubitke. Štoviše, u oktobarskom članku analizirana je samo jedna moguća topologija pretvarača, a članak dr. Cuka u ovom novembarskom izdanju Power Electronics Technology predstavlja još jedno rješenje, koje čak dodatno smanjuje broj komponenata, veličinu i cijenu.
Sljedeće godine obilježava se 35 godina otkrivanja metode prosjeka države i svemira. Dr. Cuk, kao začetnik Metode, pozvan je i izložiće glavno obraćanje na APEC konferenciji 2011. godine u martu 2011. godine sa svojim pozvanim referatom: Prosječenje stanja i prostora: prošlost, sadašnjost i budućnost. U ovom radu dr. Cuk će pokazati kako je proširio svoju metodu prosjeka stanja i prostora na nedavno uvedenu metodu hibridnog prebacivanja.
napajanja za komercijalne, industrijske, medicinske,
vojne i svemirske aplikacije.
Donedavno je TESLAco primarno koristio patentiranu TESLAconverter tehnologiju koju je izumio dr. Cuk prije deset godina i koja je u cijelom svijetu zaštićena sa četiri američka patenta i ekvivalentnim stranim patentima. DC / DC dizajni zasnovani na
DR. SLOBODAN CUK,
predsjednik TESLAco-a (Irvine, CA) i bivši Caltechov profesor i osnivač njegove poznate grupe Power Electronics.
Kao što je prikazano u člancima Power Electronics Technology , hibridna metoda prebacivanja omogućava izravnu AC-DC konverziju s PFC-om i izolacijom u jednostupanjskoj fazi, a zadržava jednostavnu kontrolu omjera radne snage uprkos višestrukim rezonancijama. Korišćenjem kapacitivnog prijenosa energije eliminira veliki broj prekidača karakterističnih za pretvarače tipa mosta
TESLAconverter tehnologija, koja je trenutno na tržištu, može premašiti 96% efikasnosti, što omogućava konvekcijsko hlađenje, čak i ako je ugrađena u šasiju male veličine. Ova tehnologija visokih performansi trenutno se koristi i u napajanjima za svemirske aplikacije.
Ove godine ponovo sam sreo dr. Cuka. Istakao je da se ranije smatralo nemogućim imati izolirani pretvarač izmjeničnog i istosmjernog napona s PFC-om u jednoj fazi obrade snage i bez obaveznog ispravljača s punim mostom. Članak dr. Cuka u oktobru 2010. godine, Power Electronics Technology, dokazao je da to više nije slučaj. Julijski članak predstavio je performanse neizoliranog PFC pretvarača bez mosta sa 0,999 faktorom snage i 1,7% THD harmonijskog izobličenja, čime je postignuta 98% efikasnosti.
Izvanredno je da nova topologija pretvarača može zamijeniti 14 prekidača i četiri magnetska elementa konvencionalnih
u trenutnim topologijama PWM kvadratnog vala, rezonantnim i kvazi-rezonantnim topologijama koje se oslanjaju na induktivni prijenos energije.
Nismo sasvim sigurni što dalje možemo očekivati od dr. Cuka, ali dr. Cuk potvrđuje da je TESLAco licencirao i razvija brojne proizvode za svoje kupce u SAD-u, Japanu i Europskoj uniji, od kojih se očekuje da Power Electronics Technology podignu na potpuno novi nivo tehnologije Green Dream Technology ™.
SAM DAVIS, glavni urednik
DR. SLOBODAN CUK , predsednik, TESLAco
Jednofazni izolirani PFC pretvarač bez mosta postiže 98% efikasnosti
nother Isolated Bridge Bridge PFC pretvarač (patenti na čekanju) sa pulsirajućom ulaznom strujom i zasnovan na novoj hibridnoj metodi prebacivanja eliminiše prednji kraj ispravljača s punim mostom, ali ipak osigurava izolaciju u jednostepenoj obradi napajanja, što rezultira performansama, veličinom , i troškovne prednosti u odnosu na konvencionalni trofazni PFC tipa mosta
Jednofazni izolirani PFC pretvarač bez mosta sa pulsirajućom ulaznom strujom postiže poboljšanu efikasnost od preko 98% (postignuto odgovarajućim preklopnim uređajima) u odnosu na 89% trostupanjskog pristupa, nudeći istovremeno značajno smanjenje veličine i troškova, uz održavanje faktor snage približno jedinice od 0,999 i 1,7% ukupnog harmonijskog izobličenja. Jednostepeni pretvarač koristi samo jedan magnetni dio (izolacioni transformator) i tri prekidača, u usporedbi s četiri magnetska dijela i 14 prekidača konvencionalnog trostupanjskog pristupa. Ova pulsirajuća verzija zahtijeva samo jedan rezonantni kondenzator i bez ulaznog induktora, u usporedbi s izoliranim pretvaračem bez mosta predstavljenim u izdanju Power Electronics Technology iz oktobra 2010. godine .
