Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Przetwornice indukcyjne część 24 - problem asymetrii

W poprzednim odcinku omówiliśmy magnesowanie rdzenia w przetwornicach „dwukierunkowych” i doszliśmy do problemu asymetrii.
Article Image

Asymetria - przetwornice dwukierunkowe

Problem asymetrii prowadzącej do stopniowej zmiany strumienia/indukcji (flux walking) i do nasycenia rdzenia (staircase saturation), pokazany na rysunku 12, zasadniczo dotyczy wszystkich przetwornic z dwukierunkowym magnesowaniem. W literaturze najczęściej jest omawiany w związku z przetwornicami push-pull, gdzie magnesowanie rdzenia jest dwukierunkowe, ale mamy jednokierunkowe „dodatnie” prądy dwóch kluczy – tranzystorów i dwóch połówek uzwojenia pierwotnego.

Aby dobrze zrozumieć problem, najpierw musimy wrócić do kwestii napięć na indukcyjności. Otóż pamiętamy, że:

1. Idealna cewka ma zerową rezystancję, więc nawet przy ogromnych prądach nie ma na niej żadnego „omowego” spadku napięcia (U = I * 0Ω = 0V).

2. Występowanie napięcia na cewce (napięcia samoindukcji) jest nierozłącznie związane ze zmianami prądu. Często wykorzystujemy uproszczoną (różnicową) zależność: U = L(ΔI/Δt), dotyczącą idealnej cewki i liniowych zmian prądu. W praktyce przebiegi nie zawsze są liniowe, a wartość indukcyjności L nie jest stała, choćby w związku z nieliniowością pętli magnesowania. Dokładniej biorąc, w grę wchodzi zależność różniczkowa, dotycząca wartości chwilowych: u = L(di/dt). W każdym razie jeżeli na (idealnej) cewce występuje napięcie, to na pewno w cewce zmienia się wartość prądu. Napięcia na cewce, powiedzmy „dodatnie”, związane są ze zmianami prądu w jedną stronę, natomiast napięcia „ujemne” – przy zmianach prądu w drugą stronę.

Już wcześniej stwierdziliśmy, że przy normalnej ciągłej pracy przetwornicy „suma napięć dodatnich” na cewce/uzwojeniu musi być równa „sumie napięć ujemnych”. Mówiąc możliwie najprościej, wyrażony w woltosekundach iloczyn czasu i napięcia (U * t) dla napięć dodatnich i ujemnych musi być taki sam (w każdym okresie całka napięcia po czasie musi być równa zeru).

Wcześniej omawialiśmy to w kontekście rozmagnesowania w jednokierunkowych przetwornicach forward, ponieważ ta zależność nie pozwala na szybkie rozmagnesowanie rdzenia. W przetwornicach z dwukierunkowym magnesowaniem ma znaczenie inny aspekt omawianej zależności. Otóż jeśli w połówkach cyklu pracy wystąpi „asymetria woltosekund”, to rdzeń stopniowo się nasyci, jak pokazał rysunek 12. Dlaczego konieczna jest „symetria woltosekund”?

Rys.12 Problem asymetrii - przetwornica dwukierunkowa

Chyba najprościej to wytłumaczyć na prostym przykładzie idealnej cewki, na której występuje przebieg zmienny. „Asymetria woltosekund” oznacza, że średnie napięcie na cewce nie jest równe zeru. O to oznacza, że taki przebieg zmienny można rozdzielić na dwie składowe: na przebieg przemienny (o wartości średniej równej zeru) i na (niewielką) składową stałą.

I właśnie problemem jest ta niewielka nawet składowa stała napięcia, która tam ciągle występuje. Bo przecież w każdej cewce występowanie tej składowej stałej napięcia musi wynikać ze zmian prądu. Aby wytworzyć tę niewielką składową stałą napięcia, w cewce musi występować liniowo rosnąca albo opadająca składowa prądu. I właśnie ta liniowo rosnąca składowa prądu wcześniej czy później doprowadzi do nasycenia rdzenia. Ilustruje to w przejaskrawiony sposób rysunek 13.

