POLITECHNIKA ŁÓDZKA
Katedra Mikroelektroniki i Technik
Informatycznych
90-924 Łódź, ul. Wólczańska 213, bud.
B18
dr inż. Tomasz Poźniak
pozniak@dmcs.pl
ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWA
ELEKTRONIKA PRZEMYSŁOWA
Cz. I. Zastosowanie przyrządów
Cz. I. Zastosowanie przyrządów
mocy
mocy
jako kluczy idealnych
jako kluczy idealnych
2
Bibliografia
Bibliografia
3
Introduction to Power
Introduction to Power
Processing
Processing
Fundamentals of Power
Electronics
Robert W. Erickson
University of Colorado, Boulder
4
Rodzaje przekształtników
Rodzaje przekształtników
5
Sterowanie
Sterowanie
6
Sprawność
Sprawność
7
Sprawność cd.
Sprawność cd.
8
Czym dysponujemy?
Czym dysponujemy?
9
Co wybrać? Czego unikać?
Co wybrać? Czego unikać?
10
Klucz idealny
Klucz idealny
T
dt
t
p
T
P
0
)
(
1
11
Problem do rozwiązania
Problem do rozwiązania
12
Można tak!
Można tak!
13
Lub tak!
Lub tak!
14
Można też użyć kluczy
Można też użyć kluczy
idealnych!
idealnych!
15
Składowa stała zależy od
Składowa stała zależy od
sterowania
sterowania
16
Filtr dolnoprzepustowy
Filtr dolnoprzepustowy
17
Sterowanie
Sterowanie
18
Przetwornica obniżająca
Przetwornica obniżająca
napięcie
napięcie
19
Składowa stała napięcia wyjściowego
Składowa stała napięcia wyjściowego
20
Filtr dolnoprzepustowy
Filtr dolnoprzepustowy
21
Podstawowe konfiguracje
Podstawowe konfiguracje
22
Półprzewodnikowe przyrządy
Półprzewodnikowe przyrządy
mocy
mocy
P
ro
d
u
ct
o
f
D
e
v
ic
e
V
-I
R
a
ti
n
g
s
(V
A
)
Thyristor
10 100 1K 10K 100K 1M (Hz)
100M
10M
1M
100K
10K
1K
100
10
GCT
GTO
IGBT
Module,
IPM
IGBT Discrete
VDMOS
23
Podstawowe Prawa
Podstawowe Prawa
• Prawo Ohma
• Prawa Kirchhoffa
• Zasada zachowania energii
Ciągłość prądu w cewce
2
2
1
Li
W
L
2
2
1
Cu
W
C
Ciągłość napięcia na kondensatorze
24
• Wartość średnia
x(t)
u(t), i(t)
• Wartość skuteczna
x(t)
u(t), i(t)
• Moc czynna
Podstawowe definicje
Podstawowe definicje
T
AV
dt
t
x
T
X
0
1
T
RMS
dt
t
x
T
X
0
2
)
(
1
T
dt
t
p
T
P
0
)
(
1
Podstawowe konfiguracje
Podstawowe konfiguracje
25
Cz. II. Przetwornice
Cz. II. Przetwornice
tranzystorowe
tranzystorowe
26
i
i
T
t
D
Sygnał sterujący tranzystorem
Sygnał sterujący tranzystorem
27
we
wy
U
U
Przetwornica dławikowa obniżająca
Przetwornica dławikowa obniżająca
napięcie (Buck or Step-Down
napięcie (Buck or Step-Down
converter)
converter)
28
pierwszy takt pracy - tranzystor Q
przewodzi
drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi
dioda D)
i
wy
we
L
t
L
U
U
i
i
i
wy
L
t
T
L
U
i
29
i
i
wy
i
wy
we
t
T
L
U
t
L
U
U
i
i
wy
i
wy
we
t
T
U
t
U
U
i
wy
i
wy
i
wy
i
we
t
U
T
U
t
U
t
U
i
wy
i
we
T
U
t
U
i
i
we
wy
T
t
U
U
D
we
wy
U
U
i
i
T
t
D
30
D
we
wy
U
U
1
we
wy
U
U
i
o
U
wy
Summary
31
U
wy
/ U
we
= f ( I
o
’) ; d =
D
D
we
wy
U
U
32
Dane:
f = 10 kHz
U
we
= 192 V
U
wy
= 48 V
R
o
= 1 Ω
L = 200 μH
1. Obliczyć czas włączenia klucza t
i
oraz współczynnik wypełnienia D
i średni prąd obciążenia I
o AV
.
2. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce u
L
(t) i prąd cewki i
L
(t).
3. Obliczyć średnie i skuteczne wartości prądu diody i tranzystora.
4. Obliczyć prąd skuteczny kondensatora I
C RMS
.
Przykład
Przykład
33
Przykład
Przykład
c.d.
c.d.
4
1
192
48
D
V
V
U
U
D
U
U
we
wy
we
wy
A
A
s
s
I
T
t
I
AV
i
i
TAV
12
48
100
25
A
A
dt
t
s
A
A
s
dt
t
t
i
i
T
I
s
t
i
L
L
i
TRMS
i
1
,
24
25
18
39
100
1
1
25
0
2
0
2
min
A
A
s
s
I
T
t
T
I
AV
i
i
i
DAV
36
48
100
75
A
dt
t
s
A
A
s
dt
t
t
T
i
i
T
I
s
t
T
i
i
L
L
i
DRMS
i
i
8
,
41
75
18
57
100
1
1
75
0
2
0
2
max
A
dt
t
s
A
A
dt
t
s
A
A
s
I
s
s
CRMS
2
,
5
75
18
9
25
18
9
100
1
75
0
2
25
0
2
34
Buck converter - symulacja
Buck converter - symulacja
35
Buck converter – wyniki symulacji
Buck converter – wyniki symulacji
36
37
Przetwornica dławikowa
Przetwornica dławikowa
podwyższająca napięcie
podwyższająca napięcie
(Boost or Step-Up converter)
(Boost or Step-Up converter)
38
i
we
L
t
L
U
i
i
i
we
wy
L
t
T
L
U
U
i
pierwszy takt pracy - tranzystor Q
przewodzi
drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)
39
i
i
we
wy
i
we
t
T
L
U
U
t
L
U
i
i
we
wy
i
we
t
T
U
U
t
U
i
we
i
we
i
wy
i
wy
i
we
t
U
T
U
t
U
T
U
t
U
i
we
i
wy
i
wy
T
U
t
U
T
U
i
i
i
we
wy
t
T
T
U
U
i
i
we
wy
T
t
1
1
U
U
D
U
U
we
wy
1
1
i
i
T
t
D
40
D
U
U
we
wy
1
1
Uwe
Iwe
Summary
41
Przykła
Przykła
d
d
Dane:
U
we
= 50 V
t
i
= 50 s
U
wy
= 75 V
R
o
= 2,5 Ω
L = 250 μH
1. Obliczyć częstotliwość pracy f
i
oraz czas wyłączenia klucza T
i
-t
i
zakładając tryb pracy CCM.
2. Obliczyć średni prąd wejściowy I
L AV
i prąd obciążenia I
o AV
.
3. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce, u
L
(t) i prąd cewki, i
L
(t).
4. Obliczyć średnie wartości prądu diody i tranzystora.
5. Obliczyć wartość skuteczną prądu kondensatora I
C RMS
.
42
Przykład
Przykład
c.d.
c.d.