Novi neizolirani PFC pretvarač bez mosta sa pulsirajućom ulaznom strujom sa slike 1a djeluje direktno od izmjeničnog voda i bez potrebe za punim mostom ispred. Uprkos upotrebi rezonantnog induktora i rezonantnog kondenzatora, zahvaljujući novoj hibridnoj metodi prebacivanja, jednosmjerni napon
ovisi samo o omjeru radne snage, a NE o rezonantnim vrijednostima komponenata ili struji opterećenja. Nadalje, pojačanje istosmjernog napona pretvarača je isto ili za pozitivni ulazni ili za negativni ulazni napon. Stoga pruža automatsko ispravljanje izmjeničnih vodova, bez potrebe za ispravljačem mosta.
Iako je topologija pretvarača slična onoj kod konvencionalnog povratnog pretvarača, njegove karakteristike pojačanja napona u radnom pojačanom području su potpuno različite i nisu u obliku povratnog pretvarača sa jednosmjernim pojačavanjem napona D / (1-D), već umjesto tip pojačala pretvarača sa jednosmjernim naponom 1 / (1-D).
Fig. 1(a) Operating directly from the ac line, this converter operates is the second true single-stage bridgeless ac-dc converter with PFC. It has one controlling switch and two diode switches, and in addition to a PWM inductor a small resonant inductor and small resonant capacitor. (b) The new Isolated Bridgeless PFC con- verter and Bridgeless PFC IC controller operates by sensing directly the full-wave AC line voltage and AC line currents and controlling switch S. (c) The switch S is controlled by the Bridgeless PFC IC controller, so as to force the line current to be proportional to the sinusoidal line voltage and in phase with it.
Slika 2 (a) prikazuje rad pozitivnog poluciklusa sinusoidnog napona izmjenične struje prikazan ovim pretvaračem DC-DC . (b) Model ekvivalentnog kruga za ON-vremenski interval. (c) Model ekvivalentnog kruga za interval isključenja. (d) Naponska naprezanja tri sklopke.
Izolirana verzija pretvarača dobija se jednostavno zamjenom zamjene pojedinačne induktivnosti L u pretvaraču sa slike 1a dvo izolacijskim izolacijskim transformatorom sa odnosom okretaja NP: NS, kao što je prikazano u jednostepenom izoliranom PFC pretvaraču bez mosta, slika 1b . Kontrola omjera snage stupnja snage uz pomoć PFC IC kontrolera bez mosta i visokofrekventnog ulaznog filtra prikazanog na slici 1b rezultira čistom sinusoidnom ulaznom strujom povučenom u fazi sa sinusoidnim ulaznim naponom i proporcionalnom njoj, što rezultira jedinstvenim faktorom snage . Izmjereni faktor snage na eksperimentalnom prototipu od 400 W bio je 0,999 za 110V izmjenični tok, 60Hz vod.
MOTORNI PFC PRETVARAČ
Vrlo jasan cilj povećanja efikasnosti je osmišljavanje pretvarača koji može eliminisati prednji kraj ispravljača s punim mostom. Prethodni pokušaji nisu uspjeli eliminirati ispravljače diodnih mostova, što je dovelo do uvjerenja da je rješenje za takav cilj možda "nemoguće" i da takva topologija pretvarača ne može postojati. Pokazuje se da to više nije slučaj jer su izdanja Power Electronics Technology iz jula i avgusta demonstrirala neizolirani True Bridgeless PFC pretvarač, a listopadsko izdanje predstavilo je izolirani PFC pretvarač bez mosta koji se temelji na njemu. Ovdje je uvedena još jedna topologija PFC pretvarača True Bridge (neizolirane i izolirane) koja je još jednostavnija, poput topologije pulsirajućeg pretvarača ulazne struje sa slike 1a .
Ova topologija pretvarača sadrži samo tri prekidača: jedan upravljački prekidač S i dva prekidača ispravljača pasivnih struja CR1 i CR2 kao što je prikazano na slici 1a , koji se uključuju i isključuju kao odgovor na stanje glavnog upravljačkog prekidača S za bilo pozitivni ili negativni polaritet ulaznog izmjeničnog napona.
