Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne cz.25 - zasada działania przetwornic „dwukierunkowych” (konfiguracja push-pull)

W poprzednich odcinkach z grubsza poznaliśmy trzy główne konfiguracje przetwornic forward z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia: push-pull, half-bridge i full-bridge. Okazuje się, że „dwukierunkowe” przetwornice przepustowe (forward) są atrakcyjne tam, gdzie potrzebna jest duża moc, ale ich konstrukcja i zasady działania wiążą się z istotnymi problemami, których nie ma ani w przetwornicach zaporowych flyback, ani w jednokierunkowych przetwornicach forward. Cieszyliśmy się, że dwukierunkowe magnesowanie rdzenia pozwoli z danego rdzenia uzyskać więcej mocy.
Article Image

Owszem, ale niespodziewanie ujawnił się poważny problem asymetrii i ryzyko nasycenia rdzenia wskutek „wędrówki strumienia” (flux walking). Podkreślmy, że problemu tego nie ma w przetwornicach flyback i prostszych przetwornicach forward.

Problem asymetrii zasadniczo dotyczy wszystkich przetwornic forward z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia, ale w niektórych konfiguracjach okazuje się łatwy do opanowania, w innych jest groźniejszy, a w jeszcze innych nasycenie rdzenia jest wręcz warunkiem prawidłowej (!) pracy. Omówimy także takie przetwornice. Ale zaczniemy od nieco dokładniejszego przeanalizowania podstawowej zasady działania przetwornic „dwukierunkowych” na przykładzie konfiguracji push-pull.

Przetwornica przeciwsobna (push-pull) - zasada działania

Na rysunku 1a przypomniany jest uproszczony schemat przetwornicy przepustowej (forward), gdzie energia jest przekazywana do obciążenia w czasie, gdy klucz S jest zwarty. Przetwornicę przeciwsobną push-pull można potraktować jako równoległe połączenie dwóch takich samych, pracujących na przemian jednokierunkowych przetwornic forward z „podwójnym wspólnym transformatorem” i wspólnym filtrem wyjściowym. Można to zobrazować w uproszczeniu jak na rysunku 1b. Przez filtr wyjściowy LC płyną impulsy prądowe z obu uzwojeń wyjściowych.

W praktyce kluczami są oczywiście tranzystory, a obwód wyjściowy może wyglądać jak na rysunku 1c, gdzie jest jedno uzwojenie i prostownik mostkowy. W praktyce częściej stosowana jest wersja z dwiema diodami według rysunku 1b, a nie z czterodiodowym mostkiem, z uwagi na mniejsze straty w prostowniku.

Rys.1 Uproszczone schematy przetwornic przepustowych

Podstawowa zasada pracy jest prosta: Gdy zwarty jest klucz S1, przez uzwojenie N1 płynie rosnący prąd i w tym uzwojeniu indukuje się napięcie samoindukcji o wartości równej napięciu baterii. W pozostałych uzwojeniach indukują się napięcia samoindukcji o biegunowości według rysunku 2a. Prąd płynie też przez uzwojenie wtórne NW2, diodę D1 i cewkę filtru L do obciążenia R.

Z uwagi na biegunowość napięcia z uzwojenia NW1, dioda D2 jest spolaryzowana zaporowo i nie przewodzi. Uzwojenia N1, N2 są jednakowe, więc na otwartym kluczu S2 (na drenie lub kolektorze tranzystora) występuje napięcie dwa razy większe od napięcia baterii. To jest główny powód, że takie przetwornice nie są wykorzystywane w zasilaczach sieciowych, gdzie wyprostowane napięcie wejściowe to około 325V, a na tranzystorach kluczujących występują napięcia ponad 600V.

Rys.2 Zasada pracy - przetwornica przeciwsobna

Gdy natomiast zwarty jest klucz S2, to zgodnie z rysunkiem 2b prąd o narastającej wartości płynie przez uzwojenie N2 i to narastanie prądu pierwotnego powoduje wytworzenie w uzwojeniu N2 napięcia samoindukcji o wartości równej napięciu baterii. Napięcie o takiej samej wartości indukuje się też w uzwojeniu N1. Prąd płynie także przez uzwojenie NW1, diodę D2, cewkę filtrującą L do kondensatora filtrującego C i obciążenia R.

Podkreślmy, że nie są tu potrzebne dodatkowe obwody resetowania rdzenia, ponieważ rdzeń najpierw magnesowany jest w jednym kierunku, a potem w drugiej roboczej połówce cyklu zostaje nie tylko rozmagnesowany, ale przemagnesowany w drugim kierunku.

