Impulsowy konwerter napięcia stałego z transformatorem

Impulsowy konwerter napięcia stałego z transformatorem
układ przeciwbieżny (zaporowy) - flyback converter
26 03 1013, wersja 1.1
Maciej Radtke
[email protected]
Uwaga: przed przeczytaniem tego dziełka należy koniecznie zapoznać się z opracowaniem na temat
beztransformatorowego konwertera obniżającego napięcie.
1. Dlaczego stosuje się transformator
Najprostsze beztransformatorowe konwertery napięcia mają co prawda bardzo prostą
budowę, jednak mają też kilka poważnych wad:
- nie umożliwiają całkowitego galwanicznego oddzielenia obwodu wejściowego (napięcia
przetwarzanego) od obwodu wyjściowego. Przy realizacji zasilacza zasilanego bezpośrednio z sieci
energetycznej, bez transformatora sieciowego, taka sytuacja jest najczęściej niedopuszczalna ze
względów bezpieczeństwa;
- w zależności od konstrukcji mogą obniżać napięcie wejściowe albo je podwyższać. Nie da się
zbudować układu konwertera bez transformatora, który - tylko poprzez regulację współczynnika
wypełnienia impulsów sterujących - mógłby wytwarzać na wyjściu zarówno napięcie obniżone, jak
i podwyższone;
- uzyskanie napięcia dużo niższego (albo dużo wyższego) od wejściowego jest w układach
beztransformatorowych trudne, ponieważ wymaga zastosowania bardzo małego współczynnika
wypełnienia. Jednak z powodu ograniczonej szybkości przełączania kluczy (czyli tranzystorów,
bardzo często o dużych dopuszczalnych prądach i dużej dopuszczalnej mocy rozpraszanej), ich
włączanie na bardzo krótki czas nie jest możliwe;
- w przypadku beztransformatorowego konwertera obniżającego napięcie żadna z elektrod
tranzystora przełączającego nie jest dołączona do masy. To wyraźnie komplikuje obwód sterowania
tranzystorem.
Wszystkich wymienionych wad mogą być pozbawione konwertery, w których zamiast
pojedynczej cewki zastosowano transformator impulsowy. Jednak trzeba sobie zdawać sprawę z
tego, że układy z transformatorem mają dużo bardziej skomplikowaną budowę, a i sam
transformator nie jest elementem łatwym do wykonania. Jako że musi on być przystosowany do
pracy impulsowej, a w dodatku najczęściej przy dużych prądach i kilohercowych częstotliwościach,
jego projektowanie jest o wiele bardziej skomplikowane niż projektowanie zwykłego
transformatora sieciowego1.
1 W transformatorach używanych w impulsowych konwerterach napięcia występuje np. zjawisko naskórkowości prąd o dużej częstotliwości nie płynie przez cały przekrój drutu, z którego jest wykonane uzwojenie. Powoduje to
wyraźne zwiększenie rezystancji uzwojenia i tym samym zwiększane strat. Uzwojenia nawija się więc często
kilkoma równoległymi przewodami, wzajemnie od siebie odizolowanymi.
2. Jak to działa
Schemat transformatorowego konwertera przeciwbieżnego jest pokazany na rys. 1. Klucz K
jest włączany na czas δT (T = 1/f, gdzie f - częstotliwość przełączania klucza). L to indukcyjność
uzwojenia pierwotnego transformatora, a p - jego przekładnia zwojowa2.
Rys. 1 - schemat transformatorowego konwertera przeciwbieżnego.
Kropki przy transformatorze oznaczają tzw. początki uzwojeń. Pokazują one potrzebny
kierunek przepływu prądów w każdym z uzwojeń, jeśli w rdzeniu transformatora mają one
wywołać tak samo skierowane pole magnetyczne. Wyjaśnia to na rys. 2.
Rys. 2 - oznaczanie kierunków uzwojeń transformatora.
Na rys. 3 pokazano napięcia i prądy w konwerterze w obu fazach jego pracy. Przy analizie
działania konwertera założymy, że w układzie panuje stan ustalony (napięcie na wyjściu
ustabilizowało się po włączeniu zasilania układu i wynosi UO) oraz że pojemność kondensatora C
jest bardzo duża, napięcie przewodzenia diody UF ≈ 0, a klucz K jest idealny.
