1 nap.zdr.imp. A3B35APE APLIKOVANÁ ELEKTRONIKA ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická, Katedra řídicí techniky IMPULZNÍ NAPÁJECÍ ZDROJE Základem impulzních napájecích zdrojů bývá obvykle DC/DC měnič podle blokového schéma: Síťové napětí se bez transformátoru usměrňuje a ss napětí se přivede na střídač (DC/DC měnič, který je (obvykle) řízený metodami PWM a zpětnou vazbou. Frekvence střídače bývá v rozsahu 10 3 – 10 6 Hz. Vzhledem k tomu jsou induktory a transformátory objemově i hmotnostně velmi malé, zařízení vyzařuje minimum tepla a může být proto i konstrukčně velmi malé. Na druhé straně je však komplikovanější. Pulzní napětí na výstupu střídače se pomocí pulzního transformátoru (obvykle s ferritovým jádrem) transformuje na požadovanou úroveň, usměrňuje a filtruje.

2 nap.zdr.imp. Řídicí člen SW pracuje obvykle jako spínač, který je v části periody T a sepnut, v části T b rozpojen. Délka periody T c je T c = T a + T b. Zesilovač odchylky spolu s PW modulátorem převádějí rozdíl mezi žádanou hodnotou výstupního napětí a skutečným výstupním napětím na časový interval. Topologie měniče je navržena tak, aby po dobu T a odebíral výkon ze zdroje vstupního napětí U 1 a po dobu T b byla zátěž napájena z akumulované energie v prvcích C nebo L z doby T a. Pokud neuvažujeme v prvním přiblížení přepínací ztráty na spínači, bude ztrátový výkon na měniči: Základem konstrukce impulzního napájecího zdroje je proto volba vhodného typu řízeného měniče (DC/DC konvertoru). účinnost se obvykle pohybuje v rozsahu: 60% ≤ η ≤ 95%.

3 nap.zdr.imp. Součástí měniče bývá i oddělovací transformátor, který mimo galvanické oddělení současně i akumuluje energii, nahromaděnou během intervalu T a. Zvyšováním frekvence měniče snižujeme potřebný objem magnetického materiálu a jeho hmotnost. Požadovaný objem magnetického materiálu je nepřímo úměrný pracovní frekvenci kde μ - permeabilita materiálu, Zvyšování frekvence měniče je proto žádoucí, na druhé straně však rostou přepínací (dynamické) ztráty vlivem použitých spínačů a ztráty vlivem magnetických materiálů použitých induktorů a transformátorů. Volba použité frekvence je proto vždy kompromisem mezi těmito vlivy a souvisí s technickou úrovní použitých součástí. I m - magnetizační proud a B m - magnetizační proud

4 nap.zdr.imp. b) T b = konst., T c = proměnná c) T c = konst., T a /T b = proměnná podle odběru zátěží se mění T a a tím i T c. Metoda vhodná pro velký rozsah napětí U 1 regulace je možná změnou poměru T a /T b podle odběru. Je to tedy klasická PWM a výhodou je snadná optimalizace výstupního filtru a universálnost použití Alternativy modulace a jejich vlastnosti: a) T a = konst., T c = proměnná akumulovaná energie v impedancích měniče je při sepnutí spínače konstantní (vyšší odběr - vyšší pracovní frekvence)

5 nap.zdr.imp. DC/DC MĚNIČE Základní varianty DC/DC měničů: - propustné měniče (dodávají energii do zátěže v aktivní době T a) - blokující měniče, (dodávají energii do zátěže v době T b) - speciální měniče, (kombinují oba principy - např. Čukův měnič) Propustný měnič V literatuře bývá nazýván Positive (Negative) Buck Convertor nebo Step-Down Convertor, uvedené obvyklé schéma také jako „zapojení se společnou diodou“ V části periody T a je spínač S 1 sepnut a S 2 je rozepnut, v části periody T b jsou oba spínače v opačných polohách. (s induktory)

6 nap.zdr.imp. na konci intervalu T a je na induktoru napětí u La proud na konci intervalu T a, tekoucí cívkou L podobně i energie mag. pole v induktoru na konci intervalu T a kde W ao je energie na počátku intervalu proud i Lb na konci intervalu T b energie na konci intervalu T b protože v ustáleném stavu platí Během intervalu T b se na cívce indukuje napětí opačné polarity.

7 nap.zdr.imp. vypočítáme u o kde k je pracovní činitel spínání spínačů S 1 a S 2 protože k ≤ 1, bude u tohoto měniče vždy platit Roste-li výstupní proud, roste i proud vstupní. Překročí-li se mez kdy akumulace induktoru nestačí krýt odběr, začíná se induktor přesycovat. To má za následek prudký růst proudu, což zejména ohrožuje spínač S 1. Praktické zapojení propustného měniče obvykle místo spínače S 2 používá speciální rychlou diodu. Podle polarity vstupního napětí a polarity diody se jedná o pozitivní nebo negativní propustný měnič (Buck Convertor). Pracovní módy propustného měniče Hodnoty napájecího napětí, výstupního napětí, proudu zátěže a indukčnosti cívky určují pracovní mód obvodů - spojitý nebo nespojitý, přerušovaný. V přerušovaném módu není předávána energie z induktoru do kapacitoru a zátěže po celou příslušnou dobu cyklu, ale pouze po část této doby. Ve zbývající části je energie do zátěže dodávána z kapacitoru.

8 nap.zdr.imp. Příklad propustného měniče MAX730A: Řízení propustných měničů Propustné měniče jsou v integrované verzi obvykle řízeny kombinací nespojitého (navíc v dávkách) a spojitého módu.

9 nap.zdr.imp. Blokující měnič V literatuře se nazývá také Boost Convertor nebo Step-Up Convertor. V době T a je sepnut spínač S 1. Proud induktorem i L se lineárně zvyšuje a energie mag. pole v induktoru bude na konci intervalu T a Tato energie se během intervalu T b změní na Na počátku intervalu T b se S 1 zavírá, dioda D se otevírá a energie Δ WLa hradí ztráty na zatěžovacím rezistoru R z a současně se doplňuje náboj a energie v kapacitoru C. Obvyklé schéma:

10 nap.zdr.imp. Podobně jako u propustného měniče, i zde lze odvodit souvislost mezi vstupním a výstupním napětím a střídou impulzů, ovládající spínač S 1 : Protože je vždy k ≤ 1, bude u tohoto zapojení Modifikované zapojení pracuje v zásadě stejně, ale rozdíl je v polaritě výstupního napětí. To je vždy obrácené proti napětí vstupnímu: modifikace zapojeníStep-Up Converter Obrácenou kombinaci vytvoříme obrácením polarity vstupního napětí a diody. na obrázku je na vstupu záporné napětí a na výstupu kladné Takovéto zapojení se někdy nazývá Invertor nebo (Buck-Boost Invertor).

11 nap.zdr.imp. Závislost výstupního napětí invertoru na pracovním činiteli impulzů ovládajících spínač S 1 je Ze vztahu vyplývá, že velikost výstupního napětí invertoru je určena poměrem intervalů T a /T b a polarita výstupního napětí je opačná. Na výstupu lze dosáhnout napětí v absolutní hodnotě menší i větší než napětí vstupní, tedy Základní problém u všech topologických variant popisovaných měničů, které používají v roli jednoho ze spínačů diodu, je právě v nestejných dynamických vlastnostech obou spínačů. Pokud např. spínač S 1 vypne rychleji než sepne dioda, energie magnetického pole induktoru způsobí napěťové špičky, které ohrožují ostatní součástky. Někdy se dioda nahrazuje dalším spínačem S 2. V tom případě lze použít MOS spínačovou dvojici (poloviční H můstek). Řešení má nejen zjednodušený problém chlazení pokud se jedná o vyšší výkony, ale současně zaručuje stejné nebo srovnatelné dynamické spínací vlastnosti obou spínačů.

12 nap.zdr.imp. Blokující měnič s transformátorem (Flyback Converter) Zapojení pracuje jako blokující měnič, ale místo induktoru je použit impulzní transformátor. Na primární straně transformátoru je spínač a sekundární vinutí je použito pro výstup. Výstupní napětí můžeme nastavit převodovým poměrem transformátoru, které může být vyšší nebo nižší než napětí napájecí. Zásadní výhodou je galvanické oddělení vstupu a výstupu. Smysly vinutí primárního a sekundárního musí být opačné, jinak se jedná o propustný měnič s transformátorem.

13 nap.zdr.imp. Řízení blokujících měničů Příklad blokujícího měniče UC3842: Řízení blokujících měničů se od řízení propustných měničů zásadně liší, především způsobem řešení zpětné vazby.

14 nap.zdr.imp. Čukův měnič Dosud popisované měniče používají induktor jako standardní zásobník energie pro přenos energie mezi vstupem a výstupem. Existují však i jiné možnosti zapojení, kde v roli zásobníku energie je kapacitor. Současné technologické možnosti kapacitorů umožňují dosažení vyšší hustoty energie [Ws/dm 3 ] a proto je tato alternativa perspektivní. Představitelem této skupiny je především Čukův měnič. základní zapojení Čukova měniče průběhy vstupních a výstupních napětí a proudů Tento měnič je ve své základní konfiguraci podle obrázku tvořen spínačem, spínací diodou, akumulačním kapacitorem a dvěma induktory. Speciální měniče

