Jednosmerné meniče so spínaním v nule napätia a v nule prúde pre velké výkony

Jednosmerné menie so spínaním v nule napätia a v nule prúdu pre veké výkony 189 JEDNOSMERNÉ MENIE SO SPÍNANÍM V NULE NAPÄTIA A V NULE PRÚDU PRE VEKÉ VÝKONY HIGH POWER ZERO-VOLTAGE AND ZERO-CURRENT SWITCHING DC-DC CONVERTERS Jaroslav Dudrik Katedra elektrických pohonov a mechatroniky, Technická univerzita v Košiciach, Letná 9, 042 00 Košice Tel.: +421-95-602 2276, Fax: + 421-95-63 301 15, E-mail: [email protected] Abstrakt V príspevku sú popísané princípy a vlastnosti nepriamych jednosmerných meniov s mäkkým spínaním a šírkovým riadením. Pretože sa uvažuje s ich použitím pre veké výkony, v menioch sa využívajú vysokofrekvenné striedae v mostíkovom zapojení. Sú uvedené možné spôsoby šírkového riadenia a princípy zníženia spínacích a vodivých strát. Summary The paper presents principles and properties of the soft switching PWM DC-DC converters. The attention is focused mainly on high power applications and thus the full-bridge inverters are used in DC-DC converters . Considerations are also given to the control methods and principles of the switching and conduction losses reduction. 1. ÚVOD Jednou z ciest ako dosiahnu malé rozmery a hmotnos meniov je zvyšovanie spínacej frekvencie meniov. Zvyšovaním spínacej frekvencie sa redukujú rozmery a hmotnos pasívnych komponentov meniovkondenzátorov, tlmiviek a transformátorov. Zlepšia sa tým aj dynamické parametre. Aj ke v súasnosti sú k dispozícii vhodné polovodiové súiastky pre vysoké frekvencie ( MOSFET, IGBT) predsa horná hranica ich spínacej frekvencie je pri tvrdom spínaní obmedzená hlavne spínacími stratami. Použitím techniky mäkkého spínania je možné tieto straty minimalizova, o umožní zvýši spínaciu frekvenciu. Princíp mäkkého spínania je jednoduchý. Staí zabezpei aby na spínai bola nula napätia alebo nula prúdu pri zapnutí resp. vypnutí. Samotná realizácia spínania v nule napätia (ZVS-ZeroVoltage Switching) alebo v nule prúdu (ZCS-ZeroCurrent Switching) už taká jednoduchá nie je. Mäkké spínanie sa vemi dobre dá zabezpei využitím rezonanného javu v rezonanných alebo kvázirezonanných menioch. Nevýhodou je však veká jalová energia cirkulujúca v menii, ktorá spôsobuje vysoké napäové alebo prúdové namáhanie spínaov a prídavné straty. Z tohto pohadu sú vhodnejšie menie so šírkovým riadením, kde sa mäkké spínanie zabezpeuje iným spôsobom napr. využitím energie induknosti v záaži, alebo aj využitím rezonanného javu ale aplikovaného len na krátku dobu poas periódy spínania. 2. DC-DC MENIE SO ŠÍRKOVÝM RIADENÍM 2.1 Výkonová as dc-dc menia Pre veké výkony sa takmer výlune používa zapojenie dc-dc menia so striedaom v mostíkovom zapojení - obr. 1. Napájacie napätie U sa striedavo pripája na primárne vinutie výkonového vysokofrekvenného transformátora TR. Pre výstupné napätie U 0 platí vzah: D N N U U.2 1 20 = (1) kde strieda D= t on /T s and 0<D<0,5. TR D 5 D 6 D 4 T 4 U D 1 T 3 D 2 T 2 D 3 C F U O I O L F u P i P T 1 Obr.1. Mostíkové zapojenie menia. Fig. 1. Full-bridge converter. 2.2 Spôsoby šírkového riadenia meniov v mostíkovom zapojení Najastejší spôsob riadenia menia poda obr.1 je šírkovo-impulzové riadenie. Zmenou šírky impulzov sa riadi efektívna hodnota napätia striedaa, a tým aj výstupný výkon nepriameho jednosmerného menia. Existujú tri základné algoritmy šírkovoimpulzového riadenia, ktoré sú znázornené na obr.2 až 4. Na obr.2. je predstavený najstarší spôsob šírkovoimpulzového riadenia používaný hlavne v menioch s tvrdým spínaním. Jeho hlavnou výhodou je jednoduchos. Pri súasnom vypnutí tranzistorov sa ocitne záaž striedaa (primárna strana transformátora) na Advances in