Slika 3. Rad PFC pretvarača bez mosta za pozitivan poluciklus ulaznog napona. (a) Prekidač S radi u fazi s diodom CR1 i izvan faze s diodom CR2. (b) Stanja prekidača PFC pretvarača (c) Linearno komutirane mreže za ON-vremenski interval (d) Linearno komutirane mreže za OFF-vremenski interval
Slika 4. PWM prigušnica L pobuđuje se kao u PWM pretvaračima s naponom nalik kvadratnom valu tijekom cijelog perioda uključivanja, dok se rezonantna prigušnica uzbuđuje samo u ON-vremenskom intervalu: (a) Napon talasnog oblika PWM prigušnice i odgovarajućeg pozitivnog fluksa izleti (zasjenjeno područje označeno pozitivnim predznakom) i negativni izlasci fluksa (zasjenjeno područje označeno negativnim predznakom. (b) Rezonantni induktor Lr pobuđuje se ko-sinusoidnim naizmjeničnim naponom valova Δvr rezonantnog kondenzatora Cr i potpuno je fluks- uravnotežen tokom samo ON-vremenskog intervala (pogledajte odgovarajuća zasjenjena područja).
Dakle, prekidač S sam kontrolira oba diodna prekidača, čija se stanja automatski mijenjaju u skladu s polaritetom ulaznog napona izmjenične struje. Na primjer, za pozitivni polaritet izmjeničnog ulaznog napona, strujni ispravljač CR1 provodi tijekom vremenskog intervala UKLJ. Prekidača S. Zatim, za negativnu polaritet izmjeničnog ulaznog napona, isti strujni ispravljač CR1 vodi tijekom ISKLJUČENO -vremenski interval prekidača S. Trenutni ispravljač CR2 takođe automatski reaguje na stanje prekidača S i polaritet ulaznog izmjeničnog napona. Za pozitivni polaritet koji provodi tijekom vremenskog intervala ISKLJUČENJA prekidača S, a za negativni polaritet, on provodi tijekom vremenskog intervala UKLJUČENJA prekidača S.
Dakle, tri prekidača rade u svakom trenutku, i za pozitivni i za negativni poluciklus ulaznog mrežnog napona.
Slika 5. Talasni oblici struje rezonantne indukcije i napona rezonantnog kondenzatora tokom čitavog perioda uključivanja (a) Struja rezonantne indukcije ir tokom čitavog perioda uključivanja (b) Napon rezonantnog kondenzatora pokazuje linearno punjenje rezonantnog kondenzatora Cr tokom vremenskog intervala ISKLJUČENJA
Dakle, ovaj istinski PFC pretvarač bez mosta TM radi bez ispravljača s punim mostom, budući da topologija pretvarača sama podrazumijeva ispravljanje izmjeničnog napona kako bi rezultirala izlaznim naponom jednosmjerne struje za bilo koji od polariteta ulaznog napona izmjenične struje. Eliminacijom ispravljača sa punim mostom direktno se eliminiraju veliki gubici, posebno za donji vod od 85V.
Kao što se vidi na slici 1a, ova se topologija također sastoji od plutajućeg kondenzatora za prijenos energije Cr, koji djeluje kao rezonantni kondenzator za dio komutacijskog ciklusa, te rezonantnog induktora Lr i izolacijskog transformatora.
NAPONSKI STRESI PREKIDAČA
AC-DC pretvarač prikazan na slici 1a kada radi sa pozitivnim poluciklom sinusoidnog izmjeničnog napona dobro je predstavljen sa DC-DC pretvaračem prikazanim na slici 2a . Odgovarajući modeli pretvarača za vremenski interval uključivanja ( slika 2b ) i interval vremena isključenja ( slika 2c ) direktno rezultiraju naponskim naprezanjima tri sklopke kao:
VCR1 = VCR2 = VS = V (1)
gdje je V izlazni jednosmjerni napon, jer sa slike 2a:
Vg + VCr = V (2)
Odnos (1) grafički je prikazan na slici 2d kao a
ravna linija s relativnim pojačavanjem od 1, da ilustrira važnu prednost ove topologije da sva tri prekidača imaju za bilo koji omjer radnog opterećenja isto naponsko naprezanje jednako izlaznom naponu V. To bi trebalo, na primjer, usporediti s naponom naprezanja za povratni pretvarač. Iako povratni pretvarač ima samo dva prekidača, svaki od prekidača ima pri naponu od 50% naponski napon jednak dvostrukom izlaznom istosmjernom naponu.
Prema tome, ako se koristi povratni pretvarač za AC-DC pretvarač s V = 400V izlaza, trebat će mu prekidači nazivnog napona 1200V, za razliku od 600V nazivnih prekidača u pretvaraču sa slike 1a . Međutim, prekidač s naponom od 1200 V (u ovom slučaju IXYS 'IXTH12N1200 prekidač u paketu TO-247), pokazuje otpor na 1.4Ω ON i kapacitet odvoda od izvora 280pF. Za usporedbu, najbolji uređaj u klasi s ocjenom 600 V u istom paketu TO-247, IPW66R037C6 tvrtke Infineon, pokazuje otpornost ON na 37 mΩ i kapacitet odvoda od izvora 130 pF.
