Aktivn harmonick filtry preregul tory
Download
1 / 34

- PowerPoint PPT Presentation


  • 96 Views
  • Uploaded on

Aktivní harmonické filtry (preregulátory). funkce PFC, zapojení, účiník, synchronní usměrňovač, rezonanční zdroje. Nesinusový odběr klasického usměrňovače.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about '' - marcel


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Aktivn harmonick filtry preregul tory

Aktivní harmonické filtry (preregulátory)

funkce PFC, zapojení, účiník,

synchronní usměrňovač,

rezonanční zdroje


Nesinusov odb r klasick ho usm r ova e
Nesinusový odběr klasického usměrňovače

a) Tato zařízení způsobují rušení- interference, které by neměly překračovat limity dané normou pro frekvence nad 10 kHz. Výsledkem usměrnění a následného vyhlazení pomocí kondenzátoru vznikají harmonické kmitočty vlivem pulsního nabíjecího proudu kondenzátoru.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

b) Kromě těchto regulací, které se týkají obsahu harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník. Účiník nám sděluje poměr činného a zdánlivého odebíraného výkonu. Zatímco elektrické interference jsou hlavním kritériem pro určení obsahu harmonických, účiník je měřítkem velikosti možné zátěže a bezpečnosti celého zdroje.

c) Výkonový měnič umožňuje spojitou transformaci stejnosměrného napájecího napětí, obvykle po usměrnění napětí sítě na vyšší stejnosměrné napětí a to s vysokou účinností. Řídící logika je navržena tak, aby napájecí zdroj odebíral téměř sinusový proud s velmi malým obsahem harmonických a s účiníkem cos  1. Na výstupu je stabilizované stejnosměrné napětí.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Porovnání typů usměrnění harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Typické zapojení PFC harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník. (Power factor correction)

IL

U

ID

EMI FILTR

IT

PWM CTRL


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Průběhy proudů v PFC harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník.

Pracuje-li PFC na kmitočtu 100 kHz, pak na dobu T/2 připadá 50000 impulzů, ze kterých jsou průběhy složeny.

Cívka může být navržena o tak malé indukčnosti L, že její okamžitý proud IL v impulzu klesá na nulu.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Spínání tranzistoru harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník.

Nebo může mít cívka L mnohem větší indukčnost a nárůst (a pokles) jejího proudu jen „obaluje“ požadovanou sinusovku proudu – lépe se filtruje.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Účinnost zdroje a jeho účiník. harmonických, je pro návrh zařízení stále důležitý účiník.

V obvodu TDA16888 je kombinace PFC + SMPS (Switch Mode Power Supply = spínaný zdroj), která funguje synchronně pro snížení rušení obvodu.

SMPS

PFC


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Obvod TOPSwitch TOP202 s pevným kmitočtem v nespojitém režimu činnosti jako preregulátor

zvyšující výstupní napětí, zlepšující účiník cos  0,99 -(Power Factor) a snižující celkové harmonické zkreslení THD  5 % (THD = Total Harmonic Distortion).


Aktivn harmonick filtry preregul tory

PFC s obvodem UC 3852 režimu činnosti jako preregulátor

a tranzistorem MOSFET


Aktivn harmonick filtry preregul tory

PFC je vlastně režimu činnosti jako preregulátor zvyšovač napětí, který je napájen napětím s téměř 100% zvlněním. Usměrňovač pracuje do kondenzátoru s velmi malou kapacitou, který slouží pouze jako blokace vf proudu, nikoliv jako filtrace frekvence 100 Hz.

PFC má kromě zvýšení účiníku ještě jednu velkou výhodu, umožňuje univerzální provoz s napětím (100 – 240) V bez přepínání. Výstupní napětí PFC je totiž jen nepatrně závislé na velikosti vstupního střídavého napětí. Umožňuje tím univerzální provoz i propustným typům zdrojů, které samy o sobě nemají pro univerzální provoz dostatečný rozsah regulace.