3
1
75
50
1
1
1
1
V
V
U
U
D
D
U
U
wy
we
we
wy
A
A
s
s
I
T
t
I
LAV
i
i
TAV
15
45
150
50
A
A
s
s
s
I
T
t
T
I
LAV
i
i
i
DAV
30
45
150
50
150
A
dt
t
s
A
A
dt
A
s
I
s
s
CRMS
3
,
21
100
10
20
30
150
1
100
0
2
50
0
2
A
V
R
U
I
o
wy
wyAV
30
5
,
2
75
A
V
V
A
U
U
I
I
I
U
I
U
we
wy
wyAV
weAV
wyAV
wy
weAV
we
45
50
75
30
A
s
H
V
t
L
U
i
i
we
L
10
50
250
50
43
Simulation of the Boost converter
Simulation of the Boost converter
M1
IRF350
P
lu
s
M
in
u
s
V1
50V
D1
MR504
R1
18
R2
470
V2
L1
250uH
C1
1mF
R3
2,5
1
2
3
4
5
44
Boost converter simulation results
Boost converter simulation results
0.00m
2.00m
4.00m
6.00m
8.00m
10.00m
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
v(4)
T
v(5)
0.00m
2.00m
4.00m
6.00m
8.00m
10.00m
0.00
30.00
60.00
90.00
120.00
150.00
i(L1)
T
BOOST CONV.CIR Temperature = 27
45
PFC – application of Boost converter
PFC – application of Boost converter
46
Przetwornica dławikowa podwyższająca
Przetwornica dławikowa podwyższająca
napięcie
napięcie
z uwzględnieniem strat
z uwzględnieniem strat
47
Przetwornica dławikowa podwyższająca
Przetwornica dławikowa podwyższająca
napięcie
napięcie
z uwzględnieniem strat
z uwzględnieniem strat
pierwszy takt pracy - tranzystor Q1
przewodzi
drugi takt pracy
- wyłączony tranzystor Q1 (przewodzi dioda
CR1)
it
L
R
I
U
U
L
i
L
L
DS
WE
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
i
i
WE
L
L
d
WY
t
T
L
U
R
I
U
U
L
i
48
Przetwornica
idealna
Przetwornica
ze stratami
Przetwornica dławikowa podwyższająca
Przetwornica dławikowa podwyższająca
napięcie
napięcie
z uwzględnieniem strat
z uwzględnieniem strat
D
U
U
we
wy
1
1
D
D
U
U
D
L
R
L
I
we
U
wy
U
DS
d
1
1
1
49
Przetwornica dławikowa odwracająca
Przetwornica dławikowa odwracająca
napięcie
napięcie
(Up-Down Invert converter)
(Up-Down Invert converter)
50
pierwszy takt pracy - tranzystor Q
przewodzi
drugi takt pracy - wyłączony tranzystor Q (przewodzi dioda D)
i
we
L
t
L
U
i
i
i
wy
L
t
T
L
U
i
51
i
i
wy
i
we
t
T
L
U
t
L
U
i
i
wy
i
we
t
T
U
t
U
i
i
i
we
wy
t
T
t
U
U
i
i
i
i
we
wy
T
t
1
T
t
U
U
i
i
T
t
D
D
U
U
we
wy
1
D
52
D
U
U
we
wy
1
D
Invert
Invert
C
C
onverter
onverter
-
-
Summary
Summary
53
Przykła
Przykła
d
d
Dane:
U
we
= 50
V
t
i
= 60 s
U
wy
= -75
V
R
o
= 2,5
Ω
L = 250
μH
1. Obliczyć częstotliwość pracy, f
i
, wypełnienie D
oraz czas
wyłączenia klucza, T
i
-t
i
, zakładając tryb pracy
CCM.
2. Obliczyć prąd obciążenia I
wy AV
i średni prąd
wejściowy I
we AV
.
3. Obliczyć średnie wartości prądu diody i
tranzystora.
4. Wyznaczyć przebieg napięcia na cewce, u
L
(t) i prąd
cewki, i
L
(t).
5. Obliczyć wartość skuteczną prądu kondensatora I
C
RMS
.
54
Przykład
Przykład
c.d.
c.d.
5
3
50
75
75
1
V
V
V
U
U
U
D
D
D
U
U
we
wy
wy
we
wy
LAV
i
i
QAV
I
T
t
I
LAV
i
i
i
DAV
I
T
t
T
I
A
dt
t
s
A
A
dt
A
s
I
s
s
CRMS
???
