Patent (1987): „Transformator napięcia stalego” o wysokiej sprawnosci i duzej gestosci mocy.
Nieregulowany „transformator napięcia stałego” o bardzo wysokiej sprawności i dużej gęstości mocy m.in. jako:
-Rekuperator energii do systemu Undelanda w inverterze z Mosfetami i tanimi diodami i quasi rezonansem szeregowym.
-Rekuperator energii do systemu Undelanda w inverterze z tanimi / osiągalnymi tranzystorami bipolarnymi i tanimi diodami oraz quasi rezonansem oraz sterowaniem prądem proporcjonalnym baz.
-W obu rozwiązaniach do podnoszenia / obniżania dowolnych napięć np. z akumulatorów....
Invertery stosowane są m.in. do zasilania silników prądu zmiennego AC serwomechanizmów w maszynach CNC i robotach przemysłowych. Niezawodny robot o niewielkim udźwigu malujący w fabryce karoserie samochodu zastępuje prace pięciu robotników. Cena robota rośnie z jego udźwigiem czyli mocą serwomechanizmów. Robot do zgrzewania oporowego powstającej karoserii musi mieć duży udźwig. Także współpracujące z robotami i maszynami CNC otoczenie jest bardzo nowoczesne i ma dużo energoelektroniki.
Ale zastosowań regulowanych napędów DC i AC jest cała masa.
Po to aby klucze w inverterach pracowały bezpiecznie stosowane są dwa klasyczne rodzaje snubberów. Klasyczny równoległy do klucza dwójnik RCD ogranicza szybkość narastania napięcia du/dt na wyłączającym się kluczu a szeregowy dwójnik RLD zmniejsza stromość narastania prądu na włączającym się kluczu. Co gorsza, obydwa dwójniki muszą być zwymiarowane na maksymalny spodziewany prąd kluczy biernych (diod) i aktywnych ( tranzystory i GTO ), który przecież w histogramie pracy występuje rzadko. W rezystorach mocy obu snubberów tracona jest spora moc co obniża sprawność invertera a podnosząc temperaturę obniża niezawodność systemu.
Co gorsza w półmostku oba snubbery kolidują ze sobą i zadania ich nie są poprawnie wykonywane.
Pojemność w dwójniku RCD wybieramy taką aby suma energii straconej w tranzystorze i rezystorze snubbera była minimalna przy maksymalnym prądzie. Część producentów podaje też maksymalną stromość narastania napięcia klucza w funkcji wyłączanego prądu.
Biorąc pod uwagę własności diod, dioda w snubberze RCD powinna być (Iav) na 1/10 prądu klucza. W inverterze niewielkiej mocy wystarczające są niedrogie diody w obudowach plastikowych.
Snubbery stosowane są także w zasilaczach impulsowych istotnie psując ich sprawność przy małych obciążeniach. Nawet bez obciążenia zasilacz pobiera sporą moc, do 8-10% mocy maksymalnej.
Producenci mikroelektroniki czynią znaczne postępy w produkcji tranzystorów wysokonapięciowych oraz tyrystorów wyłączalnych GTO no i szybkich diod antyrównoległych do kluczy ale snubbery niestety nadal są konieczne.
Undeland [1,2] zaproponował snubbery z rekuperacją energii i w rozwiązaniu dla półmostka nie ma kolizji funkcjonalności ograniczających du/dt i di/dt. W realizowalnym układzie moc do rekuperacji jest na napięciu stałym rzędu „5-7 %” napięcia zasilającego invertera 100%.
Sam snubber ( Z rezystor do wytracania mocy. Bez rekuperacji energii ) dla dwóch kluczy półmostka jest oszczędny realizacyjnie. Ma tylko kondensator, indukcyjność i dwie diody.
Nieregulowany zasilacz impulsowy do rekuperacji energii ma to napięcie 5-7% podwyższyć ( „transformator” napięcia stałego ) do napięcia pełnych 100 % (gdzie energia jest zwrócona do kondensatora prostownika sieciowego ) najlepiej w przybliżeniu pilnując optymalnej, niekrytycznej proporcji napięć.