Electrical and Electronic Engineering 190 neuritom potenciáli a dochádza k osciláciám medzi rozptylovou induknosou transformátora a parazitnými kapacitami polovodiových súiastok (tranzistory a spätné diódy). Vedie to k zvýšenému namáhaniu súiastok menia. Pri spôsobe spínania poda obr.3 sa mení šírka impulzov len v jednej vetve menia. Záaž striedaa je vždy pripojená na pevný potenciál a na záaži je bu napätie napájacieho zdroja alebo nulové napätie bez žiadnych oscilácií. t i P T 1 ,T 2 T 3 ,T 4 u P t t t U t on =var. T=const. U U Obr.2 Klasický spôsob šírkového riadenia Fig.2. Conventional PWM t i P T 1 t d u P t t t T 2 t T 3 T 4 t U U t on =var. T=const. Obr.3. Priebehy menia s modifikovaným šírkovým riadením. Fig.3. Waveforms of converter with modified PWM control. i P T 1 u P t t t T 2 t T 3 T 4 t U U t d φ 1 =var. T=const. Obr.4. Priebehy veliín pri šírkovom riadení s fázovým posunom. Fig.4. Waveforms of phase–shifted PWM converter. Avšak v ase nulového napätia vzhadom na pomaly klesajúci okruhový prúd teúci cez zapnutý tranzistor a príslušnú spätnú diódu (napr. T 3 -D 1 ) sa zvyšujú priepustné straty na súiastkach menia. Z hadiska záaže má algoritmus poda obr.4 rovnaký úinok. Z hadiska možností dosiahnutia mäkkého spínania sa zdá by vhodnejší ako algoritmus na obr.3. Tento spôsob riadenia je oznaovaný ako šírkovoimpulzné riadenie s fázovým posunom. 3. MENIE S MÄKKÝM SPÍNANÍM Mäkké spínanie v menioch so šírkovým riadením možno dosiahnu kombináciou topológie výkonových a pomocných obvodov menia a vhodného spôsobu riadenia. V týchto menioch sa bu nevyskytuje rezonanný dej pri spínaní alebo existuje ale je vemi krátky v porovnaní s periódou spínania. Výstupné napätie je riadené zmenou šírky riadiacich impulzov pri konštantnej frekvencii. Menie so šírkovým riadením možno rozdeli nasledovne: 1. Menie so spínaním v nule napätia (ZVS) 2. Menie so spínaním v nule prúdu (ZCS) 3. Menie s oboma spôsobmi spínania (ZVS ZCS) Menie so spínaním v nule prúdu je principiálne možné odvodi z meniov so spínaním v nule napätia využitím princípu duality. alej sa však budeme zaobera len menimi so spínaním v nule napätia a od nich odvodených meniov s kombinovaným spínaním v nule napätia a v nule prúdu pretože tieto menie majú vaka svojim vlastnostiam širšie využitie. 3.1 Menie so spínaním v nule napätia. Najjednoduchší meni so šírkovým riadením a spínaním v nule napätia je na obr.5. Sie na zníženie spínacích strát pozostáva z kapacít C1 až C4 a induknosti na primárnej strane transformátora, ktoré sú obyajne reprezentované výstupnými kapacitami MOSFET tranzistorov a rozptylovou induknosou transformátora. V menii je použité šírkové riadenie s fázovým posunom. C 2 C 3 C 4 C 1 TR D 5 D 6 T 4 U D 4 D 1 T 3 D 2 T 2 D 3 C F U O I O L F u P i P T 1 Obr.5. Meni so spínaním v nule napätia. Fig.5. Full–bridge zero-voltage switching (ZVS) PWM converter. Jednosmerné menie so spínaním v nule napätia a v nule prúdu pre veké výkony 191 D 4 C 1, C 4 T 1 D 1 T 4 C 1 C 4 Bezp. medzera Prechodný dej I P U t u DS1 t i D1 Vypnutie v nule napätia Zapnutie v nule napätia Obr.6. Napätie uDS1 a prúd iD1 spínaa poas spínania. Fig.6. Switch voltage uDS1 and current iDS1 during turn–on and turn–off. Obr.7. Napätie uDS1 a prúd iD1 tranzistora vo vedúcej vetve poas spínania na reálnom menii. Fig.7. Transistor voltage uDS1 and current iD1 in the leading leg of the real converter at turn–on and turn–off. Tranzistory menia sú zapínané v ase, ke ich spätné diódy vplyvom induknosti na primárnej strane transformátora vedú prúd. Pretože v tom ase je na tranzistoroch nulové napätie, zapínacie straty nevzniknú. Vypínacie straty možno zníži použitím bezstratovej siete pozostávajúcej z kondenzátorov C1 až C4 (obr.5). Táto sie pracuje dobre pri vekej záaži, ale pri malej záaži môže dôjs ku strate podmienok pre mäkké spínanie. To je aj najväšia nevýhoda tohto spôsobu mäkkého spínania. Na jej odstránenie bolo vyvinutých vea rôznych zapojení. Ich spolonou nevýhodou bola väšia zložitos zapojenia. Obr.8. Napätie uDS2 a prúd iD2 tranzistora v zaostávajúcej vetve poas spínania na reálnom menii. Fig.8. Transistor voltage uDS2 and current iD2 in the lagging leg of the real converter at turn–on and turn–off. Obr.9. Napätie uDS1 a prúd iD1 tranzistora poas spínania – detail vypnutia. Fig.9. Transistor voltage uDS1 and current iD1 at turn–off detail. 3.2 Menie so spínaním v nule napätia a v nule prúdu Menie takéhoto typu sú vemi vhodné pre veké výkony (>10 kW) s vysokým vstupným napätím, kde sa ako výkonové spínae používajú hlavne IGBT tranzistory. Horná hranica spínacej frekvencie tranzistorov IGBT je obmedzená hlavne vypínacími stratami poas doby prúdového chvostu. Zníženie vypínacích strát sa dá dosiahnu vypínaním v nule napätia pri použití dostatone vekého externého odahovacieho kondenzátora. Výhodnejšie je ale vypínanie v nule prúdu, pretože týmto spôsobom sa odstránia minoritné nosie náboja ešte pred vypnutím tranzistora. Podstatnou nevýhodou pri šírkovom riadení s fázovým posunom je okruhový prúd teúci cez transformátor a polovodiové súiastky poas nulového napätia na primárnej strane transformátora ako je to znázornené na obr.4. Tento okruhový prúd je sútom prepoítaného prúdu vyhladzovacej tlmivky a magnetizaného prúdu transformátora. Tento okruhový prúd zvyšuje prúdové namáhanie transformátora a priepustné straty na súiastkach menia v porovnaní s klasickým tvrdo Advances in Electrical and Electronic Engineering 192 spínaným meniom. Na zníženie tohto okruhového prúdu sa používajú rôzne pomocné obvody (PO) na sekundárnej strane transformátora. Ich úlohou je zaisti odpojenie sekundárnej strany transformátora na dobu potrebnú pre pokles sekundárneho a tým aj primárneho prúdu transformátora ako je to zjednodušene znázornené na obr.9. Realizuje sa to zvyajne pripojením záverného napätia na výstupný usmerova v ase, ke sekundárne napätie má nulovú hodnotu. C 4 C 1 TR D 5 D 6 T 4 U D 4 D 1 T 3 D 2 T 2 D 3 C F U O I O L F u P i P T 1 PO Obr.10. Princíp spínania v nule napätia a v nule prúdu. Fig.10. Principle of the ZVZCS converter operation. Výstupný usmerova (D5, D6) je záverne polarizovaný a sekundárne vinutie je odpojené t.j. transformátor je v stave naprázdno a teie ním len magnetizaný prúd - obr.10. Týmto spôsobom sa dosiahne spínanie približne v nule prúdu pre pravú vetvu (tranzistory T2, T3) menia (obr. 11). avej vetve menia (tranzistory T1,T4) zostane spínanie v nule napätia. Na tento úel bolo vyvinutých množstvo zapojení so svojimi výhodami aj nevýhodami. t M agn et izan ý pr úd i P T 1 u P t t t T 2 t T 3 T 4 t U U t d φ 1 =var. T=co ns t. Obr.11. Priebehy veliín menia so spínaním v nule napätia a v nule prúdu. Fig.11. Operation waveforms of zero-voltage and zero-current (ZVZCS) PWM converter. Obr. 12 Napätie uCE2 a prúd iC2 tranzistora v zaostávajúcej vetve poas spínania. Fig.12. Transistor voltage uCE2 and current iC2 in the lagging leg at turn–on and turn–off. 4. ZÁVER V príspevku je popísaný princíp spínania v nule napätia a v nule prúdu vhodný pre vysokofrekvenné nepriame jednosmerné menie vekých výkonov. Dané menie v porovnaní s tvrdo spínanými menimi majú možnos pracova pri vyššej spínacej frekvencii s dobrou úinnosou. Dosiahne sa tým redukcia hmotnosti a rozmerov zariadenia a zlepšia sa dynamické vlastnosti. Poakovanie Táto práca je podporovaná grantovým projektom VEGA . 