Politechnika Białostocka
Katedra Energoelektroniki i Napędu Elektrycznego
BADANIE PRZEKSZTAŁTNIKA DC-DC
OBNIŻAJĄCEGO NAPIĘCIE W UKŁADZIE
MOSTKOWYM Z IZOLACJĄ GALWANICZNĄ
Białystok 2006
1
Ogólne zasady bezpieczeństwa
Przed przystąpieniem do zajęć należy zapoznać się z instrukcją
dydaktyczną do stanowiska laboratoryjnego.
Dokonać oględzin urządzeń i przyrządów używanych w ćwiczeniu,
a o zauważonych nieprawidłowościach bezzwłocznie powiadomić
prowadzącego.
Zabrania się samodzielnego załączania stanowiska bez zgody
prowadzącego.
Zmian nastaw parametrów lub konfiguracji, możliwych przy użyciu
dostępnych manipulatorów (potencjometrów, przełączników), należy
dokonywać po przeanalizowaniu skutków takich działań.
Zmian konfiguracji obwodów elektrycznych, możliwych jedynie poprzez
zmiany połączeń przewodów, należy dokonywać za zgodą prowadzącego
po uprzednim wyłączeniu zasilania stanowiska.
Po załączeniu stanowiska wykonywanie przełączeń (np. wymiana
przyrządu) w układzie znajdującym się pod napięciem jest niedozwolone.
W w/w stanowisku dostępne są części czynne obwodu elektrycznego
o napięciu przekraczającym napięcie bezpieczne, dlatego przed
uruchomieniem należy zachować odpowiednie oddalenie od tych części
czynnych w celu uniknięcia porażenia prądem elektrycznym.
Stosowanie sposobów sterowania, ustawień lub procedur innych niż
opisane w instrukcji może spowodować nieprzewidziane zachowanie
obiektu sterowanego a nawet uszkodzenie stanowiska.
Nie należy podłączać urządzeń nie przeznaczonych do współpracy z tym
stanowiskiem laboratoryjnym.
Przekroczenie dopuszczalnych parametrów prądów, napięć sygnałów
sterujących może doprowadzić do przegrzania się niektórych podzespołów,
pożaru lub porażenia prądem.
W przypadku pojawienia się symptomów nieprawidłowego działania (np.
swąd spalenizny) natychmiast należy wyłączyć stanowisko i odłączyć
przewód zasilający.
Demontaż osłon stanowiska oraz wszelkie naprawy i czynności serwisowe,
oprócz opisanych w instrukcji, powinny być wykonywane przez
wykwalifikowany personel po wyłączeniu stanowiska.
Należy stosować tylko bezpieczniki o parametrach nominalnych podanych
w instrukcji lub na obudowie urządzenia.
Urządzenie powinno być czyszczone przy użyciu suchej i miękkiej szmatki.
Nie należy stosować do tych celów rozpuszczalników.
Podczas korzystania z aparatury laboratoryjnej (oscyloskopy, generatory,
zasilacze itp.) należy przestrzegać ogólnych zasad bezpieczeństwa tj.:
2
- Do zasilania przyrządu należy stosować tylko kable zalecane do danego
wyrobu.
- Nie należy podłączać lub odłączać sond i przewodów pomiarowych, gdy są
one dołączone do źródła napięcia.
- Przyrząd powinien być połączony z uziemieniem przez przewód ochronny
w kablu zasilającym. Aby uniknąć porażenia przewód ten powinien być
podłączony do przewodu ochronnego sieci.
- Przewód uziemiający sondy należy podłączać tylko do uziemienia ochronnego.
Nie należy podłączać go do punktów o wyższym potencjale.
- Aby uniknąć porażenia prądem podczas używania sondy, należy trzymać palce
nad pierścieniem zabezpieczającym. Nie wolno dotykać metalowych części
grotu, gdy sonda jest podłączona do źródła napięcia.
- Nie dotykać końcówek przewodów łączeniowych w trakcie wykonywania
pomiarów.