Dioda D2 nemá na ustálený provoz obvodu žádný vliv, uplatňuje se jen v okamžiku zapnutí, kdy je C2 s velkou kapacitou vybitý. Díky této diodě neteče velký počáteční proud přes tlumivku a nedojde tedy k jejímu přesycení, což by mohlo způsobit zničení tranzistoru.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

POWER FACTOR režimu činnosti jako preregulátor je jedním z těch témat, o kterých existuje mnoho nejasností a mnohé mylné informace. Viníkem je tvrzení, že účiník = cos (φ), kde φ je fázový posun mezi napětím a proudem. Je to sice pravda, ale jen za určitých ideálních podmínek. Existuje mnoho reálných případů, kdy je to zcela nesprávné.

Pokud připojíme sinusový zdroj napětí na odpor bude se ohřívat. Proud je dána vztahem I = U / R a výkon je dána vztahem:

P = U . I nebo P = U ² / R. Napětí a proud jsou efektivní hodnoty. Horní modrá vlnovka je sinusové napětí. Napětí má efektivní hodnotu 1 V přičemž vrcholem napětí je hodnota 1,414 V, červenou vlnovkou je proud a jeho efektivní hodnota je také 1 A a tedy vrcholová 1,414. Odpor je tedy 1 Ω). Zelená vlnovka je okamžitý výkon, tedy součin napětí a proudu v každém okamžiku. Okamžitý výkon je 1,414 V . 1,414 A = 2 W. Průměrný výkon je tedy 1 W.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Nahradíme nyní odpor cívkou. Proud cívkou (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon.

Záporný výkon? Co to znamená? Jen to, že záporný proud během této části cyklu převádí energii z cívky zpět do zdroje napětí. Cívka je zdrojem. Energie uložená v cívce je ½ L . I ².


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Rezonanční spínané zdroje (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon. – rozdělení:

  • 1) RC = Resonant Converters (rezonanční měniče)

    • SRC = Series Resonant Converter (měniče se sériovou rezonancí)

Sériový rezonanční obvod tvoří CS a LS a v rezonanci má minimální impedanci a teče jím maximální proud. Tento proud prochází přes usměrňovač do kondenzátoru CO

a zátěže RZ.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Rezonanční mód spínaného zdroje (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon.

Spínač S je rozepnut a do rezonančního sériového obvodu, tvořeného prvky LR a CR neteče proud. Dioda DOUT je mezi tím protékána proudem IOUT, který teče z cívky LOUT do zátěže a uzavírá se zpět právě přes DOUT.

Když spínač S v čase to sepne, objeví se na cívce LR konstantní napětí zdroje UIN, protože kondenzátor CR má v tomto okamžiku (jednotkový skok napětí) nulovou impedanci.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

3) V okamžiku t (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon. 1 překročí ILR proud IOUT a napětí na kondenzátoru CR začne narůstat. Jakmile je na kondenzátoru CR kladné napětí, dioda DOUT se uzavírá a nevede.

4) Vstupní proud IR se ovšem rozdělí, jeho část o velikosti IOUT teče i nadále do zátěže a jeho další část právě dobíjí kondenzátor CR.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

  • 5) Svého maxima dosahuje proud I (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon. LR v okamžiku, kdy na kondenzátoru CR je právě hodnota napětí UIN. Dále pak již narůstat nemůže (na cívce LR není žádné napětí) a začíná pomalu klesat tak, jak roste napětí na kondenzátoru CR.

6) Předá-li cívka LR svoji energii magnetického pole do kondenzátoru CR, pak na tomto kondenzátoru naroste napětí UCR na 2 . UIN, kdy nastává jeho maximum, další proud do kondenzátoru neteče a veškerý vstupní proud IIN = ILR = IOUT. Naopak se začne kondenzátor CR vybíjet a v časovém okamžiku t4 je na něm již napětí UIN, takže proud ze zdroje je nulový (na LR je nulové napětí) a spínač S je možno vypnout.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

7) Kondenzátor C (spotřebičem) se zpožďuje o 90 ° za napětím. To dokládá červená vlnovka proudu. Podívejme se na okamžitý výkon. Mezi svislými čarami budeme mít záporné napětí, násobené kladným proudem a tedy záporný výkon. R se dále vybíjí a teprve v časovém okamžiku t5 je vybit, dioda DOUT se stává vodivou a do zátěže je předávána energie z magnetického pole cívky LOUT. Periodický cyklus je u konce v tom okamžiku, kdy je kondenzátor CR opět přebit na napětí - 0,6 [V] (dále se nepřebíjí, protože UF diody DOUT již neroste).