Znów cieszymy się, że ta podstawowa zasada jest tak prosta, jasna i oczywista. Niestety, w rzeczywistości sytuacja jest znacznie bardziej złożona. Rysunek 2 dotyczy bowiem tylko przypadków, gdy jeden z kluczy-tranzystorów przewodzi. A my wiemy, że nie zawsze tak jest. Nie zawsze wypełnienie impulsów jest dokładnie równe 50%.

Po pierwsze, w typowej przetwornicy przeciwsobnej koniecznie trzeba wyeliminować sytuację, gdy oba tranzystory byłyby włączone jednocześnie. Spowodowałoby to bowiem przepływ ogromnego prądu i nie tylko marnowanie prądu, ale też uszkodzenie tych tranzystorów wskutek przepływu tego prądu, ograniczonego tylko przez rezystancje uzwojenia pierwotnego.

Dlatego w takiej przetwornicy konieczne jest wprowadzenie choćby krótkiej przerwy (dead time), gdy oba tranzystory są wyłączone. Ten czas przerwy mógłby być krótszy niż 1 mikrosekunda, ale pamiętamy, że jeśli chcemy regulować napięcie wyjściowe, to będziemy zmieniać wypełnienie impulsów sterujących kluczami-tranzystorami.

A to znaczy, że będą dłuższe chwile, gdy żaden z tranzystorów nie przewodzi. I to nie z uwagi na ryzyko uszkodzenia przetwornicy, tylko z uwagi na regulację napięcia wyjściowego przez zmianę współczynnika wypełnienia symetrycznych par impulsów. Regulacja w takiej przetwornicy polega na tym, że współczynnik wypełnienia PWM przebiegów sterujących obydwoma tranzystorami-kluczami może zmieniać się w zakresie od zera do nieco mniej niż 50%, co jest zilustrowane na rysunku 3.

Rys.3 Sterowanie kluczy

Nie ulega wątpliwości, że podczas normalnej pracy przetwornicy, w pewnych chwilach oba tranzystory są zatkane i nie przewodzą prądu. Ale jak wiemy, „indukcyjność nie lubi zmian prądu” i gdy przepływ prądu zostaje przerwany, indukcyjność wytwarza przepięcia i „szuka” drogi przepływu prądu.

Czy już widzisz problem ciągłości prądu w indukcyjnościach?

W omawianej przetwornicy są dwie indukcyjności: indukcyjność uzwojeń transformatora Tr i indukcyjność cewki filtru (dławika) L. Okazuje się, że w literaturze, a nawet w większości podręczników akademickich sprawa wcale nie zostaje omówiona do końca.

Podstawowe wątpliwości dotyczące ciągłości prądu w cewce filtrującej L wyjaśniane są następująco: zgodnie z rysunkiem 2 w czasie, gdy zwarty jest któryś z kluczy S1, S2, w jednym z uzwojeń wtórnych indukowane jest napięcie i przez jedną z diod D1, D2, i przez cewkę L płynie prąd o rosnącej wartości. Źródłem energii jest wtedy jedno z wtórnych uzwojeń transformatora i część energii jest od razu przekazywana do kondensatora C i obciążenia R, a część energii ładuje cewkę L, czyli zwiększa energię zawartą w cewce L.

Gdy oba klucze po stronie pierwotnej nie przewodzą, przez cewkę filtrującą L nadal płynie prąd i wtedy cewka ta staje się źródłem energii (staje się tymczasową baterią zasilającą). Na cewce L indukuje się napięcie o odwrotnej biegunowości niż wcześniej, prąd płynie przez cewkę L nadal w tym samym kierunku, a jego wartość się zmniejsza. W takim prostym wyjaśnieniu słusznie stwierdza się, że prąd cewki L z konieczności musi płynąć przez uzwojenia NW1, NW2 i diody D1, D2 oraz że przez każdą z diod D1, D2 płynie połowa prądu cewki L (czyli że „w chwilach przerw” prąd równo dzieli się między obie diody).

Rys.4 Jednakowe prądy w jednakowych uzwojeniach wtórnych

Rozumowanie to zakłada, że w uzwojeniach NW1, NW2 nie indukują się żadne napięcia, ponieważ zgodnie z rysunkiem 4 jednakowe prądy w jednakowych uzwojeniach wtórnych wytwarzają strumienie o jednakowej wartości i przeciwnym kierunku, więc strumienie te znoszą się do zera. A jeśli wypadkowy strumień w rdzeniu jest równy zeru, to w uzwojeniach nie indukują się napięcia.

W niektórych źródłach spotyka się stwierdzenia, że w tych momentach przerw cewka L wysysa jednakowe, wzajemnie znoszące się prądy z obu uzwojeń transformatora. Brzmi to logicznie i zgadza się z intuicją. Jeszcze prościej można wyjaśnić ciągłość prądu w cewce filtrującej L w przetwornicy z pojedynczym uzwojeniem i prostownikiem mostkowym.

Otóż gdy jeden z kluczy po stronie pierwotnej jest zwarty, przez uzwojenie wtórne płynie prąd, a gdy oba klucze są rozwarte, prąd cewki L nie płynie przez uzwojenie wtórne transformatora, a tylko przez cztery diody mostka, jak ilustruje rysunek 5. To wyjaśnienie jest jeszcze prostsze i jeszcze bardziej przekonuje, że w transformatorze „w chwilach przerw” nie płyną prądy i napięcia na wszystkich uzwojeniach są równe zeru.

Rys.5 Obydwa klucze rozwarte

Znów wyjaśnienie jest proste, łatwe i przyjemne. I w przytłaczającej większości źródeł czytelnik czy uczeń pozostawiany jest w takim błogim stanie zadowolenia, z silnym poczuciem, że rozumie działanie przetwornic „dwukierunkowych”.

Czy Ty już widzisz problem?

No właśnie! Podane wyjaśnienia dotyczą wyłącznie ciągłości prądu w cewce filtrującej L, a wstydliwie przemilczają ten sam problem ciągłości prądu w transformatorze. Otóż w tego rodzaju opisach po prostu zakłada się, że w czasie, gdy oba klucze są rozwarte, w uzwojeniu wtórnym nie indukuje się żadne napięcie. W wersji z rysunku 5 w pojedynczym uzwojeniu wtórnym w ogóle nie płynie prąd, a w wersji z dzielonym uzwojeniem z rysunku 4 prądy w obu połówkach uzwojenia wtórnego płyną, ale są jednakowe i ich skutki się znoszą. Efekt jest taki, jakby nie płynął tam żaden prąd.

Jeżeli jednak nieco dokładniej zastanowimy się nad pracą transformatora, to mamy problem.

Wcześniejsze rozważania przekonująco tłumaczą kwestie magnesowania rdzenia w obu kierunkach. W idealnym przypadku przetwornicy sterowanej przebiegami o wypełnieniu dokładnie równym 50% magnesowanie rdzenia (pomijając histerezę) wyglądałoby jak na rysunku 6. To oczywiste, że w każdej połowie cyklu rdzeń transformatora Tr byłby liniowo przemagnesowywany między jakimiś ustalonymi przez konstruktora maksymalnymi wartościami: dodatnią i ujemną. I wtedy nie ma problemu ani wątpliwości.

Rys.6 Prąd w uzwojeniu i namagnesowanie rdzenia

A jeżeli współczynnik wypełnienia impulsów jest mniejszy od 50% i czas trwania impulsów jest mniejszy od maksymalnego, to zmiany namagnesowania (strumienia i indukcji) zapewne będą mniejsze. Intuicja podpowiada, słusznie zresztą, że w czasie przewodzenia kluczy namagnesowanie rdzenia będzie zmieniać się w takim samym tempie, jak przy wypełnieniu 50%, jak zaznaczyłem na rysunku 7. No tak, tylko co będzie z magnesowaniem rdzenia transformatora w zaznaczonych znakami zapytania „chwilach przerw”?

Rys.7 Prąd w uzwojeniu i namagnesowanie rdzenia

Przecież pamiętamy, że namagnesowanie ściśle wiąże się z przepływem prądu (jest prąd – jest namagnesowanie; nie ma prądu – nie ma namagnesowania, a wzrost i zmniejszanie namagnesowania to gromadzenie i oddawanie energii).

No to jak jest z namagnesowaniem rdzenia „w chwilach przerw”?

Czy przerwanie prądu w obu uzwojeniach pierwotnych i brak prądu w uzwojeniu wtórnym oznaczają zanik, a przynajmniej zmniejszanie namagnesowania? Czy „w chwilach przerw” namagnesowanie (strumień, indukcja) będą się zmniejszać? Pomysł zmniejszania namagnesowania wydaje się logiczny...

Tylko z tego, co już od dawna wiemy, jeśli namagnesowanie, a ściślej strumień miałyby zanikać nagle, mniej więcej według rysunku 8, to gwałtowny zanik strumienia niechybnie spowoduje indukowanie się we wszystkich uzwojeniach ogromnych przepięć! A my dopiero co mówiliśmy, że „w chwilach przerw” napięcie na uzwojeniu wtórym, a więc i na uzwojeniach pierwotnych są równe zeru. Mamy sprzeczność, prawda?

Rys.8 Prąd w uzwojeniu i namagnesowanie rdzenia
Rys.9 Prąd w uzwojeniu i namagnesowanie rdzenia

No tak, ale jeżeli istotnie „w chwilach przerw” napięcie na wszystkich uzwojeniach jest równe zeru, to znaczy, że nie ma zmian strumienia, jak na rysunku 9, bo przecież to zmiany strumienia powodują indukowanie napięć. Być może w jakichś opracowaniach pracowicie odszukasz taki właśnie przebieg przedstawiający zmiany (prądu) magnesowania.

Na rysunku 10 masz przykład pochodzący ze znanego czasopisma (ja dodałem tylko kolorowe opisy). Zgadza się tu jedna zasada: „w chwilach przerw” nie ma zmian strumienia, a więc napięcia na uzwojeniach są wtedy równe zeru! Tak, ale jeśli strumień ma „w chwilach przerw” pozostać niezmienny, to w którymś z uzwojeń transformatora musi płynąć prąd! Bo przecież strumień wynika z przepływu prądu.

A według przedstawionych dotąd rysunków i rozważań tak nie jest. Czyli znów mamy sprzeczność! Czyżby w Internecie, w materiałach firmowych, a nawet w opracowaniach akademickich były poważne uproszczenia, przemilczenia i niedopuszczalne „skróty myślowe”?

Rys.10 Przebiegi napięć i prądów w obwodzie przetwornicy przeciwsobnej

A może powinniśmy w geście rozpaczy przyjąć, że „w chwilach przerw” namagnesowanie rdzenia zmniejsza się łagodnie, na przykład o połowę wolniej niż wcześniej narastało/malało, co dałoby przebieg namagnesowania na przykład jak na rysunku 11? A może namagnesowanie zmniejsza się, ale w jakimś jeszcze innym, szybszym albo wolniejszym tempie, zależnym od jakichś czynników, na przykład od napięcia wyjściowego?

Rys.11 Prąd w uzwojeniu i namagnesowanie rdzenia

Niestety, tu też mamy problem i wątpliwości. Każda zmiana strumienia to indukowanie się napięć we wszystkich uzwojeniach, także w uzwojeniu wtórnym. A mówiliśmy, że w uzwojeniu wtórnym „w chwilach przerw” napięcie jest równe zeru... Gdzieś tu jest ewidentna sprzeczność!

W przytłaczającej większości źródeł omawiających przetwornice z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia można znaleźć przebiegi napięć i prądów jak na rysunku 12, gdzie nie ma informacji o magnesowaniu i strumieniu/indukcji w rdzeniu.

Rys.12 Przebiegi napięć i prądów w obwodzie przetwornicy przeciwsobnej

Zapewne wiesz, że chrabąszcz nie może latać, bo naukowcy skrupulatnie obliczyli, iż mówiąc najprościej, ma za małą powierzchnię skrzydeł w stosunku do swojego ciężaru (masy). Na szczęście chrabąszcze nic o tym nie wiedzą i latają.

Czy podobnie jest z omawianymi właśnie dwukierunkowymi regulowanymi przetwornicami forward? Czy na obecnym etapie rozwoju nauki czegoś jeszcze nie wiemy i dlatego nie potrafi my wyjaśnić sprzeczności? Czy może sprzeczność da się wyjaśnić po uwzględnieniu dodatkowych szczegółów? A może żadnej sprzeczności nie ma, tylko my przyjęliśmy fałszywe albo zbyt uproszczone założenia i pominęliśmy coś istotnego?

To jest dla Ciebie, Czytelniku, temat do samodzielnego przemyślenia: jak przekonująco wyjaśnić problem namagnesowania, strumienia, prądów i napięć w transformatorze „w chwilach przerw”?

Do tego problemu wrócimy, (prawie) wszystko wyjaśnimy, ale ani w tym artykule, ani w następnym odcinku, tylko później. Dlatego masz dużo czasu na samodzielną analizę. Jak najbardziej możesz poszukać odpowiedzi w podręcznikach, skryptach oraz oczywiście w Internecie. Możesz zapytać kogoś bardziej doświadczonego, ale ostrzegam: nawet jeśli poda on przekonującą odpowiedź, a Ty będziesz dalej drążył i pytał o różne szczegóły, to najprawdopodobniej wprowadzisz go w zakłopotanie. Choćby dlatego, że w grę wchodzą różne sytuacje, między innymi omawiane wcześniej tryby pracy DCM i CCM.

