Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak to działa - dwukierunkowa przetwornica indukcyjna?

W numerze 5/2019 przedstawiony był, pokazany na rysunku B, nieskomplikowany układ z kilkoma MOSFET-ami. Jest to dwukierunkowa przetwornica indukcyjna (bidirectional converter).
Article Image

Słowo dwukierunkowy (bidirectional) może być rozmaicie interpretowane. Może oznaczać przepływ prądu w dwóch kierunkach, może oznaczać magnesowanie rdzenia w dwóch kierunkach. Jednak tutaj należy je rozumieć jako przekazywanie energii w dwóch kierunkach. W większości przetwornic ustalone jest, które zaciski są zaciskami wejściowymi, a które wyjściowymi. Tutaj przepływ energii może następować w obu kierunkach, zależnie od sposobu sterowania tranzystorami MOSFET.

Zadanie zasadniczo nie było skomplikowane, jednak w tym przypadku było mocno utrudnione przez błąd na schemacie. Błąd, który nie powstał w redakcji EdW podczas obróbki materiału. Jest to błąd, występujący na pierwotnym schemacie. Ten pierwotny schemat umieszczony jest na stronie: www.electronicdesign.com/automotive/how-wide-bandgap-devices-add-value-bidirectional-power-conversion.

Rys.B Dwukierunkowa przetwornica indukcyjna - schemat

Otóż na tej stronie jest zamieszczony artykuł dotyczący wykorzystania nowoczesnych elementów WBG (SiC, GaN) w dwukierunkowych przetwornicach w samochodach elektrycznych. Artykuł jest stworzony przez pracownika firmy UnitedSiC, produkującej między innymi kaskodowe połączenie klasycznego krzemowego MOSFET-a z JFET-em SiC (z węglika krzemu). Jednak zachęta do stosowania tranzystorów z SiC oparta jest na przykładzie wcześniejszej realizacji eksperymentalnej przetwornicy z dwukierunkowym przekazywaniem energii, zbudowanej na bazie klasycznych MOSFET-ów krzemowych.

I właśnie na stronie https://bit.ly/2MnzSis zamieszczony jest rysunek 2 (Figure 2), zawierający dwa schematy: jednokierunkowej przetwornicy z diodami na wyjściu oraz przetwornicy dwukierunkowej. Pokazany jest on na rysunku C. Z lewej strony mamy klasyczną „jednokierunkową” przetwornicę full-bridge, która obniża napięcie z 400V na 12V. Z prawej strony mamy wersję, która po zastąpieniu diod MOSFET-ami staje się przetwornicą z dwukierunkowym przesyłaniem energii. Niestety na tym drugim schemacie jest ewidentny błąd, pokazany czerwoną strzałką. Błędem na rysunku B i C jest sposób włączenia MOSFET-a, który powinien być oznaczony Q5. Jeżeli zgodnie z symbolem jest to MOSFET N, to jest on włączony odwrotnie.

Rys.C Jednokierunkowa przetwornica z diodami na wyjściu oraz przetwornica dwukierunkowa

Co istotne, na wspomnianej stronie na końcu artykułu wśród odnośników jest link do strony TI

http://www.ti.com/tool/TIDM-BIDIR-400-12 i zamieszczonego tam PDF-a: http://www.ti.com/lit/ug/tiduai7/tiduai7.pdf gdzie... schemat jest prawidłowy, jak pokazuje rysunek D. Wszystkie tranzystory są prawidłowo włączonymi MOSFET-ami N. Dostępny jest też plik ze szczegółowym schematem:

www.ti.com/lit/df/tidrhs9/tidrhs9.pdf

gdzie też tranzystory i ich połączenia są prawidłowe (FDP032N08: N-Channel PowerTrench MOSFET 75V, 235A, 3,2mΩ, TO-220). Błąd polegający na zamianie punktów dołączenia źródła i drenu MOSFET-a Q5 wkradł się podczas przerysowywania schematu. Zdarza się najlepszym... Przecież errare humanum est.