Rys. 3 - fazy pracy konwertera. a) - klucz K zamknięty; b) - klucz K otwarty.
2 w niniejszym opracowaniu p = n1 / n2, gdzie n1 i n2 to liczby zwojów, odpowiednio uzwojenia pierwotnego i
wtórnego. W literaturze można też spotkać odwrotne oznaczenie przekładni: p = n2 / n1.
Faza 1 (rys. 3a) - włączony klucz K:
Włączenie (zamknięcie) klucza K sprawia, że do uzwojenia pierwotnego transformatora
zostaje przyłożone napięcie UI. Prąd w tym uzwojeniu narasta więc liniowo, powodując
zwiększanie natężenia pola magnetycznego w rdzeniu transformatora. Napięcie UI transformuje się
do uzwojenia wtórnego w stosunku p:1, ale jednocześnie zostaje "przekręcone" (uwaga na kropki
przy uzwojeniach!) i powoduje wsteczne spolaryzowanie diody D. Przez spolaryzowaną zaporowo
diodę nie płynie prąd, skutkiem czego uzwojenie wtórne "wisi w powietrzu". Obciążenie RO
korzysta więc wyłącznie z energii zgromadzonej w kondensatorze C. Jednocześnie w tym czasie w
rdzeniu transformatora, w postaci pola magnetycznego, gromadzi się energia. Zostanie ona
wykorzystana w drugiej fazie pracy konwertera.
W tym miejscu warto się przyjrzeć wartościom napięć, jakie w tej fazie występują na
poszczególnych elementach układu:
- napięcie na kluczu K jest niewielkie (jest to napięcie nasycenia tranzystora bipolarnego albo
spadek napięcia pomiędzy źródłem a drenem włączonego tranzystora unipolarnego),
- napięcie przyłożone do uzwojenia pierwotnego transformatora jest bliskie UI,
- napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego to UI/p,
- napięcie (wsteczne) na diodzie D jest równe UI/p + UO - jest wyższe niż UO.
Faza 2 (rys. 3b) - wyłączony klucz K:
W chwili wyłączenia (otwarcia) klucza K przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne
transformatora zostaje przerwany. W rdzeniu jest jednak zgromadzona energia pola magnetycznego,
która nie może nagle zniknąć. Wywołuje ona przepływ prądu w uzwojeniu wtórnym (początki
uzwojeń są oznaczone "po przekątnej", więc temu samemu kierunkowi pola magnetycznego
odpowiadają przeciwne kierunki przepływu prądu) i tym samym wprowadzenie diody D w stan
przewodzenia. Przez diodę przepływa więc prąd, który zasila obciążenie oraz ładuje kondensator C
i uzupełnia ubytek energii w nim zgromadzonej, powstały w poprzedniej fazie. Ten prąd stopniowo
maleje, ponieważ po wyłączeniu klucza K maleje ilość energii zgromadzonej w rdzeniu
transformatora. "Przelewa się" ona z rdzenia do obwodu wyjściowego, a jednocześnie do układu nie
jest dostarczana żadna nowa energia ze źródła napięcia wejściowego UI.
A oto rozkład napięć, pojawiających się w układzie w tej fazie:
- dioda D przewodzi, więc napięcie na niej to UF,
- na zaciskach uzwojenia wtórnego transformatora panuje napięcie UO (a dokładnie: UO + UF),
- napięcie z uzwojenia wtórnego transformatora zostaje przetransformowane do uzwojenia
pierwotnego, więc na zaciskach uzwojenia pierwotnego pojawia się napięcie p•UO,
- i na koniec najważniejsze: napięcie na kluczu K jest sumą napięcia, które pojawiło się na
uzwojeniu pierwotnym transformatora i napięcia UI co znaczy, że chwilowe napięcie na kluczu
jest wyższe, niż napięcie na wejściu konwertera. W krańcowym przypadku może ono osiągnąć
wartość nawet nieco ponad 2•UI i przy projektowaniu układów z transformatorem trzeba to
koniecznie brać pod uwagę3.
3 W zasilaczach impulsowych, bezpośrednio przetwarzających napięcie pobierane z sieci energetycznej 230V, należy
stosować tranzystory o napięciu przebicia około 800 V lub więcej.
3. Co od czego zależy, jak i dlaczego
Na rys. 4 zostały przedstawione przebiegi czasowe napięć i prądów w obu fazach pracy
transformatorowego konwertera przeciwbieżnego.
Rys. 4 - przebiegi czasowe napięć i prądów w konwerterze przeciwbieżnym.
W chwili t = 0 zostaje włączony (zamknięty) klucz K. Do indukcyjności L zostaje więc
przyłożone napięcie bardzo bliskie UI, co powoduje narastanie prądu zgodnie z zależnością:
i L ( t)=I L0 +
UI
⋅t
L
(1)
gdzie IL0 to początkowy prąd, jaki płynął w uzwojeniu pierwotnym w chwili włączenia klucza.
Po czasie δT prąd w uzwojeniu pierwotnym jest więc równy:
I LK =I L0 +
UI
⋅δ T
L
(2)
W chwili δT następuje wyłączenie klucza K i prąd uzwojenia pierwotnego transformatora
zostaje "przełączony" do uzwojenia wtórnego oraz do diody D, jednak jednocześnie zostaje on
przetransformowany przez przekładnię p4:
I D0= p⋅I LK
(3)
a następnie zaczyna się liniowo zmniejszać, zgodnie z zależnością:
i D (t)=I D0 −
UO
⋅t
LW
(4)
w której LW jest indukcyjnością uzwojenia wtórnego transformatora.
4 Warto sobie tutaj przypomnieć jak "współpracują" indukcyjności sprzężone, czyli transformator!
Jako że indukcyjność cewki jest proporcjonalna do kwadratu liczby zwojów, łatwo
zauważyć że:
LW =
L
2
p
(5)
W chwili T prąd diody osiąga wartość:
I DK = p⋅I L0
(6)
(bo jeśli w układzie panuje stan ustalony, to na końcu całego taktu pracy konwertera następuje
powrót do stanu początkowego - czyli do sytuacji takiej, jaka miała miejsce w chwili t = 0)
Zestawienie powyższych zależności w układ równań i jego rozwiązanie pozostawia się
czytelnikowi, na końcu otrzymuje się zależność wiążącą napięcie na wyjściu konwertera z UI:
UO=
UI δ
⋅
p 1−δ
(7)
Widać, że napięcie wyjściowe zależy od dwóch parametrów: współczynnika wypełnienia
impulsów sterujących kluczem oraz przekładni zwojowej transformatora. Dla wartości δ = 1/2
napięcie wyjściowe jest określone tylko przez przekładnię. Nietrudno zauważyć, że poprzez zmianę
wartości współczynnika wypełnienia możliwa jest regulacja napięcia wyjściowego w szerokim
zakresie, od napięcia wyjściowego niższego niż określone przez samą przekładnię, do napięcia
podwyższonego. Możliwość wpływania na napięcie wyjściowe na dwa sposoby jest bardzo
pożyteczna wtedy, kiedy występuje potrzeba uzyskania napięcia UO znacznie niższego (lub
znacznie wyższego) od UI. Można wtedy tak dobrać przekładnię transformatora, by to głównie ona
była odpowiedzialna za przełożenie napięć, a cały układ pracował przy korzystnym współczynniku
δ ≈ 1/2. Jest wtedy możliwa jego precyzyjna regulacja, umożliwiająca dokładne ustawienie napięcia
wyjściowego. Można też zbudować zasilacz impulsowy ze stabilizacją tego napięcia przy pomocy
pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego.