8) Dioda D1 zamezuje zpětnému proudu do zdroje.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

9) Přenos vyššího množství energie se uskutečňuje častějším spínáním spínače S. Naopak konstantní musí být doba sepnutí spínače S tak, aby korespondovala s parametry obvodu LR a CR. Mění se tedy střída ovládacího signálu změnou kmitočtu, resp doby tOFF. Frekvence spínání spínače S je odvozována od výstupního napětí přes obvod VCO (Voltage Controlled Oscilator).

Výhodou rezonančních stabilizátorů je to, že ačkoliv spínací prvek pracuje v režimu sepnuto - rozepnuto (tedy s minimálními ztrátami), zbytek obvodů pracuje se spojitými průběhy. To má za následek velmi značné snížení šumu, snížení zvlnění a zmenšení napěťových a proudových špiček, které vyzařují elektromagnetické pole do prostoru a způsobují snížení elektromagnetické kompatibility. Snižuje se i horní rozsah spektra rušících signálů.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

SRPS = Series Resonant Power Supply častějším spínáním spínače S. Naopak konstantní musí být doba sepnutí spínače S tak, aby korespondovala s parametry obvodu L

Zdroj na principu sériové rezonance:

dva tranzistory spolu se dvěma kondenzátory C1 a C2 tvoří můstek v jehož uhlopříčce se nalézá laděný sériový rezonanční obvod C3 + L1

Indukčnost L1 je tvořena primárním vinutím hlavního transformátoru.

Ve správném pracovním režimu (správná hodnota výstupního napětí) obvod PDM (Pulse-Duration Modulated = pulzy modulované napětím) budí pomocný transformátor impulsy s opakovacím kmitočtem fo.

Další vinutí tohoto pomocného transformátoru zajišťují časovaná otvírání jednotlivých spínacích tranzistorů.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Jakmile se však z nějakých důvodů změní na výstupu požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu fr obvodu C3 + L1. Tím rezonančním obvodem vzrůstá proud (klesá jeho impedance), do transformátoru se dostává více energie a výstupní napětí tím roste směrem k původní velikosti.

Naopak při vzrůstu výstupního napětí (např. odlehčením zdroje odpojením části zátěže) výstupní kmitočet PDM se od rezonančnho kmitočtu fr vzdaluje a odpor rezonančního sériového obvodu C3 + L1 roste a tím klesá proud tímto obvodem a následkem i výstupní napětí.

Vzhledem k tomu, že strmost boků rezonanční křivky je nesmírně vysoká, je tato regulace velmi citlivá i na malé změny výstupního napětí a samozřejmě i rychlá.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Rezonanční spínané zdroje požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f

  • b) PRC = Parallel Resonant Converter (měniče s paralelní rezonancí)

Paralelní rezonanční obvod tvoří Cp a Lp a v rezonanci má maximální impedanci a je na něm maximální napětí. Toto napětí se usměrňuje a napájí přes filtr LO + COzátěž RZ.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Rezonanční spínané zdroje požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f

  • c) SPRC = Series-Parallel Resonant Converter

  • (měniče se sério-paralelní rezonancí)

Obdoba měniče s paralelní rezonancí, kde v rezonanci je minimální úbytek na prvcích CS a LS. Oba rezonanční obvody jsou laděné na shodný kmitočet.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

  • 2) QRC = Quasi-Resonant Converters požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f(kvazirezonanční měniče)

    • ZCS QRC = Zero-Current Switch Quasi-Resonant Converters (kvazirezonanční měniče se spínáním v nule proudu)

    • A/ půlvlnné (dioda D1 v sérii s tranzistorem)

a= tranzistor T1 je sepnut, proud teče přes LR, D1, T1 a přebíjí se konden-zátor CR až do nuly u2

b = napětí u2 na CR začíná růst

c = tranzistor T1 vypíná a kondenzátor CR se vybíjí do RZ

d = napětí u2 mění polaritu a vede D2


Aktivn harmonick filtry preregul tory

interval sepnutí tranzistoru T1: požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f

Ta = ta+tb

interval rozepnutí tranzistoru T1:

Tb = tc+td

doba periody spínání tranzistoru:

TS = Ta + Tb

konec intervalu a:

I2 = U1 . ta / LR

konec intervalu b:

U2 = I2 . (ta + tb)/ CR


Aktivn harmonick filtry preregul tory

  • B/ celovlnné požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f (dioda D1 paralelně s tranzistorem)

V době sepnutí tranzistoru T1 teče proud ze zdroje u1(t) přes cívku LR, sepnutý tranzistor T1 do kondenzátoru CR (a do zátěže RZ).

