Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne cz.32 - magnesowanie rdzeni, nieciągły prąd magnesujący

W poprzednim odcinku wyjaśniliśmy zagadkę, jaką drogą płynie w przetwornicy push-pull prąd magnesujący transformatora w chwilach przerw między impulsami, gdy oba tranzystory-klucze są rozwarte. Wyjaśniliśmy, ale nie do końca.
Article Image

W poprzednim odcinku wyjaśniliśmy zagadkę, jaką drogą płynie w przetwornicy push-pull prąd magnesujący transformatora w chwilach przerw między impulsami, gdy oba tranzystory-klucze są rozwarte. Wyjaśniliśmy, ale nie do końca. Stwierdziliśmy, że prąd magnesujący płynie w uzwojeniu wtórnym, co jest prawdą, jednak nie zawsze jest to aż tak proste, jak się wydaje. Aby dokładniej zgłębić zagadnienie, musimy powrócić do kwestii magnesowania rdzenia i prądów związanych z magnesowaniem. Trzeba omówić zarówno magnesowanie i prądy transformatora, jak też magnesowanie i prądy cewki (dławika) filtru wyjściowego LC.

Magnesowanie rdzeni - przetwornica indukcyjna

Jeżeli chodzi o transformatory i cewki, to jak od dawna wiemy, nie można dopuścić do nasycenia ich rdzeni pod wpływem prądu magnesującego, co nastąpiłoby przy zbyt dużej wartości prądu magnesującego. To jest dość oczywiste. Ale pamiętamy też z wcześniejszych odcinków, że nasycenie transformatora w przetwornicy z dwukierunkowym magnesowaniem może także nastąpić wskutek niedużej nawet niesymetrii, gdy w każdym cyklu nie zostanie zachowane zerowe magnesowanie średnie.

W każdym razie w prawidłowo pracującym transformatorze dwukierunkowej przetwornicy forward magnesowanie będzie zmieniać się od jakiejś maksymalnej wartości dodatniej do maksymalnej wartości ujemnej ze średnim namagnesowaniem równym zeru.

Rys.1 Przykładowe przebiegi w przetwornicy push-pull

A prąd (magnesujący) płynący przez cewkę filtrującą L? Czy też musi mieć średnią wartość równą zeru?

Oczywiście nie musi! Magnesowanie tego dławika najczęściej jest jednokierunkowe i zwykle nawet nie zmniejsza się do zera. Rysunek 1 pokazuje przykładowe przebiegi w przetwornicy push-pull, gdzie prąd cewki filtru jest sumą prądów obu połówek uzwojenia wtórnego. Stromość narastania i opadania prądu zależy od napieć, ale też od indukcyjności cewki filtrującej. Przy bardzo dużej wartości indukcyjności dławika L namagnesowanie byłoby niemal stałe, a wyznaczone przez prąd obciążenia – rysunek 2a.

Czym mniejsza indukcyjność filtrująca, tym większa amplituda zmian prądu, a tym samym amplituda zmian namagnesowania, jak pokazują to rysunki 2b i 2c. W podręcznikach najczęściej analizuje się takie właśnie sytuacje, gdy prąd cewki filtrującej L jest ciągły i nie zmniejsza się do zera. Ale możliwe jest też, że w pewnych chwilach wartość prądu cewki i namagnesowania rdzenia zmniejsza się do zera. Może to nastąpić, gdy mała jest indukcyjność L i gdy mały jest prąd obciążenia, bo przecież średni prąd cewki L jest prądem obciążenia. I to jest kolejny ważny szczegół, który trzeba omówić dokładniej.

Rys.2 Różne prądy obciążenia

Na rysunku 2 pokazane były przebiegi przy niezmiennym prądzie obciążenia i różnej wartości indukcyjności filtru L. A teraz zakładamy, że cewka ma jakąś rozsądnie dobraną indukcyjność i analizujemy sytuację przy różnej wartości (stałego) prądu obciążenia. Przy większych prądach obciążenia problemu nie ma, co zilustrowane jest na rysunkach 3a i 3b. Sytuację graniczną pokazuje rysunek 3c. Dla danej częstotliwości pracy, danego wypełnienia i danej indukcyjności cewki mamy jakiś graniczny prąd obciążenia, oznaczany często ILIM (od limes – granica).