4. Niedociążenie transformatorowego konwertera przeciwbieżnego
Jak każdy układ konwertera DC-DC, transformatorowy układ przeciwbieżny jest wrażliwy
na niedociążenie. Konwerter pracuje poprawnie (wytwarza na swoim wyjściu napięcie UO
określone zależnością 7) tylko wtedy, kiedy z wyjścia jest pobierany prąd IO większy od pewnej
określonej wartości, nazywanej prądem krytycznym IOKR. Jeśli IO < IOKR, napięcie na wyjściu jest
wyższe niż UO i, co jest szczególnie nieprzyjemną cechą omawianego typu konwertera, przy prądzie
IO = 0 teoretycznie rośnie do nieskończoności. Teoretycznie, bo zanim zdoła ono osiągnąć wyraźnie
podwyższoną wartość, konwerter na ogół ulega uszkodzeniu. Powodem jest najczęściej opisany
wcześniej efekt "wtransformowywania się" napięcia wyjściowego na stronę pierwotną
transformatora, co powoduje zwiększanie się napięcia odkładanego na wyłączonym kluczu i w
rezultacie jego przebicie5. Jest to szczególnie groźne w układach sieciowych, w których zapas
napięcia przebicia tranzystora kluczującego ponad rzeczywiste napięcia występujące w układzie
bywa najczęściej niewielki. Przeciwbieżny konwerter transformatorowy musi więc być koniecznie
zabezpieczany przed skutkami zmniejszenia prądu IO poniżej wartości IOKR.
Poniżej zostanie pokazany sposób obliczenia prądu krytycznego IOKR.
5 Czasem przebiciu ulega nie tranzystor po stronie pierwotnej, a izolacja (emalia) pomiędzy sąsiadującymi zwojami w
uzwojeniu. Należy pamiętać, że wytrzymałość napięciowa tej izolacji jest na ogół niewielka (kilkadziesiąt V).
Tak samo, jak w konwerterach beztransformatorowych, wejście w zakres obciążeń
podkrytycznych następuje wtedy, kiedy przebieg czasowy prądu cewki (a więc także diody i klucza)
"dotknie" osi poziomej - czyli na bardzo krótką chwilę spadnie do zera.
Na rys. 5 został pokazany przebieg czasowy prądu diody D i klucza K dla dwóch różnych
prądów obciążenia, w tym dla IO = IOKR.
Rys. 5 - przebiegi prądu w diodzie i kluczu dla IO > IOKR i IO = IOKR
Korzystając z obrazka i równań (1) - (6) można zapisać następujące zależności:
I KK =
UI
⋅δ T
L
(8)
I DP= p⋅I KK
U
I DP= O⋅(T −δ T )
LW
(9)
(10)
oraz dołożyć do tego (7):
U O=
UI δ
⋅
p 1−δ
Oczywiście średni prąd płynący przez diodę jest równy prądowi pobieranemu z konwertera
do obciążenia:
I O =I DŚR
(11)
a więc:
1
T −δT 1
I OKR = ⋅I DP⋅
= ⋅I DP⋅(1−δ)
2
T
2
(12)
Po wykonaniu kilku przekształceń otrzymuje się następującą zależność:
I OKR =U I⋅
p⋅δ(1−δ)
2fL
(13)
Tak samo jak w innych konwerterach prąd IOKR jest tym mniejszy, im wyższa jest
częstotliwość przełączania klucza f i im większa jest indukcyjność L (w tym wypadku jest to
indukcyjność uzwojenia pierwotnego transformatora).
5. Ideałów nie ma, czyli co się dzieje w rzeczywistym układzie
A. Indukcyjność rozproszenia
Największe problemy w transformatorowych konwerterach napięcia sprawia...
transformator. W dotychczasowych rozważaniach zostało uczynione domyślne założenie, że
sprzężenie pomiędzy uzwojeniami transformatora jest pełne (m = 1), czyli że transformator jest
idealny. W rzeczywistości tak nie jest. Rys. 6a wyjaśnia, co oznacza niepełne sprzężenie uzwojenia
pierwotnego i wtórnego.
Rys. 6 - a) transformator z indukcyjnością rozproszenia; b) przebieg napięcia na kluczu K.
Indukcyjność pierwotnego uzwojenia nieidealnego transformatora można postrzegać tak,
jakby składała się z dwóch części: indukcyjności głównej LG, idealnie sprzężonej z uzwojeniem
wtórnym, i z tzw. indukcyjności rozproszenia LR, reprezentującej tę część całkowitej indukcyjności
L, która nie jest sprzężona z niczym. Konsekwencje istnienia indukcyjności LR są łatwe do
zrozumienia jeśli się przeanalizuje zjawiska, które występują w chwili wyłączenia (rozwarcia)
klucza K.