Od tego układu „transformatora” napięcia stałego do m.in. rekuperacji energii oczekujemy że będzie niskostratny, mały i tani. Biorąc pod uwagę poziom mocy inverterów sprawność spotykana w zasilaczach impulsowych jest dużo za mała i realizacja rekuperacyjnego układu Undelanda jest nierealna. Zasilacz impulsowy do nowoczesnego odbiornika TVC z układem H-Out z tranzystorem wysokonapięciowym ma moc wyjściową tylko około 70 W i jest duży oraz bardzo drogi.
Straty mocy:
-Statyczne i dynamiczne powstają w kluczach aktywnych i w szybkich diodach
-Powstają w uzwojeniu i rdzeniu transformatora. Przy bardzo szybkiej „twardej” komutacji prądu bardzo silny jest efekt wypierania prądów w uzwojeniu. Stratne są też rezonanse w uzwojeniu wysokiego napięcia przy bardzo szybkich zmianach napięcia. Straty w rdzeniu powiększa składowa stała sprawiająca że rdzeń pracuje z mniejsza indukcją tylko na części pętli magnesowania
-Powstają w snubberach RC i RCD
-Niebagatelna jest też moc układu sterującego klucze. Wzmocnienie prądowe tranzystorów bipolarnych spada wraz z ich napięciem Uceo i dla tranzystorów wysokonapięciowych do odchylania poziomego H-Out w odbiornikach TVC wynosi jedynie 2-3 razy przy dużym prądzie kolektora.
Przy zasilaniu invertera dla silnika AC z napięcia trójfazowego 220/380 V napięcie za prostownikiem pojemnościowym wynosi jałowo 535 Vdc. Zatem względnemu napięciu do rekuperacji „5-7%” wtedy odpowiada circa napięcie 27 – 38 Vdc.
Konwerter musi pracować w układzie przeciwsobnym lub mostkowym bowiem tylko te oferują dużą gęstość mocy i wysoki poziom mocy. W uwagi na niewielkie napięcie korzystniejszy i znacznie tańszy jest układ przeciwsobny niż mostkowy, który jest lepszy przy dużych napięciach.
Aby ograniczyć straty mocy związane z rezonansami w uzwojeniu wtórnym na duże napięcie, korzystny jest wyjściowy podwajacz napięcia, z którym uzwojenie ma tylko połowę zwoi. Podwajacz jest też rozwiązaniem najtańszym.
Dla minimalizacji indukcyjności rozproszenia podwójne uzwojenie pierwotne transformatora wykonano jako podwójnie bifilarne a aranżacja wyprowadzeń też ma minimalizować rozproszenie Minimalizowano też rozproszenie między uzwojeniami pierwotnym i wtórnym.
Produkowane masowo tranzystory Power Mosfet nie są już nowością. Dwa tranzystory Mosfet w prostym układzie przeciwsobnym IRF540 steruje układ SG3525 z wypełnieniem >98% i częstotliwością circa 30 KHz. Tranzystory te mają mniejszą Rdson niż podano w katalogu co jest pozytywem. Stabilizowane zasilanie układu SG3525 musi być podane niezwłocznie aby układ natychmiast rozpoczął rekuperacje energii. Czas startu dla kontrolera czyli dojścia do pełnego wypełnienia sygnału PWM wybrano na około 200 usec.
Układ pracuje poprawnie ale występują straty mocy w snubberze RC Mosfetów jako że połówki uzwojeń pierwotnym mają jednak pewne rozproszenie. Bez snubbera przy małej mocy sprawność jest lepsza ale już przy średniej mocy tranzystory są na bardzo krótko przebijane lawinowo. Poglądy na temat tego czy jest to całkowicie bezpieczne są różne i technologia Mosfetów jest doskonalona.
Przy maksymalnej mocy lawinowe straty w Mosfetach są jednak za duże i zastosowanie snubbera RC jest konieczne. Zastosowane w podwajaczu diody Fast grzeję się okropnie i raczej ulegną uszkodzeniu po niedługiej pracy. Konieczne byłoby zastosowanie diod Ultra Fast które są jednak drogie.
Z uwagi na szerokopasmowy prostokątny prąd, straty mocy w uzwojeniu transformatora są z racji wypierania dużo większe niż dla prądu stałego.
Rozwiązanie wszystkich problemów przynosi QUASI REZONANS. Pojemność kondensatora Cs podwajacza napięcia efektywnie szeregowa z indukcyjnością rozproszenia uzwojenia wtórnego ma dać quasi rezonans z indukcyjnością rozproszenia Ls transformatora. Prądy są więc quasi – sinusoidalne. Częstotliwość sterowania kluczy ma być odrobinę niższa niż częstotliwość rezonansowa Ls i Cs tak aby wyłączenie klucza odbyło się już przewodzeniu diod prostownika. Pojemności prawie bezstratnie przeładowuje niewielki prąd magnesowania rdzenia bez szczeliny. Snubber Mosfetom jest zbędny bowiem wyłączają znikomy prąd. Spadła temperatura transformatora. Straty dynamiczne w diodach są znikome i wystarczą tanie szybkie diody.
Mimo iż wartość skuteczna quasi sinusoidalnego prądu jest większa niż prostokątnego, całkowita moc strat w kluczach jest mniejsza a sprawność całości większa. Sprawność przekracza 96 % !
W rozwiązaniu z symetrycznym podwajaczem napięcia nie ma procesu przejściowego związanego ze startowym ładowaniem kondensatora ( realnie kondensatorów ) rezonansowego Cs.
Tranzystory Mosfet są bardzo szybkim przełącznikiem ( nie ma nośników mniejszościowych ) i w realiach układu ograniczeniem jest marny materiał rdzenia transformatora i wolne diody „szybkie”. Z odpowiednim rdzeniem i diodami optymalna częstotliwość pracy może wynosić ponad 100 KHz.
Mosfety na tle tranzystorów bipolarnych mają bardzo szeroki obszar bezpiecznej pracy SOA.
W warunkach quasi rezonansowych snubber RC jest on praktycznie bezstratny.
Z wysokonapięciowymi tranzystorami bipolarnymi niskostratny przy dużych napięciach snubber jest obowiązkowy.
Nie można stosować zabezpieczenia nadprądowego w samym rekuperatorze bowiem mocno po jego zadziałaniu wzrośnie napięcie „5-7” % prowadząc do uszkodzenia invertera. Zatem wzrost napięcia „5-7” % ( lub jego brak po fazie startu invertera ) musi zablokować prace invertera.
Moc tracona w rezystancji Rdson Mosfeta jest proporcjonalna do kwadrat prądu. Oporność Rdson rośnie z temperaturą a Rdson przy bardzo dużych prądach trochę rośnie, zwłaszcza przy za małym napięciu sterującym bramki Ugs. Nie warto Mosfetów za mocno obciążać i optymalne są dla nich względnie małe radiatory co daje kompaktowe rozwiązania konwerterów.
Tranzystory Power Mosfet produkowane są na liniach na których wcześniej w technologi PMOS i NMOS produkowano mikroprocesory, pamięci RAM i ROM... Ponieważ postęp jest bardzo szybki na tych już nie używanych w pierwotnym celu przestarzałych liniach produkowane są tranzystory Mosfet.
W Polsce i krajach RWPG nie zaistniała duża produkcja mikroprocesorów, pamięci RAM i ROM.. i opisany proces nie zaszedł czyli Mosfety nie są produkowane.
Tranzystory bipolarne w amerykańskiej linii oznaczeń 2NXXXX liczbę 6000 przekroczyły w pierwszych latach siedemdziesiątych i ich kiedyś szybki rozwój ( w obudowie TO39 robiono szybkie tranzystory o Ic = 5...10 A ! ) bardzo spowolnił. W zasadzie rozwijają się tranzystory RF. Rozwój ten w Europie Zachodniej spowolnił w drugiej połowie tamtej dekady. Japonia przypuściła eksportowy szturm (w tym eksport doskonałej elektroniki ) na rynki zachodu niszcząc najnowocześniejsze firmy i opóźniając ich rozwój. Bardzo silnym konkurentem do tranzystora bipolarnego stał się od 1976 roku Power Mosfet.