V době rozepnutí tranzistoru T1 teče proud z kondenzátoru CR přes diodu D2 a cívku LR zpět do zdroje u1(t).


Aktivn harmonick filtry preregul tory

  • b) požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu fZVS QRC = Zero-Voltage Switch Quasi-Resonant Converters (kvazirezonanční měniče se spínáním v nule napětí)

interval 1+2 = T1 rozepnut

interval 3+4 = T1 sepnut


Aktivn harmonick filtry preregul tory

interval a: ze zdroje u požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f1(t) se nabíjí kondenzátor CR proudem a roste na něm napětí. Tento proud teče dále cívkou LR (cívka je spotřebičem, plus napětí je vlevo) do zátěže jako výstupní proud

interval b: jakmile napětí na kondenzátoru CR dosáhne velikosti vstupního napětí U1, klesá proud cívkou LR a cívka přechází do režimu zdroje napětí, plus vpravo. Tím dále roste napětí na kondenzátoru CR (cívka je v sérii se zdrojem U1, výstupní napětí je konstantní) do svého maxima a jak se vyčerpává zásoba energie v magnetickém poli cívky, její proud klesá a napětí na kondenzátoru klesá.

interval c: tranzistor T1 spíná a napětí na kondenzátoru CR je nulové. Proud cívkou se blíží k nule a cívka přechází opět do režimu spotřebiče (plus napětí vlevo) a je protékána proudem ze zdroje přes T1.

interval d: proud cívkou LR je konstantní a teče celý do zátěže. Dioda D2 umožňuje rekuperaci energie z cívky L do zátěže.

  • 3) MRC = Multi-Resonant Converters (multirezonanční měniče)

  • Rezonanční obvod je tvořen v π-článkem s rezonanční kondenzátory připojenými paralelně ke spínačům a cívka se vkládá mezi dva spínače.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Synchronní usměrňovač požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní kmitočet tak, aby se přiblížil rezonančnímu kmitočtu f

Při napájecích napě-tích okolo 5 [V] byly užívány Si diody, pro systémy s napájecím napětím 3,3 [V] je třeba hodnoty propustných napětí snižovat, aby neklesala energetická účinnost.

Vznik kanálu N je velmi rychlý, stejně jako jeho zánik, doba závěrného zotavení je menší než 100 [ns] a přitom je na tranzistoru mezi S a D úbytek napětí do 0,2 [V].

Zapojení obsahuje tranzistor TMOS (Motorola - čtvercové emitorové oblasti = SIPMOS Siemens), jehož vodivý kanál N vzniká v případě, že řídicí elektroda G je kladně polarizována oproti substrátu, respektive emitoru (source) S, který je se substrátem spojen uvnitř tranzistoru.


Aktivn harmonick filtry preregul tory

Synchronní usměrňovač – synchronizace se spínáním primáru

1. fáze: sepnut na primáru QA, QD a na sekundáru sepnut Q2 – proud ze zdroje teče primárním vinutím shora dolu

2. fáze: sepnut na primáru QA, QB a na sekundáru stále sepnut Q2 – indukované přepětí na primární straně během doby death time je zkratováno tranzistory QA a QB, energie je přenesena na sekundární stranu


Aktivn harmonick filtry preregul tory

3. fáze: sepnut na primáru Q primáruC, QB a na sekundáru sepnut Q1 – proud ze zdroje teče primárním vinutím sdola nahoru

4. fáze: sepnut na primáru QD, QB a na sekundáru stále sepnut Q1 – indukované přepětí na primární straně během doby death time je zkratováno tranzistory QA a QB, energie je přenesena na sekundární stranu


Aktivn harmonick filtry preregul tory

cívka L1 je spotřebič primáru

cívka L1 je zdroj

proud cívkou L1 lineárně roste

proud cívkou L1 lineárně klesá

cívka L2 je spotřebič

cívka L2 je zdroj

proud cívkou L2 lineárně roste

proud cívkou L2 lineárně klesá

IOUT = IL1 + IL2

jednotlivé fáze spínání