Rys.13 Składowa prądu wcześniej czy później doprowadzi do nasycenia rdzenia

Z takich rozważań wynika, że „symetria woltosekund” jest warunkiem koniecznym. A w realnych przetwornicach, zwłaszcza push-pull, uzyskanie idealnej „symetrii woltosekund” jest po prostu... niemożliwe.

Niemożliwe z uwagi na różne czynniki. W każdej przetwornicy „dwukierunkowej” występuje, a przynajmniej może wystąpić, niewielka asymetria „dodatnich i ujemnych woltosekund”.

I co? Otóż wbrew podręcznikowym ostrzeżeniom, że znikoma nawet asymetra doprowadzi do nasycenia i katastrofy w postaci uszkodzenia tranzystorów – kluczy, od lat wykorzystuje się przetwornice „dwukierunkowe”, w tym typu push-pull, w których nie zastosowano żadnych specjalnych środków zapobiegających nasyceniu.

Czy więc problem „asymetrii woltosekund” to wymysł teoretyków? Nie! On istnieje i najbardziej dotyczy starszych wersji przetwornic push-pull, gdzie kluczami są tranzystory bipolarne. W znacznie mniejszym stopniu dotyczy nowocześniejszych przetwornic z kluczami w postaci tranzystorów MOSFET. Dlaczego? Oto niektóre szczegóły.

Naturalne zabezpieczenie - problem "asymetrii woltosekund"

Omawiając istotę problemu „asymetrii woltosekund” prowadzącej do nasycenia i katastrofy, rozważaliśmy idealną indukcyjność, gdzie nie ma żadnej rezystancji. Tymczasem realne cewki i transformatory mają jakąś rezystancję, wynikającą głównie z rezystancji drutu. I właśnie w przypadku pierwotnego uzwojenia transformatora przetwornic „dwukierunkowych” szeregowa rezystancja jest naturalnym lekarstwem na problem „asymetrii woltosekund”. Lekarstwo działa we wszystkich typach przetwornic, ale chyba najprościej przeanalizować je w przetwornicy push-pull, gdzie mamy dwa uzwojenia. Sytuację można przedstawić jak na rysunku 14.

Rys.14 Szeregowa rezystancja jest naturalnym lekarstwem na problem 'asymetrii woltosekund'

Z punku widzenia omawianego niebezpieczeństwa chodzi o „symetrię woltosekund na uzwojeniach”, co jest reprezentowane przez napięcia UL1, UL2. Na razie zakładamy, że klucze są idealne, więc napięcia na indukcyjnościach są mniejsze od napięcia zasilania UB o spadki napięć na jednakowych rezystancjach uzwojeń (UR1, UR2). Jeżeli prądy w obu uzwojeniach są jednakowe, to równe będą pary uśrednionych napięć: UL1 = UL2, UR1 = UR2.

Jeżeli jednak z jakichkolwiek powodów (na przykład nierównych czasów przewodzenia w obu połówkach cyklu) wkradnie się asymetria woltosekund na obu uzwojeniach (UL1 ≠ UL2), to w kolejnych cyklach prąd jednego uzwojenia będzie coraz większy, a prąd drugiego coraz mniejszy. Gdyby nie było rezystancji szeregowych R1, R2, doprowadziłoby to do nasycenia i do katastrofy, ale obecność tych rezystancji redukuje problem.

Mianowicie w gałęzi, w której „występuje więcej woltosekund”, płynie większy prąd i ten większy prąd wywołuje większy spadek napięcia na szeregowej rezystancji tego właśnie uzwojenia, a tym samym automatycznie „zmniejsza liczbę woltosekund”. Analogicznie mniejszy prąd w drugiej gałęzi daje mniejszy spadek napięcia na rezystancji i „zwiększa liczbę woltosekund”.