40
12
51
30
100
1
40
0
2
60
0
2
A
V
R
U
I
o
wy
wyAV
30
5
,
2
75
A
V
V
A
U
U
I
I
I
U
I
U
we
wy
wyAV
weAV
wyAV
wy
weAV
we
45
50
75
30
A
s
H
V
t
L
U
i
i
we
L
12
60
250
50
A
I
I
weAV
QAV
45
A
I
LAV
75
A
I
I
wyAV
DAV
30
A
I
LAV
75
55
Buck-Boost converter - simulation
Buck-Boost converter - simulation
M1
IRF350
P
lu
s
M
in
u
s
V1
50V
D1
MR504
R1
18
R2
470
V2
L1
250uH
C1
1mF
R3
2,5
1
2
3
4
5
56
Buck-Boost converter - simulation
Buck-Boost converter - simulation
results
results
0.00m
2.00m
4.00m
6.00m
8.00m
10.00m
-80.00
-60.00
-40.00
-20.00
0.00
20.00
v(4)
T
v(5)-v(3)
0.00m
2.00m
4.00m
6.00m
8.00m
10.00m
0.00
30.00
60.00
90.00
120.00
150.00
i(L1)
T
BUCKBOOST CONV.CIR Temperature = 27
57
Three basic dc-dc converters
Three basic dc-dc converters
58
Przetwornice dławikowe -
Przetwornice dławikowe -
porównanie
porównanie
59
Przetwornice transformatorowe
Przetwornice transformatorowe
(Transformer-Isolated Converters)
• Izolacja galwaniczna obwodu wyjściowego
od obwodu wejściowego (bezpieczeństwo
pracy)
• Możliwość zmniejszenia / zwiększenia
współczynnika przetwarzania napięcia przez
odpowiedni dobór przekładni transformatora
• Możliwość
otrzymania
wielu
napięć
wyjściowych przez zastosowanie wielu
uzwojeń wtórnych
60
o
b
n
iż
a
ją
c
a
n
a
p
ię
c
ie
(b
u
c
k
)
p
o
d
w
y
ż
s
z
a
ją
c
a
n
a
p
ię
c
ie
(
b
o
o
s
t)
o
d
w
ra
c
a
ją
c
a
n
a
p
ię
c
ie
(b
u
c
k
-b
o
o
s
t)
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
–
+
+
–
+
–
p
rz
e
p
u
s
to
w
a
(f
o
rw
a
rd
)
tranzystor zwykle sterowany względem masy
+
–
+
–
ten układ nie ma znaczenia praktycznego
+
–
–
+
za
p
o
ro
w
a
(
f
y
b
a
c
k
)
tranzystor zwykle sterowany względem masy
Przetwornice dławikowe po wstawieniu
Przetwornice dławikowe po wstawieniu
transformatorów
transformatorów
61
n
D
U
U
we
wy
1
D
1 : n
(CCM)
(DCM)
Przetwornica zaporowa
Przetwornica zaporowa
The Flyback Converter
The Flyback Converter
62
Przetwornica zaporowa
Przetwornica zaporowa
– tryb CCM
– tryb CCM
63
Flyback Converters - Fairchild Power Swi
Flyback Converters - Fairchild Power Swi
GMT Time
This webcast discusses switchmode power supply
design issues including an in depth discussion of
flyback topology along with critical aspects of
component selection. The design of the magnetics is
also reviewed. A design example will illustrate how
SMPS design can be simplified using Fairchild’s FPS
Designer software. The design is broken down into a
few easy to understand steps followed by evaluation
of how the results correlate once the design is built.