Rys.D Schemat przetwornicy

Jeżeli uwzględnimy ten błąd (lub go nie zauważymy), możemy określić, jak działa analizowany układ. Otóż podczas ładowania może zamieniać 400V na napięcie 12V do ładowania akumulatora. Te 400V to może być wyprostowane (międzyfazowe) napięcie sieci albo napięcie akumulatorów trakcyjnych samochodu elektrycznego, zasilające główny silnik elektryczny. Pracując w drugim kierunku, zamienia napięcie akumulatora 12V na napięcie 400V, potrzebne do akumulatorów głównego silnika samochodu elektrycznego.

Obniżając napięcie z 400V do 12V, pracuje jako przetwornica full-bridge z synchronicznym prostownikiem wyjściowym. Pracę można przeanalizować na podstawie rysunku E, pochodzącego ze wspomnianego pliku tiduai7.pdf. Wysokie napięcie stałe (200...400V) podawane jest na mostek zbudowany z czterech tranzystorów Q1...Q4, które otwierane są parami, podając na transformator na przemian dodatnie i ujemne impulsy napięcia o regulowanym wypełnieniu.

Na drugim (symetrycznym) uzwojeniu transformatora pojawiają się dodatnie i ujemne impulsy napięcia o znacznie mniejszej amplitudzie. W najprostszym przypadku mogą one zostać wyprostowane za pomocą dwóch diod (D5, D6), jak na rysunku E. Jednak przy niskim napięciu wyjściowym oznaczałoby to znaczne straty. Straty te można poważnie zredukować, realizując prostowanie synchroniczne za pomocą MOSFET-ów Q5, Q6. Po wyprostowaniu impulsy dodatnie o regulowanym wypełnieniu podawane są na filtr wyjściowy LO, CO, który je uśrednia i daje na wyjściu potrzebne niskie napięcie stałe.

Rys.E Prostowane impulsów za pomocą dwóch diod

Gdy należy przekazać energię w drugim kierunku, nie trzeba wprowadzać żadnych zmian układowych. Wyłącznie dzięki odpowiedniemu sterowaniu tranzystorów ten sam układ staje się przetwornicą push-pull podwyższającą napięcie 12V/400V według rysunku F. W najprostszym przypadku wystarczy na przemian otwierać tranzystory Q5, Q6 i zatkać MOSFET-y mostka Q1... Q4. MOSFET-y te mają wbudowane struktury diodowe i to one mogą pełnić funkcję prostowników, dając w sumie prostownik mostkowy.

Jeśli w tym trybie pracy napięcie wyjściowe jest rzędu 400V, a sumaryczne spadki napięć na diodach mostka rzędu 2V, powoduje to straty mocy w diodach rzędu 0,5% mocy wyjściowej. Te niewielkie straty można obniżyć, odpowiednio otwierać pary tranzystorów Q1...Q4, by stworzyły synchroniczny prostownik mostkowy.

Rys.G przetwornica z dwukierunkowym przekazywaniem energii

Analizowany schemat nie jest teoretyczną ciekawostką. Został zrealizowany w TI w rozbudowanej wersji według wspomnianego rysunku:

http://www.ti.com/lit/df/tidrhs9/tidrhs9.pdf

w postaci, pokazanej na fotografii G. Taki model jest przetwornicą z dwukierunkowym przekazywaniem energii między źródłami o napięciu 200...400V oraz 9...13,5V ze sprawnością dochodzącą do 90%. Jest to układ eksperymentalny, według opisu związany z samochodami hybrydowymi i elektrycznymi, jednak jego możliwości nie są imponujące, jak na zastosowania motoryzacyjne, gdzie moce silnika elektrycznego są rzędu kilowatów.

Moc maksymalna omawianej przetwornicy w wersji z fotografii G to tylko 300 watów, prądy strony wysokonapięciowej to 1,8A, niskonapięciowej do 33A, a częstotliwość pracy, jak na współczesne standardy, też nie jest imponująca, bo wynosi 100kHz. W każdym razie jest to interesujący przykład, jak ten sam układ może pełnić różne funkcje, zależnie od sposobu wysterowania tranzystorów. We wspomnianych materiałach można znaleźć nieco więcej szczegółów.