3
I. PODSTAWY
TEORETYCZNE
1. Schemat układu
T2
T3
T4
A
B
L
F
I
0
F
C
T2
T3
T4
A
B
L
F
I
0
F
C
U
S
D1
D2
D3
D4
U1
Rys.1. Schemat ideowy obniżającego przekształtnika DC/DC w układzie
mostkowym z izolacją transformatorową
2. Sposób sterowania
Rys.2. Impulsy sterujące parami tranzystorów
4
f
T
1
=
- okres, gdzie
const
f
=
- częstotliwość sterowania
2
0
T
t
z
≤
≥
,
- czas wysterowania pary tranzystorów
var
t
z
=
var
T
t
w
z
=
=
2
, , - wypełnienie
1
0
≤
≤ w
w
3. Praca przy nieobciążonym transformatorze
Przebieg
napięcia przykładanego do pierwotnej strony transformatora
pokazany jest na rys.3a. Gdy uzwojenia wtórne transformatora są nieobciążone
(rozwarte) można przyjąć, że prąd strony pierwotnej jest prądem magnesującym
, przy założeniu, że transformator jest reprezentowany przez indukcyjność
magnesującą
. Kształt prądu magnesującego (rys.3b) wynika z kształtu
przyłożonego napięcia (rys.3a) w związku z zależnością:
µ
i
µ
L
dt
di
L
u
µ
µ
=
1
(1)
Z powyższej zależności i kształtu napięcia
u
wynika, że:
1
≤
≤
≤
≤
−
=
2
2
0
2
T
t
t
dla
t
L
U
t
t
dla
t
t
L
U
i
z
z
s
z
z
s
µ
µ
µ
(2)
5
a)
b)
Rys.3. Przebieg napięcia strony pierwotnej (a) oraz przebieg prądu
magnesującego (b)
4. Praca układu obciążonego
W stanie obciążenia w uzwojeniu pierwotnym płynie także prąd
wynikający z obciążenia układu filtrem i rezystancją
. W indukcyjności
filtrującej płynie prąd
złożony ze składowej stałej
i przemiennej
o
R
o
F
L
i
I
F
L
i
∆
(rys.4c). Składowa stała jest określona napięciem na obciążeniu
i jego
rezystancją
:
o
U
o
R
o
o
o
R
U
I
=
(3)
Napięcie obciążenia jest równe wartości średniej napięcia wyjściowego
prostownika i zgodnie z rys.4b wynosi:
6
w
U
T
t
U
U
s
z
z
s
o
η
η
=
=
2
(4)
gdzie: przekładnia transformatora
1
2
z
z
=
η
( z
- liczba zwojów uzwojenia
pierwotnego i wtórnego.
2
1
z
,
Składowa przemienna zależy od wartości indukcyjności
:
F
L
(
)
w
w
fL
U
t
L
U
U
i
F
s
z
F
o
s
L
F
−
=
−
=
∆
1
2
η
η
. (5)
Aby zapewnić przewodzenie ciągłe w układzie należy spełnić warunek:
2
F
L
o
i
I
∆
≥
. (6)
Wynika stąd minimalna wartość indukcyjności zapewniająca
przewodzenie ciągłe:
(
min
o
F
w
f
R
L
−
≥
1
4
)
(7)
Wahania napięcia obciążenia wynoszą:
2
2
1
1
I
i
C
u
F
L
F
o
∆
=
∆
. (8)
Względne wahania napięcia obciążenia:
(
)
F
F
o
o
L
f
w
C
U
U
2
1
8
1
1
−
=
∆
. (9)
Aby więc zapewnić względne wahania mniejsze od wartości
δ
np.
równej 0,01 należy zastosować pojemność:
(
)
F
min
F
L
f
w
C
2
1
8
1
δ
−
≥
. (10)
7
Rys.4. Przebiegi czasowe przy obciążeniu
przy
1
=
η
:
a) napięcia strony pierwotnej, b) napięcie
wyjściowe prostokątne
c) prąd w indukcyjności filtrującej
d) prąd w tranzystorze
e) prąd w diodzie
W
stanie załączenia pary
tranzystorów prąd dławika
F
F
L
o
L
i
I
i
∆
+
=
po stronie wtórnej
transformatora przepływa przez
odpowiednią diodę
1 bądź
(rys.4e). W tym stanie prąd po
stronie pierwotnej płynący przez
tranzystory jest sumą
przeniesionego prądu
i prądu
magnesującego (rys.4d).
D
L
i
2
D
F
W stanie wyłączenia
wszystkich tranzystorów prąd
płynie poprzez obydwie diody
i
, a
odpowiednio przeniesiony
stały prąd magnesujący zamyka się
również przez te diody. W rezultacie
w jednej z diod płynie prąd równy
F
L
i
1
D
2
D
2
*
i
µ
+
L
i
F
, a
w drugiej
2
*
i
µ
−
L
i
F
(rys.4e).
Dla szacunkowych obliczeń przyjmując prąd magnesujący i wahania
prądu w indukcyjności
możemy wyznaczyć skuteczne wartości prądów
tranzystora i diody.
F
L
w
I
dt
I
T
I
*
o
t
*
o
Tsk
z
=
=
∫
0
2
1
, gdzie
η
o
*
o
I
I
=
8
4
1
2
2
1
0
2
2
2
w
w
I
dt
I
dt
I
T
I
o
t
T
t
o
o
Dsk
z
z
−
+
=
+
=
∫
∫
(11)
5. Wpływ indukcyjności rozproszenia transformatora
Indukcyjność rozproszenia transformatora nie pozwoli na skokowe
zmiany prądu tranzystora z powodu indukowanego napięcia:
dt
di
L
U
L
δ
δ
=
Stąd prąd tranzystora załączonego narasta z określoną stromością, a przy
wyłączeniu tranzystorów współpracującej pary pojawi się w nim prąd wsteczny
płynący poprzez diodę podłożową (rys.5b). Skutkiem tego kształtu prądu zmieni
się kształt napięcia pierwotnego i pojawią się odpowiednie przepięcia, jak na
rys.5a.
Rys.5. Przebieg napięcia pierwotnego, prądu tranzystora oraz prądu diody
prostownika, przy uwzględnieniu indukcyjności rozproszenia transformatora
Indukcyjność rozproszenia można wyznaczyć z próby zwarcia.
9
Opis stanowiska laboratoryjnego
Na rysunku 6 pokazano widok płyty czołowej stanowiska
laboratoryjnego. Składa się ona z trzech pól. Lewe z nich zawiera układ
sterowania, prawe - część siłową przekształtników, i środkowe z elementami
związanymi z zasilaniem. Są tu trzy zaciski, oznaczone symbolem
2
E
, na
których pojawia się napięcie z zewnętrznego, symetrycznego zasilacza o
regulowanym płynnie napięciu w zakresie 0
±
30V (zasilacz ten dołącza się do
kabla wyprowadzonego na tylnej ścianie stanowiska) oraz przyciski sterujące.
Wyłącznikiem
ZS
załącza się obwód sterowania i przygotowuje do
uruchomienia obwód główny, który można załączyć i wyłączyć odpowiednio
przyciskami
Z
i
W
.
Po prawej stornie płyty czołowej umieszczono elementy, z których łączy
się w trakcie badań różne typy przekształtników. Są tu cztery tranzystory
MOSFET
typu
IRFP 460
, z których każdy ma wyprowadzony dren, źródło i
bramkę. Tranzystory są wewnętrznie dołączone do obwodu sterowania. Łączy
się tylko źródło i dren tranzystora według zadanej konfiguracji przekształtnika.
Zacisk bramki tranzystora służy tylko do obserwacji sygnału sterującego. Sygnał
ten należy oglądać w odniesieniu do masy elektroniki. Struktura tranzystora
typu
IRFP 460
zawiera zintegrowaną diodę, zwaną diodą podłożową. Dioda ta
ma bardzo złe właściwości dynamiczne. Można ją wyeliminować stosując
odpowiednio połączone diody szybkie typu
HFA25TB60
. Na pulpicie oznaczone
są jako
D
5
÷
D
16
.
Oprócz elementów półprzewodnikowych na płycie czołowej stanowiska
umieszczono sześć bipolarnych kondensatorów o pojemnościach:
57nF
(
C
1
),
47nF
(
C
5
i
C
6
) i
10nF
(
C
2
, C
3
i
C
4
). Kondensatory
C
7
, C
8
i
C
9
to kondensatory
elektrolityczne o pojemności odpowiednio
47
µ
F, 100
µ
F i 220
µ
F
. Ponadto na
płycie czołowej stanowiska zainstalowano cztery dławiki powietrzne
L
1
÷
L
4
o
indukcyjności ok.