Rys.3 Różne indukcyjności cewki filtrującej

A gdy prąd obciążenia (średni prąd dławika filtru) byłby mniejszy od prądu ILIM?

Tu musimy wrócić do informacji sprzed kilku miesięcy. Z tym samym zjawiskiem (i problemem) mieliśmy do czynienia już wcześniej w przetwornicach bez transformatora, zawierających tranzystor i diodę, w tym także w przetwornicy obniżającej (buck, step-down). Kłopotu nie było w analizowanych na początku cyklu wersjach stykowych oraz w odpowiednio zaprojektowanych i sterowanych przetwornicach synchronicznych, ponieważ tam możliwy był dwukierunkowy przepływ prądu cewki i przekazywanie energii z powrotem do baterii.

Cewka filtru mogła na przemian pobierać energię z baterii i oddawać tę energię do obciążenia lub z powrotem do baterii, a w skrajnym przypadku, przy zerowym prądzie obciążenia prąd i magnesowanie rdzenia cewki filtrującej wyglądałyby jak na rysunku 3d, czyli tak, jak w transformatorze. Ale to przypadek teoretyczny, który z kilku względów w rzeczywistości nie wystąpi.

Między innymi dlatego, że teraz mówimy o wersjach przetwornicy forward z diodami na wyjściu. Wskutek obecności tych diod nie ma możliwości dwukierunkowego przepływu prądu przez cewkę L i nie ma możliwości zwrócenia energii cewki L z powrotem do baterii. A wtedy pojawia się problem. A przynajmniej może pojawić się problem.

Już wcześniej, przy omawianiu innych przetwornic, mówiliśmy o trybie pracy CCM (Continous Current Mode), gdy prąd cewki filtru jest ciągły i nie spada do zera, a wtedy napięcie wyjściowe jest określone tylko przez współczynnik wypełnienia impulsów. Mówiliśmy też o trybie nieciągłego prądu DCM (Discontinous Current Mode), gdy prąd cewki okresowo zmniejsza się do zera, a napięcie wyjściowe staje się wyższe, niż wynikałoby to ze współczynnika wypełnienia impulsów w trybie CCM i zależy też od prądu obciążenia.

Rys.4 Przetwornica buck, step-down i przetwornica forward

Dokładnie ten sam problem mamy w filtrze wyjściowym dwukierunkowej przetwornicy forward, która przecież jest odmianą przetwornicy obniżającej wzbogaconą o transformator (rysunek 4). Najprościej biorąc, przy prądach obciążenia większych od prądu granicznego ILIM mamy pracę dławika wyjściowego w trybie CCM i napięcie wyjściowe wyznaczone jest przez współczynnik wypełnienia impulsów (współczynnik ten określa stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego). Ale gdy prąd obciążenia jest mniejszy od wartości krytycznej/granicznej ILIM, mamy do czynienia z pracą w trybie DCM i przy niezmiennym wypełnieniu napięcie wyjściowe rośnie, staje się zależne od obciążenia (czym mniejszy prąd obciążenia, tym bardziej rośnie napięcie wyjściowe).

Zjawisko to występuje w przetwornicach full-bridge, half-bridge i push-pull, a więc w przetwornicach forward z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia, a problem dotyczy energii gromadzonej w cewce filtru. Prostsze takie przetwornice z omawianego względu wymagają wstępnego obciążenia.

W innych nie jest to potrzebne z uwagi na bardziej rozbudowane obwody kontroli i sterowania, skutecznie zapobiegające wzrostowi napięcia wyjściowego przez zmniejszenie wypełnienia impulsów, co da prąd dławika filtrującego mniej więcej jak na rysunku 3e. W każdym razie projektując dwukierunkową przetwornicę forward trzeba wziąć pod uwagę problem trybu CCM/DCM i minimalnego prądu obciążenia.