Masowo, szybkie tranzystory bipolarne ( Uceo<200V, nie wysokonapięciowe ) mocy o szerokim obszarze pracy bezpiecznej SOA produkowane są tylko w Japonii i w zasadzie są eksportowane tylko w ich wyrobach. Standardowe ( nie Japońskie ) tranzystory bipolarne mocy są o rząd wielkości wolniejsze od tranzystorów Mosfet. Tranzystory bipolarne wymagają do sterowania przy twardym przełączaniu dużego forsowanego prądu bazy do włączenia i dużego impulsu ujemnego do wyłączenia. Napięcie na załączonym tranzystorze bipolarnym dynamicznie spada dość wolno i stąd parametr Ucesatdyn podwyższający straty przewodzenia klucz.
Drivery do sterowania wysokonapięciowych tranzystorów Darlingtona jako kluczy w inverterach do silników AC są skomplikowane. Stąd w zasilaczach impulsowych z tranzystorami bipolarnymi są one sterowane przez obniżający transformator. Prąd sterujący bazę tranzystora musi być wystarczający dla maksymalnego prądu kolektora ( który nie występuje często ) i driver jest energożerny.
W przetwornicach samooscylujących ( oczywiście bez modulacji PWM ) do uzyskania szybkiego przełączenia tranzystorów stosuje się pomocniczy nasycany transformatorek do sterowania baz tranzystorów bipolarnych. Takie rozwiązanie zastosował Philips w układzie aplikacyjnym do tranzystorów BDY92. Są to bardzo szybkie tranzystory o Ft aż 70 MHz ale o bardzo wąskim obszarze bezpiecznej pracy SOA.
Do punktu A czyli bazy tranzystora doprowadzone są impulsy startowe. Po to aby mogły to być impulsy niewielkiego prądu pomiędzy uzwojeniami nasycanego transformatorka a bazami są rezystory 1.8 Ohm. Nie jest to dobre rozwiązanie. Impulsy startowe są natychmiast blokowane po rozpoczęciu pracy konvertera.
Także Motorola daje w aplikacji do tranzystorów wysokonapięciowych przykład zastosowania nasycanego transformatorka do sterowania baz kluczy mocy.
PtrafoDC.png
Koncern Sony do planowanego odtwarzacza CD wypuścił wyrafinowany „cyfrowy” wzmacniacz dużej mocy TA-N88. W istocie zastosowano w nim modulacje PWM i tranzystory mocy VMOS jako ultra szybkie przełączniki. Ponieważ stabilizowany zasilacz sieciowy musi mieć tam szczytową obciążalność ponad 600 W przy małym średnim obciążeniu, zastosowanie tu klasycznej przetwornicy było wykluczone. Wyprostowane napięcie sieciowe jest wpierw stabilizowane regulatorem impulsowym na poziomie 220Vdc. Zasila ono tranzystorowy mostek H sterujący transformator z prostownikami mocy będący tu sztywnym transformatorem napięcia stałego. Bazy kluczy steruje nasycany transformatorek. Napięcie wyjściowe z uzwojenia transformatora mocy podano do tego transformatorka rezystorem R419-22 Ohm. Aby prąd baz był adekwatny do prądu wyjściowego (bez niepotrzebnie dużych prądów baz i strat mocy przy małym obciążeniu ) dodano także w skali prąd wyjściowy mostka uzyskując tak zwane prądowe sterowanie proporcjonalne. Ponieważ uzwojenia transformatorka nasycanego mają niewiele zwoi nie można by uzyskać odpowiedniej, optymalnej przekładni dla prądu wyjściowego. Stąd zastosowano dodatkowy transformatorek pośredniczący T403. Impuls startowy podano z układu generatora z tranzystorami Q407 i Q408 do uzwojenia nasycanego transformatorka o większej ilości zwoi niż sterujące bazy co pozwala ograniczyć prąd inicjujący oraz nie stosować rezystorów w bazach tranzystorów – kluczy. Impulsy startowe są natychmiast blokowane po rozpoczęciu pracy konvertera.
Sony z tym wzmacniaczem wybiegł przed szereg o całe dekady. Niemniej zastosowano w nim niezwykle udane i naśladowane w innych dziedzinach rozwiązania.
W rozwiązanie autora zastosowano lepszy układ startowy.