Imajte na umu da ova konfiguracija postiže gotovo 40 puta smanjenje otpora na ON i odgovarajuće smanjene gubitke provodljivosti, i više od 2 puta smanjeni kapacitet odvoda do izvora za smanjene gubitke kod uključivanja. To očigledno čini povratni pretvarač mnogo manje efikasnim od nove topologije pretvarača sa slike 1a . Kada se također prepozna da se konvencionalni povratni pretvarač ne može koristiti bez prednjeg mostovnog ispravljača za pretvorbu AC-DC, razlika u efikasnosti postaje još veća.
DETALJNA ANALIZA
Rad iz pozitivnog ulaznog napona
Prvo analiziramo rad pretvarača na slici 3a u kojoj je izvor ulaznog napona pozitivan jednosmjerni napon i ima stanja prekidača kao na slici 3b. Linearna komutirana mreža za ON-time interval prikazana je na slici 3c, a linearna komutirana mreža za ON-time interval prikazana je na sl. 3d. Da bismo pojednostavili analizu, pretpostavit ćemo da je induktor L vrlo velik, što rezultira konstantnom ulaznom jednosmjernom strujom I sa zanemarljivom izmjeničnom strujom valova.
Ravnoteža protoka dvaju induktora i pojačanje istosmjernog napona
Volt-sekunda (ravnoteža fluksa) na induktoru L zahtijeva da za stabilno stanje pozitivna i negativna područja naponskog oblika napona na slici 4a moraju biti jednaka tako da:
VgDTS = VCr (1 - D) TS (3)
gdje:
Vg = ulazni napon D = omjer opterećenja
T s = Period prebacivanja u sekundama
VCr = istosmjerni napon na rezonantnom kondenzatoru
Za razliku od PWM induktora, L, koji je bio uravnotežen protokom
tokom cijelog perioda uključivanja Ts, rezonantna induktivnost Lr mora biti u potpunosti uravnotežena fluksom tokom intervala ON-vremena samo kao što se vidi na slici 4b . Tako primjena kriterija za stabilno stanje za rezonantni induktor Lr u petlji koja se sastoji od Vg, Cr, Lr i V rezultira:
Vg + VCr -V = 0 (4)
jer rezonantni induktor mora biti uravnotežen fluksom i ne može
podržavaju bilo koji neto istosmjerni napon.
Rješavanje (3) i (4) rezultira;
VCr = Vg D / (1-D) (5)
V = Vg 1 / (1-D) (6)
Imajte na umu da je omjer jednosmerne konverzije dat jednadžbom (6) jednak onome za dobro poznati pretvarač pojačanja. Nadalje, uprkos rezonantnom krugu koji se sastoji od rezonantnog kondenzatora Cr i rezonantnog induktora Lr, te odgovarajućih sinusoidnih i sinusoidnih talasnih oblika vremenske domene rezonantne struje i rezonantnog napona kondenzatora, omjer pretvorbe jednosmjerne struje ne ovisi ni o jednom od njih niti o njihovom vrijednosti ili period uključivanja T s , ali ovisi samo o omjeru pogonske radne snage, D, kao u konvencionalnim PWM dc-dc pretvaračima. Stoga se može koristiti uobičajena kontrola omjera radne snage kako bi se ovaj pretvarač koristio kao osnova za PFC kontrolu kao kod pojačivača i drugih konvencionalnih pretvarača.
Struja rezonantnog induktora ir tokom cijelog perioda uključivanja prikazana je na slici 5a , dok napon rezonantnog kondenzatora prikazan na slici 5b prikazuje linearno punjenje rezonantnog kondenzatora Cr tokom intervala isključenja. Obratite pažnju i na kontinuitet napona kondenzatora na prijelazu između dva intervala prebacivanja.
Slika 6. Rad PFC pretvarača bez mosta za negativni poluciklus ulaznog napona: (a) Prekidač S radi u fazi s diodom CR2 i izvan faze s diodom CR1. (b) Stanja prekidača PFC pretvarača (c) Linearno komutirane mreže za ON-vremenski interval (d) Linearno komutirane mreže za OFF-vremenski interval
Slika 7. PWM prigušnica L pobuđuje se kao kod PWM pretvarača naponom nalik kvadratnom valu tokom cijelog perioda uključivanja, dok se rezonantna prigušnica Lr pobuđuje samo u ON-vremenskom intervalu: (a) Napon talasnog oblika PWM prigušnice i odgovarajući pozitivni izlasci fluksa (zasjenjeno područje označeno pozitivnim predznakom) i negativni izlazak fluksa (zasjenjeno područje označeno negativnim predznakom) (b) Rezonantni induktor Lr pobuđuje se ko-sinusoidnim izmjeničnim naponom valova Δvr rezonantnog kondenzatora Cr i potpuno je uravnotežen fluksom tokom samo ON-vremenskog intervala (pogledajte odgovarajuća zasjenjena područja).