Rys.5 Wartości prądu krytycznego

Podkreślmy jeszcze, że wartość prądu krytycznego ILIM (pomijając kwestię częstotliwości pracy) zależy od indukcyjności cewki L – czym większa indukcyjność, tym mniejszy prąd krytyczny, co jest zilustrowane na rysunku 5. Tak, ale duża wartość indukcyjności cewki zawsze wiąże się też z istotnymi wadami, m.in. nasyceniem, wielkością cewki i jej ceną. Tu znów widać problem dla konstruktora, który musi wybrać jakieś kompromisowe wartości indukcyjności L filtru i pradu ILIM. No tak, tylko jaki to ma związek z omawianą wcześniej zagadką?

Otóż ma związek i to ścisły.

Nieciągły prąd magnesujący? - przetwornica indukcyjna

W poprzednim odcinku cieszyliśmy się, że znaleźliśmy rozwiązanie zagadki prądu magnesującego transformatora, który w przerwach impulsów płynie w uzwojeniu wtórnym.

Zapewne teraz dociekliwym Czytelnikom nasunie się pytanie: a co z prądem magnesującym w przerwach impulsów, gdy prąd wyjściowy jest bardzo mały, mniejszy od prądu magnesowania transformatora?

W zasadzie znów wszystko jest dość proste, wręcz zaskakująco proste, bo przecież musi opierać się na prostych fundamentalnych prawach fizyki dotyczących indukcyjności. Jednak większości osób trudno jest wpaść na pomysł, jak wtedy wyglądają szczegóły.

Aby ułatwić znalezienie odpowiedzi, dla uproszczenia przeanalizujmy hipotetyczną sytuację, gdyby uzwojenie wtórne zostało całkowicie odłączone. Przypomnijmy elementarny przypadek z rysunku 6a, gdy podczas włączenia-zwarcia klucza prąd zwiększa swoją wartość i w cewce gromadzi się energia. W chwili rozwarcia tego klucza, prąd cewki, czyli prąd magnesowania, nie może dalej płynąć tą drogą. I jak wiemy, cewka, w której przerwano przepływ prądu, stara się podtrzymać przepływ prądu w tym samym kierunku i wytwarza napięcie samoindukcji o biegunowości przeciwnej niż napięcie wcześniej występujące na cewce, jak pokazuje rysunek 6b.

Rys.6 Uzwojenie wtórne całkowicie odłączone

Gdy ma to miejsce nie w pojedynczej cewce, tylko w transformatorze, to napięcia są indukowane we wszystkich uzwojeniach. W sytuacji omawianej w poprzednim odcinku po rozwarciu klucza już przy malutkim odwrotnym napięciu samoindukcji popłynie prąd w uzwojeniu wtórnym i napięcie samoindukcji nie wzrasta. Tak jest przy odpowiednio dużym prądzie obciążenia i odpowiednio dużym prądzie cewki filtrującej L, o czym mówiliśmy w poprzednim odcinku.

Ale gdyby indukcyjność transformatora nie znalazła drogi dla dalszego przepływu prądu w tym samym kierunku, wytworzyłaby potężne przepięcie, które jak można się domyślać, najprawdopodobniej spowodowałoby jakieś przebicie i uszkodzenie. W praktyce kluczami są tranzystory i może nasunąć się wniosek, że w omawianych przetwornicach odłączenie uzwojenia wtórnego niechybnie spowoduje powstanie w przerwach między impulsami przepięć i uszkodzenie tranzystorów.

Rys.7 Biegunowość indukujących się napięć i kierunki prądów

Tak mogłoby ewentualnie być w przypadku tranzystorów bipolarnych przy odłączeniu uzwojenia wtórnego. Pamiętajmy, że w przetwornicy push-pull mamy dwie połówki uzwojenia pierwotnego (i często też dwie połówki uzwojenia wtórnego). Na rysunkach 7a i 7b pokazane są: biegunowość indukujących się w nich napięć i kierunek prądów w uzwojeniu pierwotnym podczas przewodzenia każdego z kluczy.