Rys.F Przetwornica push-pull podwyższającą napięcie 12V 400V

Trzeba podkreślić, że przedstawiona właśnie analiza pracy układu jest uproszczona. Na rysunkach E i F pokazana jest indukcyjność LR. Można ją też znaleźć na rysunku D oraz na pełnym schemacie z pliku tidrhs9.pdf, gdzie jak widać ma znaczną wartość 13 mikrohenrów. Wątpliwości może także budzić wpływ indukcyjności L1 na rysunku F. Przy wstępnej analizie można przyjąć, że obecność tych indukcyjności umożliwia pracę przetwornic w trybie prądowym, co ma znaczące korzyści (niemniej według opisu możliwa jest też praca w trybie napięciowym).

Trudniejszą sprawą jest wytłumaczenie obecności na rysunku D pojemności Cb (2uF według pliku tidrhs9.pdf), której wpływ może być zlikwidowany przez zwarcie jumpera oznaczonego J. Otóż obecność tej pojemności pozwala uzyskać tryb przełączania przy zerowym napięciu (ZVS – zero voltage switching), co znacząco zmniejsza straty przełączania. Nie sposób tego teraz analizować, ponieważ musielibyśmy wejść w znacznie trudniejsze zagadnienia, związane z przetwornicami rezonansowymi. Nie będziemy tego robić choćby dlatego, że ani dławika LR, ani pojemności Cb nie ma na rysunku B będącym podstawą tego zadania Jak to działa?

Zadanie okazało się dość trudne. Zdecydowana większość odpowiedzi była prawidłowa: wszyscy zgodnie stwierdzili, że jest to przetwornica DC/DC. Jednak znaczna część uczestników nie dostrzegła możliwości dwukierunkowego przekazywania energii. Tylko nieliczni Koledzy zwrócili uwagę na błąd w postaci błędnego dołączenia MOSFET- a Q5. Jeden z nich w pierwszym e-mailu napisał:

(…) odpowiadając na pytanie możliwie zwięźle, układ działa krótko i służy do wzniecania pożaru poprzez zwarcie uzwojenia wtórnego przez diody D5 i D6. ;-) Q5 jest włączony odwrotnie, może Pan jeszcze zdąży poprawić wersję papierową. Pozwalając sobie jednak odpowiedzieć przewrotnie na pytanie o poprawiony układ, powiem, że jest to działająca w trybie prądowym (dzięki dławikowi L) przetwornica przeciwsobna (push-pull) z synchronicznym prostownikiem pełnomostkowym na Q1–Q4. A mogę tak napisać, bo przetwornice z prostowaniem synchronicznym mają piękną cechę: pracę dwukierunkową, o czym rzadko się wspomina w literaturze i co chyba warto uświadomić Czytelnikom. Kierunek przepływu energii to tylko kwestia odpowiedniego sterowania. Zwykłe scalone sterowniki na to w większości przypadków nie pozwalają, ale PLD/FPGA już tak. Odpowiednio kontrolując Q5 i Q6, można na „wyjściu” wygenerować nawet abs(sin(omega*t)), skąd już tylko krok do przetwornicy DC/AC (...)

Po e-mailu z potwierdzeniem i wyjaśnieniem przyczyny błędu napisał:

Witam, :) W podanej (...) nocie zaznaczono wyraźnie, że można energię przesyłać dwukierunkowo. Bardzo ciekawe, moja uwaga dotyczyła wszystkich przetwornic z prostowaniem synchronicznym, a nie tego konkretnego nierezonansowego mostka. Nie spodziewałem się, że trafię w punkt. :) Temat jest mi akurat dość bliski, bo od lutego próbuję zbudować właśnie dwa takie dwukierunkowe półkilowatowe cudaki na FPGA. Pierwszy to LLC 600V <=> 12V na zintegrowanych elementach magnetycznych, drugi to „jedynie” buck-boost 11..14V<=>12V, ale za to ~50A. Dało mi to okazję polubić rdzenie planarne (...)
Tematyka materiału: przetwornica
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
wrzesień 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo