přednášky výkonová elektronika Projekt ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 Modernizace didaktických metod a ovace výuky technických předmětů.
Stejnosměrné měniče - charakteristika vstupní proud stejnosměrný, výstupní proud stejnosměrný vlastní komutace spínaní, spínací prvek tranzistory MOSFET, IGBT, tyristory GTO nebo IGCT, rychlý tyristor s komutačním obvodem Rozdělení nábojové pumpy vhodné přepínání nabitých kondenzátorů k dosažení vyššího nebo záporného napětí pro malé odběry proudu měniče s duktorem nebo transformátorem pracují s proudem v duktorech transformátor s primární a sekundární částí výuky technických předmětů 2
Základní nábojové pumpy Dvoufázový napěťový zdvojovač 1 fáze nabití kondenzátoru C 2 fáze kondenzátor se přepne tak, aby výsledné napětí bylo + C a nabíjí se výstupní kondenzátor (volit vhodné velikosti realizace dva spínače (MOSFET) a diody dá se řetězit Invertující nábojová pumpa realizace dva spínače (MOSFET) tegrovaný obvod out 2 C C C out výuky technických předmětů 3
Dicsonova nábojová pumpa méně spínačů, více stupňů vyrábí se jako tegrovaný obvod N počet stupňů, d úbytek napětí na diodách out při zátěži out d d N C N C C S d I out d C C f S ocs výuky technických předmětů 4
Stejnosměrné měniče s duktorem propustné (přímé) na výstup teče proud ve stejném okamžiku, kdy teče proud do měniče blokovací v první fázi se akumuluje energie v magnetickém obvodu, v druhé fázi se z magnetického obvodu uvolňuje do spotřebiče módy měniče - podle odebíraného proudu, spínací frekvence a dukčnosti duktoru spojitý mód proud duktorem teče po celou dobu periody (neklesne na nulu), výstupní napětí závisí jen na střídě a vstupním napětí spínače v režimu tvrdého spínání nespojitý mód po určitou část periody duktorem proud neteče výstupní napětí závisí také na frekvenci a dukčnosti výuky technických předmětů 5
PWM vyšší harmonické PWM jako neharmonický periodický průběh obsahuje stejnosměrnou složku a vyšší harmonické složky SS roste leárně se střídou A0 D A M harmonické složky změna podle střídy, maximum: 2A A Mn n složka pro střídu D: 2AM AMn nd n s měniče se doplňují filtry, aby se vyšší harmonické potlačily M D t 1 T výuky technických předmětů 6
Výpočet harmonických pro danou střídu A 0 D A M A Mn 2AM n s nd střída D = 0,3 A A A A A A M 0 M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 0,300A 0,515A M M 0,303A 0,066A 0,094A 0,127A M M M M výuky technických předmětů 7
Rozdělení měničů s duktorem a transformátorem jednočné duktorem prochází proud pouze jedné polarity (duktor a transformátor) přímé snižující (buck), přímý transformátorový blokující (nepřímé) zvyšující (boost), vertující (buck/boost), nepřímý transformátorový (flyback) dvojčné s transformátorem duktorem prochází proud obou polarit (jen transformátor) před transformátorem je střídač pro větší výkony výuky technických předmětů 8
snižující měnič (buck) Stejnosměrné měniče funkce spínač na vstupu snižuje střední hodnotu napětí, dioda, tlumivka a kondenzátor jako filtrace spojitý mód nespojitý mezní parametry prvků I DMAX = I LMAX = outmax /R= I out DSMAX = I DZ =I out (1 - D) DZ = out D out 1 2LI 2 D T 0 1 t1 T D výuky technických předmětů 9
Snižující měnič pro stejnosměrnou motorovou trakci výkony měničů 10 5 10 7 W tyristory s komutačním obvodem, GTO, IGCT, IGBT jako spínač Celospínaný (synchronní) snižující měnič (buck) nulová dioda nahrazena spínačem (tranzistor MOSFET při sepnutí sníží úbytek na diodě, sepnutý kanál pracuje obousměrně) určený pro měniče na nízká napětí (úbytek na diodě snižuje účnost měniče) řídící obvod pro spínání obou tranzistorů (spínají proti sobě) výuky technických předmětů 10
Generování napětí na řídící elektrodě tranzistoru ve snižujícím měniči při velkých hodnotách napětí využití prcipu nábojové pumpy, řídící obvod oddělen běžně optočlenem tranzistor S vypnut, proud protéká nulovou diodou pravá elektroda kondenzátoru C bootstr na potenciálu nižším, než je záporný pól napájecího napětí, kondenzátor se nabíjí na napětí contr přes diodu tranzistor S zapnut, na horním konci nulové diody napětí pravá elektroda kondenzátoru C bootstr na potenciálu na potenciálu stejném, jako je, na kondenzátoru dostatečné napětí pro sepnutí a udržení sepnutí tranzistoru výuky technických předmětů 11
výstupní charakteristika snižujícího měniče normovaná výuky technických předmětů 12
zvyšující měnič (boost) spojitý mód 1 out 1 D nespojitý mód 2 D T out 1 2LIout mezní parametry prvků I DMAX = I out (1/(1-D)) DSMAX = out I DZ =I out DZ = out výuky technických předmětů 13
výstupní voltampérová charakteristika zvyšujícího měniče normovaná výuky technických předmětů 14
vertující měnič (buck/boost) spojitý mód out D 1 D nespojitý mód out 2 D T 2LI out mezní parametry prvků I DMAX = I out (1/(1-D)) DSMAX = out I DZ =I out DZ = out výuky technických předmětů 15
výstupní voltampérová charakteristika výuky technických předmětů 16
Ćukův měnič Stejnosměrné měniče out D 1 D Mezní parametry prvků I DMAX = I out (D/(1-D)) DSMAX = + out I DZ =I out DZ = + out Sepic out D 1 D oddělení od ss složky na vstupu, snadnější řízení výuky technických předmětů 17
Blokující měnič s transformátorem (fly-back) vychází z prcipu vertujícího měniče, oddělení primární a sekundární strany transformátorem používá se rozhraní mezi spojitým a nespojitým módem výstupní napětí pro spojitý mód out n D 1 D mezní parametry prvků I DMAX = (. t 1 )/L P DSMAX = + out (N P /N S ) I DZ =I out DZ = out + (N S /N P ) výuky technických předmětů 18
Přímý jednočný měnič s transformátorem vutí pro demagnetizaci mezní parametry prvků I DMAX = Iout.(N S /N P ) DSMAX = 2 I DZ =I out.d DZ = out + (N S /N P ) N N P t T out S 1 výuky technických předmětů 19
Dvojčný měnič (Push/pull) magnetizace jádra o obou polaritách, lepší využití z hlediska výkonu složitější řízení mezní parametry prvků I DMAX = (. t 1 )/L P DSMAX = + out (N P /N S ) N 2N P t T out S 1 I DZ =I out DZ = out + (N S /N P ) N N výuky technických předmětů 20 P t T out S 1
Dvojčný měnič (Push/pull) průběh proudu a napětí v měniči výuky technických předmětů 21
Regulace výstupního napětí měniče dvoustavová regulace měnič je nastaven na maximální napětí, regulátor ho pouští, pokud je výstupní napětí klesne pod nastavenou mez spojitá regulace změna šíře PWM, Prcipy návrhu regulátoru pro měnič měnič má náhradní frekvenční přenosovou charakteristiku kondenzátory, duktor, zátěž, střída měniče (u některých typů) regulační obvod se zpětnovazební smyčkou musí fungovat tak, aby pro celou použitelnou frekvenční charakteristiku (< f s ) zůstal stabilní ochranné obvody (chrání tranzistor proti nadproudu) bývá vložen bočníkový rezistor do větve s tranzistorem nebo do napájecího přívodu malé měniče vhodný tegrovaný obvod, návrh měniče podle návodu v technických specifikacích výuky technických předmětů 22
Snížení vypínacích ztrát na tranzistorech použití odlehčovacích obvodů rezonanční topologie Quasirezonanční DC měniče běžně pracují tranzistory v DC měniči s tvrdým vypínáním rezonanční obvod zajišťuje snížení napětí v době rozepnutí spínače - snížení vypínacích ztrát, možnost vyšší frekvence konstantní doba sepnutí tranzistoru (není možná modulace PWM) výuky technických předmětů 23
Literatura: Ned Mohan, Tore M. deland, William P.Robbs: Power Electronics: Converter, Application and Design. 2nd. ed. John Wiley & sons. 1989 výuky technických předmětů 24
výuky technických předmětů Děkuji za pozornost Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/28.0050 výuky technických předmětů, který je spolufancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.