15 nap.zdr.imp. Ve fázi T b je spínač T vypnut, přes induktor L 1 a otevřenou diodu D se nabíjí kapacitor C 1. Proud i L1 podle stavu nabití kondenzátoru klesá. Ve fázi T a spínač T sepne, proud i L1 lineárně roste a současně přes spínač T teče i proud i L2. Tento proud teče i zatěžovacím odporem a jeho zdrojem je náboj na kapacitoru C 1 z předchozího intervalu. Ve fázi T a tedy veškeré energetické ztráty vzniklé odběrem hradí energie v kapacitoru C 1, který se nabil ve fázi T b. Čukův měnič s magnetickou vazbou Pokud induktory L 1 a L 2 navrhneme na společném magnetickém jádru podle obrázku, lze při optimálním návrhu dosáhnout nulového zvlnění výstupního proudu. náhradní zapojení induktorů

16 nap.zdr.imp. Zásadní výhodou měniče je nepřerušovaný proud i L1 a i L2 po celou periodu. Poznamenejme, že ve fázi T b, kdy se nabíjí kapacitor C 1, určuje proud i L2 vybíjení kapacitoru filtru C 2. Tím, že je přenos energie ze vstupu na výstup vzhledem k induktorům L 1 a L 2 nepřerušovaný, není ani kvantování na kapacitoru kritické a jádro induktorů může být v porovnání s předchozími typy měničů podstatně menší. Všechny tyto okolnosti ukazují na dosažení nejvyšší účinnosti i při relativně nízké frekvenci spínání, kdy jsou zanedbatelné přepínací ztráty. Když použijeme nejmodernější spínací součástky a zvýšíme pracovní frekvenci, vykazuje tento typ měniče vzhledem k nepřerušovanému proudu nejnižší vf rušení. koeficient vazby k v je definován poměr závitů n obou induktorů Optimální návrh pak vychází z následujících předpokladů:

17 nap.zdr.imp. jednotlivé induktory náhradního schématu jsou napětí u L1 podobně napětí u L2 Požadujeme-li, aby rozdíl obou rovnic byl nulový, bude to mít následující důsledky Přijmeme-li předpoklad L 1 – M = 0 a (M – L 2 )  0 pak vhodným návrhem transformátoru můžeme dosáhnout nulového zvlnění výstupního proudu

18 nap.zdr.imp. zapojení Čukova měniče s oddělovacím transformátorem Technicky ovšem nelze tento vztah dosáhnout na uzavřených jádrech a proto se zapojení modifikuje podle obrázku jestliže podle výše uvedeného předpokladu L 1 = M dosadíme do výrazu pro koeficient vazby k v, dostaneme a naopak, zvolíme-li L 2 = M, dostaneme podobný výraz pro volbu induktorů transformátoru platí (současně ukazuje i zapojení pro galvanické oddělení vstupu a výstupu)

19 nap.zdr.imp. Právě pro jmenované vlastnosti se např. standardně používal v energetickém systému v projektu Apollo a byl základem energetického systému raketoplánu Space Shuttle. u Čukova měniče se uvádí vynikající účinnost a vysoká výkonová hustota Vzhledem k těmto vynikajícím vlastnostem spolu s min. vf rušením je tento měnič stále velmi perspektivní. Rezonanční měniče Základní zapojení rezonančního měniče je tvořeno sériovým spínačem S, sériovým rezonančním obvodem L R C R, diodou a výstupním filtrem. Rezonanční měniče vycházejí podobně jako u Čukova měniče z předpokladu minimalizace kolísání výstupního proudu při standardních pracovních podmínkách.

20 nap.zdr.imp. Jestliže je S = off, do sériového rezonančního obvodu neteče proud, diodou D teče proud I out a je na ní úbytek cca - 0,7V. Při S = on bude na L R plné napětí zdroje u i (kapacitor C R v tomto okamžiku představuje zkrat), C R se začne nabíjet a dioda D se zavře. Vstupní proud se rozdělí a část proudu jde do zátěže. Proud I L R klesá, ale napětí U C R roste. Celá energie v induktoru L R se předá do C R a konečné napětí bude U C R = 2u i. Do kapacitoru C R již dále neteče proud a veškerý proud I L R = I out. Naopak C R se vybíjí a v určitém čase je na něm u i a I L R = 0. V tomto okamžiku nastane S = off. C R se dále vybíjí a v jistém čase se vybije, otevírá se dioda D a proud do zátěže určuje energie v L out. Dosáhne - li se U CR = - 0,7V, je cyklus ukončen. Rezonanční měniče jsou výhodné pro konstantní pracovní zátěž a přitom mají velmi vysokou účinnost, příznivý poměr výkonu k hmotnosti a malé problémy s filtrací výstupního napětí.

21 nap.zdr.imp. LITERATURA [1] Vysoký O.: Elektronické systémy II, vydavatelství ČVUT, Praha 2005 [2] Hlinovský M., Honců J., Němeček P., Vysoký O.: Elektronické systémy Návody ke cvičením, vydavatelství ČVUT, Praha 2006 [3] Krejčiřík J.: Impulzní napájecí zdroje I. a II., BEN, Praha, 1996