Wytwarza się stan stabilny, w którym prądy obu gałęzi są wprawdzie znacząco różne, rdzeń jest magnesowany asymetrycznie blisko „dodatniego” albo „ujemnego” nasycenia, mniej więcej jak na rysunku 11b albo 11c, ale co ważne, do katastrofalnego nasycenia nie dochodzi. Dodatkowe rezystancje nie likwidują asymetrii do zera, ale nie dopuszczają do katastrofy.

To uproszczone wyjaśnienie nie uwzględnia wszystkich szczegółów, w każdym razie lekarstwo działa, a jego skuteczność zależy od wartości rezystancji szeregowych. Czym większe rezystancje szeregowe, tym większą „asymetrię woltosekund” można dopuścić w przetwornicy.

Ściślej biorąc, oprócz spadków napięcia na rezystancjach, występują też spadki napięcia na tranzystorach – kluczach.

I tu wracamy do starych źródeł informacji, pisanych w czasach, gdy w takich przetwornicach stosowano tranzystory bipolarne. Niekorzystny jest fakt, że napięcie nasycenia tranzystorów bipolarnych zmniejsza się ze wzrostem temperatury. Groźny mechanizm jest taki: w gałęzi, gdzie występuje „więcej woltosekund”, stopniowo rośnie wartość prądu. To powoduje większe grzanie tranzystora – klucza, którego napięcie nasycenia się zmniejsza.

Wprawdzie korzystnie rośnie omówione wcześniej napięcie na rezystancji uzwojenia, ale niestety maleje spadek napięcia na tranzystorze – kluczu, co jest niekorzystne. O tym, czy nastąpi katastrofalne nasycenie, zadecyduje wypadkowa tych dwóch przeciwstawnych czynników. Dlatego w starszej literaturze znajdziesz wskazówki, że ratunkiem może być dodanie niewielkich rezystorów szeregowych według rysunku 15.

Rys.15 Wskazówki ze starej literatury

W przypadku tranzystorów MOSFET jest inaczej. Nie mówimy wtedy o napięciu nasycenia, tylko o spadku napięcia na rezystancji RDSon. Korzystne jest to, że rezystancja RDSon rośnie ze wzrostem temperatury (przykład na rysunku 16). W tym przypadku wzrost prądu w jednej gałęzi bardziej nagrzeje jeden z tranzystorów i jego rezystancja RDSon wzrośnie, zredukuje „asymetrię woltosekund” i zapobiegnie dalszemu wzrostowi prądu.

Należy podkreślić, że opisywane właśnie mechanizmy wynikające ze spadków napięć na rezystancjach szeregowych redukują „asymetrię woltosekund”, ale jej nie likwidują do zera. Nie dochodzi wprawdzie do katastrofalnego nasycenia, ale magnesowanie rdzenia jest niesymetryczne, prądy w obu częściach cyklu nie są jednakowe i występują dodatkowe, niepotrzebne straty obniżające sprawność.

Rys.16 Rezystancja RDSon rośnie ze wzrostem temperatury

Warto mieć świadomość, że prostsze przetwornice „dwukierunkowe” prawie zawsze pracują przy pewnej asymetrii i ich właściwości nie są optymalne. Zarówno sama obecność szeregowych rezystancji, jak i fakt, że rdzeń przez niesymetryczne prądy jest magnesowany blisko „górnego” albo „dolnego” nasycenia, powodują obniżenie sprawności energetycznej.

Ale czym większe są rezystancje szeregowe (czym mniej sprawna przetwornica „dwukierunkowa”), tym mniejsze jest ryzyko katastrofalnego nasycenia. Można zaryzykować twierdzenie, że ulepszenie, a konkretnie zamiana w takiej prostszej przetwornicy transformatora i tranzystorów na „lepsze”, o dużo mniejszych rezystancjach, może prowadzić do katastrofy. Gdy w „dwukierunkowych” przetwornicach forward trzeba maksymalizować sprawność, należy zwracać większą uwagę na problem asymetrii i nasycenia.