Nie podam żadnych innych podpowiedzi. Niech to będzie zadanie dla Ciebie i jeszcze jeden przykład, że tematyka przetwornic indukcyjnych jest naprawdę bardzo obszerna i niełatwo ogarnąć wszystkie szczegóły. Wszystkie informacje potrzebne do wyjaśnienia problemu już masz. Trzeba tylko odpowiednio zestawić i poukładać kilka szczegółów, a wtedy wszystko się wyjaśni, ale w zaskakujący sposób.

A jak na razie, mamy jasność tylko w przypadku hipotetycznej idealnej przetwornicy o wypełnieniu dokładnie 50% według rysunku 6. Wcześniej mówiliśmy, że wypełnienie musi być mniejsze od 50%, ponieważ w realnych warunkach zawsze występują jakieś opóźnienia, odchyłki i następuje zmiana parametrów w czasie, a nawet krótkie jednoczesne przewodzenie obu kluczy-tranzystorów spowoduje przepływ ogromnego prądu i uszkodzenie tranzystorów.

Prądy płynące w przeciwnych kierunkach wytwarzają pole magnetyczne o przeciwnych kierunkach, te pola się znoszą, indukcyjność spada do zera i uzwojenia zachowują się jak czysta rezystancja (drutu). Umożliwia to przepływ ogromnych, destrukcyjnych prądów.

Wydaje się więc, że praktycznie niemożliwa jest realizacja przeciwsobnej przetwornicy push-pull (a także przetwornicy mostkowej full-bridge) pracującej z impulsami o wypełnieniu dokładnie 50%.

I tu mam informację, która być może Cię zaskoczy: w praktyce dość często spotyka się przetwornice z dwukierunkowym magnesowaniem rdzenia (push-pull oraz full-bridge), które zawsze pracują przy wypełnieniu dokładnie 50%, w których rdzeń jest magnesowany według rysunku 6.

Takie przetwornice mają pewne charakterystyczne cechy. Po pierwsze, przy niezmiennym wypełnieniu impulsów (zawsze 50%) nie można regulować napięcia wyjściowego z wykorzystaniem modulacji PWM czy jakiejś innej. W takich przetwornicach napięcie wyjściowe zawsze pozostaje proporcjonalne do napięcia wyjściowego, zależnie od stosunku liczb zwojów uzwojeń wtórnego i pierwotnego. Słusznie można się domyślać, że są to proste przetwornice, bo nie zawierają układów regulacji, a więc obwodów sprzężenia zwrotnego. Ta prostota ma istotne wady, ale też pewne ważne zalety.

Po drugie, przetwornice o wypełnieniu 50% dają na wyjściu „zwyczajny” przebieg prostokątny, a dzięki temu nie wymagają filtru wyjściowego LC. W przypadku idealnego „prostokąta” nie byłby potrzebny w ogóle żaden filtr, bo po wyprostowaniu „prostokąta” otrzymujemy gładkie napięcie stałe. I to niezależnie, czy są to wersje z dzielonym uzwojeniem wtórnym, czy z pojedynczym uzwojeniem wtórnym, jak pokazuje rysunek 13.

Rys.13 Przetwornica z dzielonym uzwojeniem wtórnym vs z pojedynczym uzwojeniem wtórnym

Ale z uwagi na ograniczoną stromość zboczy oraz potrzebę zapewnienia małej impedancji wyjściowej na wyjściu stosuje się kondensator. Ale cewka zupełnie nie jest potrzebna. Cewka, a raczej filtr LC jest niezbędny w tych przetwornicach forward, gdzie zastosowana jest regulacja szerokości impulsów (albo pokrewna regulacja), której celem jest regulacja napięcia wyjściowego. A przy wypełnieniu 50% można zaoszczędzić cewkę – „kłopotliwy” element, co jest zaletą.

Z kilku ważnych powodów powinniśmy zająć się takimi przetwornicami, w szczególności prostymi, które o dziwo wykorzystują zjawisko nasycenia rdzenia. Omówimy je w następnym odcinku, a potem przeanalizujemy bardziej zaawansowane i nowoczesne rozwiązania przetwornic przeciwsobnych o wypełnieniu 50%.

Tematyka materiału: przetwornice indukcyjne
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2019
Udostępnij
UK Logo