10
µ
H
oraz dwa dławiki ferromagnetyczne
L
5
i
L
6
.
Obciążeniem budowanych przekształtników mogą być wbudowane oporniki
R
1
i
R
2
o rezystancji
16
Ω
..
Wszystkie obserwacje przebiegów napięć i prądów mogą być
dokonywane za pomocą oscyloskopu. W celu ułatwienia obserwacji
zamontowane zostały przetworniki typu
LEM
obserwacji prądów (
PI
1
÷
PI
5
).
Prawą stronę pulpitu stanowiska laboratoryjnego zajmuje modulator,
generujący impulsy sterujące tranzystorami. Jest on wewnętrznie połączony z
tranzystorami. Modulator jest układem uniwersalnym i może być stosowany do
sterowania różnymi typami przekształtników. Dobór układu sterowania do
przekształtnika odbywa się poprzez wstawienie do gniazda umieszczonego obok
napisu
„UKŁAD MODULATORA”
odpowiednio spreparowanego wtyku
(klucza) oznaczonego kolejną liczbą. Wtyk ten jest dostępny u prowadzącego
zajęcia. Od gniazda umieszczonego obok napisu
„UKŁAD MODULATORA”
10
rozchodzą się w kierunku poszczególnych pól układu sterowania i
potencjometrów numerowane strzałki. Włożenie wtyku z numerem
1
oznacza,
że uaktywni się pole z potencjometrem
f
T
, do regulacji częstotliwości napięcia
wyjściowego. Wstawienie wtyku z innym numerem spowoduje zmianę rodzaju
sterowania i uaktywnienie się innych pól.
t
w
t
i
T
f
T
f
m
in
f
m
a
x
f
1
A
k
∆
A
O
fs
t
O
fs
t
P
oz
io
m
k
om
pa
ra
cj
i
sy
gn
ał
u
w
u
kł
ad
zi
e
re
gu
la
cj
i
je
d
no
bi
e
gu
no
w
e
j
je
dn
og
ał
ęz
io
w
e
j
t
i
k
2
4
3
5
5
a
5
b
5b
6a
6
7
8
9
1
U
kł
ad
m
o
d
u
la
to
ra
kT
i u
i
u
E_ 2
E_ 2
P
I
Z
W
Z
S
4
3
2
1
P
N
1
P
P
1
P
P
2
P
P
3
P
R
Z
E
K
S
Z
T
A
Ł
T
N
IK
I
I
M
P
U
L
S
O
W
E
C
3
C
4
D
9
D
1
0
D
11
D
1
2
P
N
2
C
7
C
8
C
9
P
P
4
P
P
5
D
16
R
1
C
5
L1
L
2
L3
L5
L
6
L
4
C
6
R
2
D
1
3
D
14
D
1
5
T
R
1
D
5
D
6
D
8
D
7
C
2
C
1
O
fs
t
Rys. 6.
Widok płyty czołowej stanowiska
11
6. Program ćwiczenia
1. Zmierzyć zastosowane parametry filtru: indukcyjność dławika L
F
i
pojemność C
F.
2. Zarejestrować prąd magnesujący transformatora i wyznaczyć wartość
indukcyjności L
u
.
3. Przy założonym prądzie i zakresie regulacji dobrać wartość rezystancji
obciążenia R
0
.
4. Zarejestrować przebiegi w układzie w stanie obciążenia.
5. Zdjąć charakterystykę regulacyjną układu dla dwóch częstotliwości.
6. Zdjąć charakterystykę sprawności układu dla dwóch częstotliwości.
7. Literatura
1. Wykład Elektronika Mocy 1.
2. Baranowski J. Czajkowski. Układy elektroniczne cz. II Układy analogowe
i impulsowe WNT 1994
3. Dmowski A. Energoelektroniczne układy zasilania prądem stałym w
telekomunikacji i energetyce WNT Warszawa 1998
Instrukcję opracował:
Prof. dr hab. inż. Tdeusz Citko
Dr inż. Stanisław Jałbrzykowski
12