Zwróć uwagę, że na aktualnie rozwartym (nieprzewodzącym) kluczu napięcie jest równe podwojonemu napięciu baterii. Mówiąc najprościej, gdy prąd zostanie przerwany, a uzwojenie wtórne jest odłączone, nie ma możliwości dalszego przepływu prądu, a w cewce zgromadzona jest energia. Wobec tego w uzwojeniach zaindukują się napięcia o przeciwnej biegunowości (przepięcia), jak pokazuje rysunek 7c oraz 7d, i co ważne, o amplitudzie niemal dowolnie dużej.

Sytuację z rysunku 7d w wersji z tranzystorami bipolarnymi pokazuje rysunek 8. Przepięcia na obu połówkach uzwojenia pierwotnego mogą mieć bardzo dużą wartość, więc na kolektorze T2 pojawi się wysokie napięcie dodatnie względem masy (UN2 + UB) i to napięcie mogłoby doprowadzić do przebicia (drugiego przebicia – second breakdown) tranzystora T2. Co ważne, z uwagi na silne przepięcie w drugiej połówce uzwojenia (UN1 = UN2), na kolektorze T1 pojawi się wtedy napięcie mniejsze od zera (UN1 – UB), ujemne względem masy, które też prawdopodobnie spowodowałoby jakieś przebicie i zniszczenie tranzystora T1 potężnym napięciem ujemnym.

Rys.8 Biegunowość indukujących się napięć i kierunek prądów (z tranzystorami bipolarnymi)

Jednak we współczesnych przetwornicach w roli kluczy pracują MOSFET-y, co znacząco zmienia sytuację. Po pierwsze, schemat zastępczy MOSFET-a można przedstawić jak na rysunku 9a. Gdy tranzystor jest zatkany, prąd może płynąć przez tę diodę albo w kierunku jej przewodzenia (rysunek 9b), albo w kierunku zaporowym (rysunek 9c).

Nieodłączna struktura diodowa jest w istocie diodą Zenera, która ulega przebiciu i zaczyna przewodzić prąd przy napięciu trochę wyższym niż dopuszczalne katalogowe napięcie UDS (w pierwszym zgrubnym przybliżeniu można przyjąć, że „napięcie Zenera” to 120% katalogowego napięcia UDS), więc podczas normalnej pracy, tę diodę Zenera nie płynie prąd. Jednak silne przepięcia spowodują, że nie tylko popłynie przez nią prąd, ale też wydzieli się w niej moc strat (p = u*i) – energia w postaci ciepła.

Rys.9 MOSFET w roli klucza

Tak mogłoby być w analizowanej przetwornicy po zatkaniu MOSFET-a T2 według rysunku 10. W uzwojeniu N2 indukuje się takie przepięcie, żeby zaczęła przewodzić „dioda Zenera” wbudowana w T2, a gdy popłynie prąd, napięcie nie wzrasta. W katalogach podane są maksymalne dopuszczalne ilości energii (mocy) wydzielanej w tranzystorze MOSFET, pracującym w roli „diody Zenera”. Jeżeli w przetwornicy push-pull po rozwarciu klucza na tranzystorze pojawiłby się impuls napięcia i „prądu Zenera” o energii dopuszczalnej dla tego MOSFET-a, nie nastąpiłoby uszkodzenie. Energia magnesowania transformatora zostałaby wydzielona w „diodzie Zenera” jako straty w postaci ciepła.

Rys.10 Przetwornica po zatkaniu MOSFET-a T2

Z uwagi na obecność drugiej połówki uzwojenia transformatora i obecność drugiego MOSFET-a taka sytuacja nie powinna nastąpić. Mianowicie w chwili rozwarcia jednego tranzystora, na przykład T2, napięcie na nim gwałtownie się zwiększy, ale jednocześnie w drugiej gałęzi pojawi się napięcie ujemne względem masy. A tam włączony jest drugi MOSFET (T1), który też ma w strukturze diodę. Jego dioda zostanie spolaryzowana w kierunku przewodzenia.