W systemie rekuperacji dodano natomiast do redukcji strat dynamicznych ( użyte tranzystory są powolne ) w tranzystorach na wyjściu transformatora kondensator Cs do uzyskania quasi rezonansu szeregowego z indukcyjnością rozproszenia – identycznie jak w rozwiązaniu z Mosfetami.
O ile quasi rezonans z Mosfetami podnosi sprawność to z wolnymi tranzystorami bipolarnymi jest konieczny bowiem tranzystory są powolne i straty dynamiczne przy twardej komutacji są koszmarnie duże i przekreślające projekt.
Prąd quasi sinusoidalny ma większą wartość skuteczną niż prostokątny co jest minusem w sytuacji gdy wzmocnienie tranzystorów bipolarnych szybko spada przy dużym prądzie kolektora ale efekty są satysfakcjonujące.
W patentowym układzie wypróbowano tranzystory KD503 Tesla ( 20 A – 80 V ) oraz BDP395 Cemi ( to importowana struktura tranzystora 2N6488, 15A – 80 V). Tranzystory KD503 są użyteczne do prądu kolektora Ic=14 A a tranzystory 2N6488 do prądu 10 A.
Na tle Mosfetów tranzystory te są okropnie powolne i to mimo bardzo dobrego ich sterowania. Sprawność jest mimo to niewiele mniejsza niż z Mosfetami.
Dzięki quasi rezonansowi zbędne są diody antyrównoległe do C-E tranzystorów.
Częstotliwość pracy około 20 KHz trochę się zmienia w funkcji obciążenia ale w tym zastosowaniu nie ma to żadnego znaczenia. Nasycany transformatorek sterujący wykonano na pierścieniu ferrytowym. Zaleta toroidu jest brak szczeliny powietrznej i przy użyciu ferrytu o bardzo dużej przenikalności pożądana, ostra jest charakterystyka nasycenia transformatora.
Napięcie stałe zasilające inverter z wyłączalnymi tyrystorami GTO do kolejowego silnika AC napędu wynosi do 1500 Vdc. W tym wypadku duże tranzystory do rekuperatora na napięcie „5-7 %” muszą być na wyższe napięcie Uceo o siłą rzeczy mniejszym wzmocnieniu prądowym. Niskostratne prądowe sterowanie proporcjonalne baz tranzystorów w tym przypadku jest ogromną zaletą.
Gdy moc tranzystorów jest za małą można jako kluczy w rekuperatorze użyć tyrystorów wyłączalnych z GTO ( kłopotliwe drivery bramek !) , które muszą mieć snubbery. Straty w nich są jednak znikome przy stratach w zwykłych snubberach potężnego invertera. Przy prądzie quasi-sinusoidalnym w konwerterze straty dynamiczne w GTO są znikome.
Nasycany transformatorek ( więcej zwoi na wyjściu do bramek niż do baz ) może też sterować bramki tranzystorów Power Mosfet. W tym przypadku nie ma uzwojenia prądowego i zbędnego sterowania proporcjonalnego. Bramki Mosfetów muszą być chronione diodami Zenera. Czasy narastania i opadania napięć na bramkach są jednak większe niż przy sterowaniu z układu scalonego.
Rekuperator do 3 napędów CNC i 6 napędów robotów ma być wspólny tak jak wspólny jest zasilacz napięcia stałego dla tych serwonapędów, który oszczędza moc rozpraszaną w alternatywnych rezystorach mocy podczas hamowania jednych napędów gdy inne przyśpieszają a poza tym mają straty jałowe.
Zastosowań dla takiego transformatora napięć stałych jest sporo ale przyszłość inverterów do napędów jest różowa w automatyzowanym przemyśle i stąd zastosowanie podstawowe.
Dla niskich napięć dajemy układ przeciwsobny a dla wysokich napięć układ mostkowy.
Literatura.
1.T. M. Undeland, “Switching stress reduction in power transistor converters,” in Conf. Rec. IEEE IAS Annual Meeting, 1976, p. 383–391.
2. T.M. Undeland, “A snubber configuration for both power transistor and GTO PWM inverters,” in Proc. Power Electron. Spec. Conf., 1984, p. 42–53.
Bardzo interesujący temat. Układ Undelanda jest razem z GTO nadal stosowany w dziedzinach dużej mocy.
OdpowiedzUsuń