1/2178/05 LITERATÚRA 1. Dudrík, J., Dzurko, P.: An Improved Soft-Switching Phase-Shifted PWM Full-Bridge DC-DC Converter. PEMC 2000, Košice, 2000, pp. 2/65-69. 2. Dudrík, J., Dzurko, P.: Arc-Welding Using SoftSwitching Phase-Shifted PWM Full-Bridge DC-DC Converter. Proc. of the Int. Conf. on Electrical Drives and Power Electronics, 1999, High Tatras, pp. 392396 3. Dudrík, J., Dzurko, P.: Modern Voltage and Current Power Supplies. Proc, of the Int. Conf. EDPE´99, Industry Day, 1999, High Tatras, pp. 46-51 4. Tere, A., Feo, I., pánik, P: DC/DC Converters with Soft (ZVS) Switching. In Conf. Proc. ELEKTRO 2001, section -Electical Engineering. Zilina 2001, pp. 82–90. 5. Chéron, Y.: Soft Commutation. Chapman & Hall, 1992. 6. Tere, A., Feo, I., pánikK,P: DC/DC Converters with Soft (ZVS) Switching. In Conf. Proc. ELEKTRO 2001, section - Electical Engineering. Žilina 2001, pp.82 – 90. 7. Mohan, N., Undeland, T., M., Robbins, W. P.: Power Electronics, John Wiley &Sons, 1995. Jednosmerné menie so spínaním v nule napätia a v nule prúdu pre veké výkony 193 8. Feo, I. Jadro, E. pánik, P.: Control Circuit for Partial Series Resonant Converter. In: proceedings “TRANSCOM 2001, section 2 – Electrotechnics. Zilina, 25 – 27 June 2001, pp. 33 – 36. 9. Cho, J.,G., Rim, G.,H., Lee, F.,C.: Zero Voltage and Zero Current Switching Full Bridge PWM Converter Using Secondary Active Clamp. Proc. IEEE PESC’96, pp. 657–663. 10. Michibira, M., Funaki, T., Matsura, K., Nakaoka, M.: Novel Quasi-Resonant DC-DC Converter Using Phase-Shift Modulation in Secondary Side of HighFrequency Transformer. Proc. IEEE PESC’96, pp. 670–675. 11. Hamar, J., Nagy, I.: Asymmetrical Operation of Dual Channel Resonant DC-DC Converters. IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 18, No. 1, Jan. 2003 12. Kubota, S., Hatanaka, Y.: A Novel ZCS High Frequency Power Supply for Induction Heating, PESC´98, Fukuoka, Japan, pp. 165-171. 13. Lee, D.,Y., Lee, B.,K., Hyun, D.,S.: A Novel Full-Bridge Zero-Voltage-Transition PWM DC/DC Converter with Zero-Voltage/Zero-Current Switching of Auxiliary Switches, PESC´98, Fukuoka, Japan, pp. 961-968. 14. Morimoto, T., Saitoh, K., Ogura, K., Mamun, A.,A, Moiseyev, S., Nakamura, M., Nakaoka, M.: Transformer Parasitic Parameter - Assisted ZVS DCDC Converter with Synchronous PWM Controlled Active ZCS Rectifier with Choke Input Smoothing Filter, EPE-PEMC 2000 Košice, 2000, Košice, Vol. 2 pp. 18-22. 15. Dobrucký B., Vittek J., Cabaj P., Roch M.: A New Concept of Control Strategy for 4Q Converter in Half-Bridge Connection. In: Proc. of the EDPE ’01 Int. Conference, the High Tatras, 2001, pp. 85-88. 16. Trip, D.N., Popescu, V.: Small Signal Model for Phase Shift Control Zero Voltage Switching dc-dc Power Converters, Proc. of the Symposium on Electronics and Telecommunications, Timisoara, Romania, 2002, pp.6-9. 17. Rieux, O., Ladoux, P., Meynard, T.: Insulated DC to DC ZVS Converter with Wide Input Voltage Range, EPE´99, Lausanne, Switzerland, 1999, CD, pp. 11. 18. Carriero, C., Rains, F., Volpi, G.,F.: Comparison Between Hard and Soft Switching Topologies for Low Voltage Low Power DC-DC Converter in Space Application, EPE´99, Lausanne, Switzerland, 1999, CD, pp. 10. 19. P.J.van Duijsen, P.Bauer, D.Lascu: Selection of Semiconductor Models in Power Electronics Simulation, PCIM 2003, Nurnberg, May 2003; ISBN 3-928643-36-3 20. J. B. Klaasssens, M. P. N. van Wesenbeeck, P. Bauer: "Soft Switching Power Conversion" ; Tutorial Resonant Converters, European Power Electronics Conference EPE,1993, pp.1-14, Brighton, England. 21. P.Bauer, K.Bauer: Modern Power Electronics, ISBN 90-9010243-4,1996