Omówiliśmy tu tylko część problemu. Nasycenie rdzenia może nastąpić nie tylko z powodu asymetrii woltosekund na uzwojeniu pierwotnym i związanego z tym „wędrowania strumienia”. Problemem są też gwałtowne zmiany prądu obciążenia, które też mogą doprowadzić do nasycenia i katastrofy.

Problem ten rozwiązywany jest w różny sposób, nie tylko z wykorzystaniem szeregowych rezystancji. W grę wchodzi kilka czynników i często przetwornica jest tak projektowana, żeby roboczy zakres zmian magnesowania był dużo mniejszy od maksymalnego (rysunek 11a). Choć może to się wydawać dziwne, jednym ze sposobów polepszenia sytuacji jest zastosowanie rdzenia z niewielką szczeliną powietrzną.

Wcześniej mówiliśmy, że szczelinę stosuje się w przetwornicach flyback, by maksymalizować gromadzoną energię. Teraz okazuje się, że szczelina bywa wprowadzana także w przetwornicach forward, gdzie zwiększa zakres dozwolonych prądów magnesowania (choć nie może zwiększyć indukcji nasycenia).

Problem nierównowagi woltosekund, powodującej „wędrowanie strumienia” (flux walking), dotyczy prostych przetwornic bez sprzężenia zwrotnego oraz przetwornic ze sprzężeniem zwrotnym pracującym w tak zwanym trybie napięciowym (voltage mode), gdzie sprzężenie zwrotne kontroluje wartość napięcia wyjściowego. Już wcześniej, omawiając praktyczne rozwiązania przetwornic flyback (i kostki rodziny UC384x), mówiliśmy o przetwornicach, pracujących w prądowym trybie regulacji, zwanym current mode, gdzie jedna (powolna) pętla sprzężenia zwrotnego pilnuje napięcia wyjściowego, a druga (szybka) pętla zmienia współczynnik wypełnienia impulsów, by nie przekroczyć określonej wartości prądu pierwotnego.

Problem nierównowagi woltosekund można wyeliminować, właśnie stosując regulację typu current mode, ale z kolei w przetwornicach half-bridge stwarza to kolejny problem, bo nierówność prądów (ładunków) powoduje niekorzystne zmiany napięcia na kondensatorach mostka, gdzie powinna występować połowa całkowitego napięcia zasilającego.

W niektórych nowszych rozwiązaniach przetwornic pracujących w trybie napięciowym (voltage mode) występują dodatkowe obwody elektroniczne, sprawdzające symetrię prądów uzwojenia pierwotnego przez pomiar prądu(-ów), korygujące kształty przebiegów, by były jak najbardziej symetryczne. W Internecie można znaleźć wiele informacji o tym problemie po wpisaniu w wyszukiwarkę hasła: converter „flux walking”.

Zagadnienie też jest bardzo szerokie, w różnym stopniu dotyczące przetwornic push-pull, half-bridge i full-bridge. Zasygnalizowałem tylko zarys problemu. Ale już te podstawowe informacje jasno wskazują, że projektowanie przetwornic impulsowych dużej mocy nie jest zadaniem dla początkujących. Nie wystarczy rozumieć zasady działania poszczególnych rodzajów przetwornic.

Próba zaprojektowania przetwornicy, nawet przy wykorzystaniu nomogramów, tabel czy aplikacji – specjalizowanych kalkulatorów, często kończy się rozmaitymi niespodziankami i problemami. Nie chcę Ciebie tym zniechęcić, ale wprost przeciwnie – zachęcić do zdobywania wiedzy i doświadczenia oraz wnikania w szczegóły.

W następnym odcinku nadal będziemy zajmować się „dwukierunkowymi” przetwornicami forward.

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