Właśnie ta dioda (pasożytnicza struktura diodowa) MOSFET-a T1 nie pozwoli na dalsze obniżenie napięcia poniżej masy, ponieważ zacznie przewodzić, a tym samym utrzyma napięcie na poziomie mniej więcej 1 wolta poniżej masy. Prąd popłynie, jak pokazuje rysunek 11. Taka sytuacja nie grozi niczym złym, a moc strat w tranzystorze T1 jest mała z uwagi na mały spadek napięcia na diodzie, rzędu 1 wolta. Energia zgromadzona w indukcyjności transformatora w większości jest zwracana do baterii, a tylko niewielka część wydziela się jako straty w diodzie pasożytniczej tranzystora T1.

Rys.11 Przetwornica indukcyjna - MOSFET w roli klucza

Zastanówmy się jeszcze nad wartościami napięć. Otóż gdy jeden z kluczy T1, T2 jest zwarty i przewodzi prąd, jak pokazują rysunku 7a, 7b, to wtedy napięcia na wszystkich uzwojeniach są równe napięciu baterii (w idealnym przypadku, pomijając straty). Napięcie na rozwartym kluczu jest dokładnie dwa razy większe od napięcia baterii.

Jeżeli przykładowo napięcie baterii (zasilające) wynosiłoby 20V, to na kolektorze/ drenie zatkanego tranzystora występowałoby wtedy napięcie 40V, jak pokazuje rysunek 12a. W takiej przetwornicy trzeba zastosować tranzystory (MOSFET-y) o katalogowym napięciu UDS co najmniej 40V. Z pewnych względów należy zastosować MOSFET-y o napięciu UDS wyższym, na razie przyjmijmy, że 50V.

Rys.12 Jakie MOSFET-y do przetwornicy - przykłady

Jak mówiliśmy, takie tranzystory będą mieć napięcie przebicia wbudowanej „diody Zenera” około 1,2 razy większe od katalogowego napiecia UDS, czyli w tym przypadku mniej więcej 60V. Wobec tego w teoretycznej sytuacji z rysunku 10 maksymalne napięcie na drenie T2 wyniesie właśnie około 60V, bo przy takim napięciu popłynąłby prąd przez zatkany T2. Ilustruje to rysunek 12b.

Rysunek 11 wskazuje, że nie powinno do tego dojść, ponieważ obecność zatkanego T1 zapewni przepływ prądu magnesowania przez uzwojenie N1. Wtedy uzwojenie N1 stanie się źródłem energii, ale żeby przez nie popłynął prąd podładowujący 20-woltową baterię, musi ono wytworzyć napięcie samoindukcji tylko o około 0,7 wolta wyższe, jak pokazuje rysunek 12c. Jak widać, na drenie zatkanego tranzystora T2 wystąpi wtedy napięcie 40,7V – za małe, żeby przebić „diodę Zenera”. Prąd magnesowania popłynie tylko przez uzwojenie N1.

Utrwalmy wiadomości: w przerwach między impulsami, po przerwaniu prądu w jednym z tranzystorów, indukcyjność transformatora szuka drogi dla dalszego przepływu prądu magnesowania, w uzwojeniach indukowane są napięcia o biegunowości przeciwnej niż podczas impulsu. Jeżeli prąd magnesowanie nie może popłynąć w uzwojeniu wtórnym, to zgodnie z rysunkiem 12c, w układzie push-pull w przerwach na uzwojeniach pojawią się napięcia o amplitudzie tylko o około 0,7 wolta większej, czyli praktycznie takiej samej, jak podczas normalnej pracy (rysunek 12a).

W następnym odcinku omówimy bliżej konsekwencje takiego zachowania.

Tematyka materiału: przetwornica indukcyjna, push-pull, MOSFET
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich listopad 2019
Udostępnij
UK Logo