Rad od negativnog ulaznog napona
Dalje, analiziramo rad pretvarača na slici 6a , u kojoj je izvor ulaznog napona jednosmerni napon negativnog polariteta i ima stanja prekidača kao na slici 6b. Slika 6c prikazuje linearno komutirane mreže za vremenski interval uključenja, dok slika 6d prikazuje linearno komutirane mreže za interval isključenja.
Protok (volt-sekunda) ravnoteže dviju induktiviteta i pojačanja istosmjernog napona
Sada koristimo dvije linearno komutirane mreže na slici 6c i slici 6d za konstrukciju vremenske domene struje u PWM induktoru L i u rezonantnom induktoru Lr. Talasni oblik napona na induktoru L prikazan je na slici 7a jednak kao u konvencionalnom PWM kvadratnom valu
prebacivanje pretvarača, dok je rezonantni
Napon kondenzatora V cr ilustriran je na slici 7b samo za ON-vremenski rezonantni interval i njegov potpuni talasni oblik u vremenskoj domeni na slici 8b .
Slika 8. Talasni oblici struje rezonantne indukcije i napona rezonantnog kondenzatora
Volt-sekundna (fluksna) ravnoteža na induktoru L zahtijeva da je stabilno-jednako tako da:
VgDTS = (V - V Cr ) (1 - D) TS (7)
Za razliku od PWM induktora, koji je bio uravnotežen fluksom tokom čitavog perioda T s , rezonantni induktor mora biti u potpunosti uravnotežen fluksom tokom intervala ON vremena, samo prema modelu pretvarača sa slike 6c , u kojem petlja koja se sastoji od Vg, Cr , a Lr tvori model rezonantnog kruga. Iz koje:
Vg - V Cr = 0 (8)
Rješavanje (7) i (8) rezultira:
V Cr = Vg (9)
V = Vg 1 / (1-D) (10)
Stoga, uprkos različitim istosmjernim naponima na rezonantnom kondenzatoru Cr za pozitivni ulazni napon (D / (1-D)) i za negativni ulazni napon (ulazni istosmjerni napon Vg), omjeri jednosmjerne konverzije su identični za ulazne napone pozitivnog i negativnog polariteta kao prikazano (6) i (10).
Kao i ranije, rezonantna struja kondenzatora za punjenje Cr ograničena je na samo pozitivan ciklus rezonantne struje, jer strujni ispravljač CR2 sada omogućava provođenje u samo jednom smjeru kao na sl.
stanju, moraju biti pozitivna i negativna područja talasnih oblika napona na slici 7a
Slika 9. Model rezonantnog kruga i za pozitivni i za negativni poluciklus linijskog napona.
8a. Kako rezonantna struja započinje na nultom nivou, ovo efektivno ponovo ograničava interval rezonantnog naboja na tačno polovinu rezonantnog perioda, isto kao i za pozitivni ulazni napon.
Talasni oblici tokom cijelog perioda za struju rezonantne induktivnosti ir (t) i napon rezonantnog kondenzatora v Cr (t) prikazani su na sl. 8a i sl. 8b . Obratite pažnju na to kako kontinuitet napona na rezonantnom kondenzatoru rezultira istim naponskim valom Δvr na prelazu između dva intervala. Još jednom, jednosmerni napon rezonantnog kondenzatora je sada različit i jednak ulaznom naponu jednosmerne struje Vg. Dakle, dobiva se isto pojačanje istosmjernog napona, unatoč drastično različitim stabilnim vrijednostima jednosmjernog napona na kondenzatoru Cr. Konačni model rezonantnog kruga i za pozitivni ulazni i za negativni ulazni napon identični su i ilustrirani na slici 9 .
ANALIZA REZONANTNOG KRUGA
Kao što se vidi gore, rad pretvarača od pozitivnog ulaznog i negativnog ulaznog napona rezultira istim modelom rezonantnog kruga, što rezultira sljedećim rješenjem:
ir (t) = IP sin ( w rt) (11)
vCr (t) = D vr cos ( w rt) (12)
D vr = IP RN (13)
RN = Ö Lr / Cr (14)
gdje je RN prirodni otpor, fr je rezonantna frekvencija i w r radijalna frekvencija.
PFC pretvarač bez mosta sa slike 1a ima jedan kontrolni prekidač S. Iz opisa rada pretvarača za pozitivne i negativne izlazne napone jasno je da ovaj prekidač S mora imati kvadrantnu sklopnu karakteristiku koja radi u prvom i treći kvadrant kao što je prikazano na slici 10a . Drugim riječima, prekidač S za pozitivni ulazni napon mora raditi u prvom kvadrantu, ali također treba biti u stanju održavati puni reverzni napon (rad trećeg kvadranta). Jasno je da to ne mogu učiniti ni bipolarni ni MOSFET tranzistori jer nisu dizajnirani da održavaju napon u trećem
Slika 10. Implementacija upravljačkog prekidača S. (a) Prekidač S mora raditi u pozitivnom polaritetu ulaznog napona u prvom kvadrantu i održavati puni reverzni napon u trećem kvadrantu. Za ulazni napon negativne polarnosti, sklopka mora raditi u trećem kvadrantu, ali i dalje mora biti u stanju održavati puni reverzni napon u prvom kvadrantu. (b) Implementacija prekidača S sa dva paralelno spojena dva bipolarna tranzistora sa izoliranim kapijama (RBIGBT).
dva n-kanalna uređaja mogu se povezati paralelno, a ne u seriju. Kako su gubici provodljivosti dosad najveći gubici pretvarača, takva implementacija prekidača mogla bi u bliskoj budućnosti povećati učinkovitost pretvarača preko 98%.
Smjer struje u rezonantnoj induktivnosti mijenja se iz jednog smjera u vremenskom intervalu ISKLJUČENJA u drugi u intervalu ON-vremena. Ovo
kvadrant (MOSFET zbog prisustva tjelesne diode). Međutim, bipolarni tranzistor sa izoliranim kapijama sa reverznim blokiranjem (RBIGBT) može održavati puni reverzni napon onako kako je predviđen i može održavati puni napon suprotnog polariteta. Prema tome, implementacija prekidača S sa slike 10b paralelno koristi dva takva RBIGBT uređaja.
Ipak, u mnogim praktičnim primjenama poželjna je primjena MOSFET-a zbog velike mogućnosti preklopne frekvencije i malih gubitaka provodljivosti. U ovom trenutku, jedan implementacija MOSFET nije moguće zbog ugrađene u tijelu-dioda, tako da prekidač S mora biti implementiran upotrebom dva MOSFET uređaje povezane back-to-back u seriji kao što je prikazano u Sl. 11a pomoću dva n-kanalni MOSFET uređaji, S1 i S2, povezani na svoje izvore i pokretani zajedničkim krugom pogonskih plutajućih vrata. Takva implementacija rezultira potpunom sposobnošću prekidača od četiri kvadranta kao što je prikazano na slici 11b , što nije potrebno za rad pretvarača jer je dovoljan dva kvadranta sa slike 10a.
Očekuje se da će se jedan prekidač prvog-trećeg kvadranta koji ima karakteristike sa slike 10a proizvesti kao ravni n-kanalni MOSFET u kojem rad dva kvadranta prirodno dolazi od konstrukcije poluvodičkih uređaja. To će dramatično smanjiti gubitke provodljivosti prekidača S za faktor četiri ili više puta, budući da su takvi
kratkotrajna promjena može uzrokovati skokove napona na prekidaču S - što je promjena brža, to je veći skok napona. Ali zbog male energije pohranjene u ovom malom induktoru, ovaj šiljak se može efikasno suzbiti upotrebom Zener diode. Budući da pretvarač radi za oba polariteta ulaznog napona, dvosmjerna Zener dioda, nazvana Transorber, koristi se za rasipanje sve energije šiljaka i ograničavanje naponskog napona. Ovo bi opet rasipalo svu energiju šiljka i ograničilo napon šiljaka. Međutim, može se koristiti i nekoliko nedisipativnih načina za oporavak većine sadržane energije i dostavljanje na teret, povećavajući tako efikasnost i smanjujući naprezanja prekidača tokom tranzicije.
KONTROLA PRETVARAČA DC-DC
Kontrola omjera dužine s konstantnom frekvencijom uključivanja
Sada opisujemo jednu od mogućih metoda upravljanja pretvaračem jednosmjerne struje na slici 3a pomoću konstantne frekvencije prebacivanja i upravljanja promjenjivim odnosom radne snage. Prototip pretvarača napravljen je za provjeru rada i bilježenje karakterističnih talasnih oblika za tri omjera radne dužine: D = 0,5 (slika 12a), D = 0,66 (slika 12b) i D = 0,8 (slika 12c) što rezultira u izlaznim naponima od 18,1V, 28,6V i 56V, respektivno, za ulaz od 10V. Izvršena su mjerenja
pri konstantnoj struji opterećenja od 0,5A. Četiri traga prikazuju odozgo prema dolje: napon odvoda do izvora upravljačke sklopke S, struja ulaznog izvora, struja izlaznog opterećenja i struja L induktora.
Slika 11. Implementacija upravljačke sklopke S. (a) Implementacija sklopke S sa dva n-kanalna MOSFET-a, S1 i S2, spojena na leđa na svojim izvorima i pokrenuta zajedničkim krugom pogonskih plutajućih vrata. (b) Implementacija Switch S s dva MOSFET-a djeluje u četiri kvadranta.
12. Istaknuti talasni oblici pretvarača sa slike 3a za konstantnu frekvenciju uključivanja i promjenjivi radni omjer a) za radni odnos D = 0,5 b) za radni odnos D = 0,66 c) za radni odnos D = 0,8
Obratite pažnju na to kako se ulazna struja (drugi trag) sastoji od zbroja rezonantne Lr struje induktora (treći trag) i struje L induktora (četvrti trag) čime se potvrđuju temeljni odnosi pretvarača na slici 3a :
ig = ir + iL (17)
i 0 = ir (18)
Također primijetite iz (18) da je izlazna struja identična rezonantnoj induktivnoj struji i stoga ima isti oblik i trajanje za sva tri radna slučaja i stoga se ne mijenja, ali ima isti oblik i veličinu kao kod 50% radne snage odnos. Stoga se oblik i veličina ulazne struje mijenjaju tako da se mijenja omjer konverzije jednosmjerne struje, što u konačnici rezultira odgovarajućom promjenom odnosa konverzije istosmjernog napona. To se kvalitativno razlikuje od konvencionalnog rada pretvarača pojačanja, u kojem visoki omjeri radne snage rezultiraju kraćim trajanjem impulsne isporuke struje opterećenja (pri 0,9 omjeru radne snage to bi bilo 10% perioda). U ovom primjeru isporuka struje opterećenja uvijek iznosi 50% konstantnog perioda uključivanja.
U ovom slučaju, rezonantni interval je dizajniran tako da se podudara s omjerom radne snage 50%, tako da se vremenska varijacija struje L induktora u toj radnoj točki skriva i ne vidi izričito ( slika 12a ) kao u talasnim oblicima sa slike 12b i slika 12c za omjere dažbina veće od 50%.
Kontrola konstantnog ON-vremenskog intervala i promjenljivog intervala OFF-vremenskog intervala
Zatim se prototipom pretvarača upravlja s konstantnim vremenom uključivanja i promjenljivom kontrolom vremena isključenja i bilježe se karakteristični talasni oblici za tri efektivna omjera radnog opterećenja: D = 0,5 ( slika 13a ), D = 0,66 ( slika 13b ) i D = 0,8 ( slika 13c ) što rezultira izlaznim naponima od 19,3 V, 28,8 V i 45 V za ulazni napon od 10 V. Mjerenja su vršena pri konstantnoj struji opterećenja od 0,5 A. Četiri traga prikazuju se odozgo prema dolje: napon odvoda do izvora upravljačkog prekidača S, struja ulaznog izvora, struja izlaznog opterećenja i struja L induktora.
Obratite pažnju na to kako se za veće omjere radne snage, i ulazna i izlazna struja provode tokom gotovo cijelog intervala, što rezultira kvazikontinuiranom ulaznom i izlaznom strujom. Izlazna struja je takođe smanjila vršne vrijednosti rezonantnih struja i bit će joj potreban minimalni izlazni kapacitet za filtriranje ove gotovo kontinuirane izlazne struje.
DVA DC-DC PRETVARAČA U JEDNOM
13. Karakteristični talasni oblici za pretvarače na slici 3a za promjenljivo vrijeme isključenja i za tri efektivna omjera radne snage a) D = 0,5, b) D = 0,66 c) D = 0,8
Do sada izvedeni naponski naponi (6) i (10) zaista predstavljaju jednosmjerno pojačanje napona samo za pretvarač na slici 3a za radne omjere D veće od rezonantnog omjera radne snage DR koji je:
V / Vg = 1 / (1-D) za D> D R (19) D R = T R / 2T S (20)
T R = 1 / fr (21)
i (20 i (21) su definicije dva količina DR i T R . omjer napon konverzije za dužnost koeficijente smanjiti
nego se D R može procijeniti korištenjem proširenja
Način usrednjavanja prostora (1,2) uveden u (3) izvan je opsega ovog članka. Ipak, dobivaju se sljedeći analitički rezultati:
V / Vg = D / (1-D) D R za D <D R (22)
Obratite pažnju na to kako se pojačanje jednosmjernog napona (22) za D = DR mijenja u formulu za pretvorbu istosmjerne struje dato u (19). Kako je DR jednostavno konstrukcijska konstanta, ukupni priraštaj jednosmjernog napona pretvarača na slici 3a čine pretvorbu opadajuće / povećane vrijednosti dane u (22) za omjere male radne snage u pojačano samo pojačanje napona dano pomoću ( 19) za veće omjere radne snage s kontinuiranim glatkim prijelazom pri omjeru radne snage DR. Rezultat su dva pretvarača u jednom, kao što je prikazano u kompozitnom pojačanju napona na slici 14.
Stoga pretvarač jednosmjerne struje sa slike 3a rješava dva problema koji su mučili konvencionalne pojačivačke i naponske pretvarače:
Pretvarač jednosmjerne struje sa slike 3a, međutim, kombinira najbolje karakteristike pretvarača pojačanja i povratnog toka i istovremeno uklanja njihova loša svojstva, tako da:
Lako je provjeriti jesu li navedena svojstva prisutna i u pretvaraču jednosmjerne struje s negativnim ulaznim naponom jednosmjerne struje, tako da će gore navedene prednosti biti prisutne i ako su mostovni pretvarači izmjeničnog napona sa slike 1a i slike 1b . Ovi pretvarači također omogućavaju rad direktno na izmjeničnom vodu i eliminiraju ispravljač mosta, za razliku od konvencionalnih pretvarača za pojačanje i povratni tok.
Funkcija pretvorbe PFC
Jednakost dobitaka jednosmjerne struje u funkciji odnosa omjera D kontrolnog prekidača S, gore dokazana, jedan je važan preduvjet da bi pretvarač radio kao jednostepeni pretvarač ac-dc (bez mosta) s PFC funkcijom.
Drugi je čimbenik da oba pojačanja jednosmjerne konverzije imaju karakteristiku pojačanog istosmjernog pojačanja, što je još jedan preduvjet potreban da bi se topologija pretvarača kvalificirala kao jednofazna topologija pretvarača ac-dc (bez mosta). Ovim se utvrđuje da pretvarač sa slike 1b može raditi kao jednostepeni (bez mosta) ac-dc PFC pretvarač.
Slika 14. Pokretanje. Teorijska dc konverzija dobit karakteristika prikazani eksponati korak-down / step-up napon dobit karakteristika pri niskim omjerima dužnost i sama pretvara u step-up samo dc napon dobit karakteristika na odnos dužnost D R .
Kao odmak od prethodnih pokušaja pretvorbe PFC bez mosta, sva tri prekidača, induktor L, rezonantni induktor Lr i rezonantni kondenzator Cr koriste se 100% jer sudjeluju u radu PFC-a i za pozitivni i za negativni dio izmjeničnog napona ulaznog voda .
Ispravljanje faktora snage zasniva se na kontroli prosječne ulazne struje pretvarača na slici 1b kako bi postala proporcionalna i u fazi ulaznog izmjeničnog napona pomoću PFC IC kontrolera bez mosta. Dakle, modulacija omjera radne snage koristi se za kontrolu prosječne ulazne struje izmjeničnog pretvarača izmjeničnog i istosmjernog napona sa slike 1b , jer je pokazano da je takva kontrola omjera efektivnosti učinkovita u kontroli pretvarača bilo za pozitivne ili negativne dijelove napon izmjeničnog napona. PFC kontrola radi u dva načina: 1. Modulacija omjera dužine s konstantnom frekvencijom prebacivanja.
Izvrsno za visokonaponske i jake struje
GLEDAM NAPRED
Četvrto
u nizu "nemogućih" rješenja pretvarača, Dvosmjerni izolirani pojačavač,
predstavit će se u izdanju Power Electronics Technology u januaru 2011.
godine. Ovaj pretvarač, prikazan na slici
15 , sadrži tri MOSFET
prekidača i dvije magnetne komponente. Ima mogućnost dvosmjernog protoka
snage za pretvaranje ulaznog niskog napona akumulatora VL (14V-32V) u
visoki izlazni napon akumulatora VH (270V) i obrnuto.
Napomena za uredništvo: Za pitanja u vezi s ovim člankom i kontakt informacije s autorom čitatelji su upućeni na web stranicu TESLAco www.teslaco.com.
Fusnota: Izolirani PFC Converter bez mosta i izolirani PFC Converter ™ u jednom stepenu zaštitni su znakovi kompanije TESLAco.
Karakteristike
Aplikacije
Slika 15. Četvrto "nemoguće" rješenje pretvarača, izolirani step-up pretvarač istosmjerne struje sa dvosmjernom strujom koji koristi samo tri MOSFET prekidača i dva magnetska dijela, uz mali rezonantni induktor i mali rezonantni kondenzator .
LITERATURA