Thursday, January 15,
2004
01/15/04 17:00
64
Fairchild Semiconductor Power Seminar
Fairchild Semiconductor Power Seminar
Webcast Series
Webcast Series
Flyback Converters - Fairchild Power Switch
January 15, 2004
Practical aspects of feedback control
January 22, 2004
Power Factor Correction
January 29, 2004
DC-DC Solutions (Control)
February 5, 2004
High-Voltage Discrete Technology
February 12, 2004
DC-DC Solutions (MOSFETs)
February 19, 2004
65
Wpływ magnesowania rdzenia
Wpływ magnesowania rdzenia
Energia gromadzona w polu cewki
(= energii przekazywanej do
obciążenia) w przetwornicy
zaporowej:
2
2
1
i
L
W
L
Więcej energii większy prąd
Duże prądy
niebezpieczeństwo nasycenia
Rozwiązanie: rdzeń ze szczeliną
W przetwornicy
przepustowej prąd
magnesujący jest niepożądany
rdzenie bez szczeliny
66
Two Transistor Flyback
Two Transistor Flyback
Converter
Converter
67
Flyback Magnetics
Flyback Magnetics
68
Why Use a Gap?
Why Use a Gap?
2
2
1
i
L
W
L
… to store magnetic energy:
But
where?
• For uniform magnetic flux density B = Φ/A = µ
m
H
m
= µ
g
H
g
µ = permeability, H = magnetic field intensity
m = magnetic material, g = gap (air)
• For ferrite, µ
m
is often thousands of times greater
than µ
g
H
g
is thousands of times greater than H
m
• Magnetic energy storage per unit volume: w
m
∝ H2
virtually all the energy is stored in the gap
• Double the gap - double the energy storage at B
max
(at half the L but 2x the max current)
69
Characteristics of a Typical Flyback
Characteristics of a Typical Flyback
Transformer
Transformer
1.
The flyback transformer is a multi-winding coupled inductor, taking energy from
the electrical
circuit, storing it in its non-magnetic gap, and subsequently returning it minus
losses to the circuit.
2.
Design Limitations
•
Temperature rise and efficiency considerations arising from the core losses and
copper losses. Note for a fixed flux density, core losses reduce with temperature.
•
Core saturation. Note that saturation flux density reduces with temperature.
•
Leakage Inductance
70
Flyback vs. Forward
Flyback vs. Forward
The flyback transformer is coupled
inductors. It stores energy when the
switch
is closed and transfers it to the load
when
the switch is opened
The forward transformer is a true
transformer.
No energy is stored. Energy is transferred
to the
load when the switch is closed.
71
n
D
we
wy
U
U
1 : 1 :
n
(CCM)
Przetwornica
Przetwornica
przepustowa
przepustowa
The Forward Converter
The Forward Converter
72
i
i
L
I
wy
2U
w
e
U
w
e
t
t
t
t
t
u
S
i
S
i
D3
t
i
T
i
D < 0.5
2U
w
e
i
i
L
I
wy
U
w
e
t
t
t
t
t
u
S
i
S
i
D3
t
i
T
i
D = 0.5
Przetwornica przepustowa
Przetwornica przepustowa
transformatorowa
transformatorowa
The Forward Converter
The Forward Converter
73
Characteristics of a Typical Forward
Characteristics of a Typical Forward
Transformer
Transformer
• Ideally the forward transformer stores no energy. In practice, forward
transformers do store
some energy:
– Leakage Inductance represents energy stored in the non-magnetic regions
between
Windings,
– Mutual inductance (magnetising inductance) represents energy stored in
the finite permeability of the magnetic core and the small gaps where the
core halves come together.
• Design limitations:
– At SMPS frequencies, core losses are the most important limitation.
74
example
of
DATEL
convert
er
75
Two transistor Forward converter
Two transistor Forward converter
76
Wpływ magnesowania rdzenia
Wpływ magnesowania rdzenia
W przetwornicy zaporowej energia
gromadzona w polu cewki to energia
przekazywana do obciążenia:
2
2
1
i
L
W
L
• Większy prąd
to więcej energii
•
Duże
prądy
to
niebezpieczeństwo nasycenia
Rozwiązanie: rdzeń ze szczeliną
W
przetwornicy
przepustowej
prąd magnesujący jest niepożądany
stosuje się rdzenie bez szczeliny.