W chwili wyłączenia klucza energia pola magnetycznego, zgromadzonego w indukcyjności
głównej LG, oddziałuje na uzwojenie wtórne (LW) i wywołuje w nim przepływ prądu, który
umożliwia rozładowywanie energii z rdzenia cewki. Inaczej się dzieje w nie sprzężonej z niczym
indukcyjności LR, w której też przecież została zgromadzona pewna porcja energii. Ta energia nie
ma się gdzie rozładować i - jak to w cewce - "próbuje" utrzymać w niej ciągłość prądu. Objawia się
to gwałtownym wzrostem napięcia na kluczu w chwili jego wyłączenia, co może spowodować
przebicie i uszkodzenie zastosowanego elementu6. Na przebiegu napięcia na kluczu pojawia się
dodatkowa "szpilka" napięciowa, która - jeśli nie zostaną zastosowane specjalne zabezpieczenia może sięgać napięć dużo wyższych, niż wcześniej wspomniane napięcie UK = UI + p•UO
(maksymalnie 2•UI). Zostało to pokazane na rys. 6b.
Aby uchronić klucz przed zniszczeniem, w rzeczywistych układach konwerterów z
transformatorem stosuje się specjalne układy, których zadaniem jest przejęcie energii z
indukcyjności rozproszenia i "zgaszenie" (stąd ich zwyczajowa nazwa: "gasiki") wspomnianego
6 Teoretycznie, gdyby indukcyjność LR była idealna (bezstratna), nastąpiłby wzrost napięcia do nieskończoności, w
rzeczywistości aż tak źle nie jest.
przepięcia. Sposobów realizacji układów gaszących jest sporo, poniżej - na rys. 7 - przedstawiono
jeden z nich.
Rys. 7 - przykład realizacji układu gaszącego.
Dioda DG musi być diodą o dużej szybkości przełączania i napięciu przebicia wyższym niż
napięcie UI. Powstające w chwili wyłączania klucza przepięcie powoduje gwałtowny wzrost
potencjału na anodzie diody, jej gwałtowne włączenie i przepływ impulsu prądu (energii) z
indukcyjności LR do kondensatora C. W ten sposób niebezpieczny dla klucza impuls napięciowy
zostaje "rozmyty" w czasie, a jego amplituda wydatnie zmniejszona. W przerwie pomiędzy
kolejnymi impulsami kondensator rozładowuje się do źródła napięcia wejściowego, a więc na
katodzie diody DG panuje napięcie UI (lub nieco wyższe), dzięki czemu dioda - w oczekiwaniu na
kolejne przepięcie - pozostaje wyłączona.
B. Oscylacje
W rzeczywistym układzie przebiegi czasowe napięć i prądów rzadko wyglądają dokładnie
tak, jak na rys. 4. Bardzo często pojawiają się na nich dodatkowe oscylacje. Jest to najbardziej
widoczne wtedy, kiedy układ jest obciążony prądem mniejszym od prądu krytycznego7. Pokazano
to na rys. 8.
Rys. 8 - zjawiska przy obciążeniu podkrytycznym. a) przebiegi napięć i prądów; b) schemat
Niezależnie od typu impulsowego konwertera napięcia stałego, skutek obciążenia go prądem
mniejszym od IOKR jest taki sam - przerwanie ciągłości prądu w cewce (lub w obu cewkach
sprzężonych). Na rys. 8a widać to w chwili t1, w której prąd w uzwojeniu wtórnym, a więc i w
diodzie, maleje do zera, a jednocześnie nie płynie prąd w uzwojeniu pierwotnym - bo jeszcze nie
7 Nawet jeśli zostaną zastosowane zabezpieczenia przed wzrostem napięcia wyjściowego w tej sytuacji (np.
zmniejszanie współczynnika wypełnienia impulsów sterujących kluczem), zjawiska występujące "wewnątrz"
konwertera wyglądają podobnie.
został włączony klucz. Rys. 8b pokazuje schemat układu w takiej sytuacji. Uzwojenia
transformatora "wiszą w powietrzu", napięcie UO nie transformuje się na stronę pierwotną
transformatora, więc napięcie na kluczu K powinno się obniżyć do wartości UI. Tak się dzieje, ale w
sposób oscylacyjny, bo indukcyjności uzwojeń wraz z występującymi wokół nich pojemnościami
(pojemnością międzyzwojową, pojemnościami montażowymi, pojemnościami klucza i diody itp.)
tworzą obwód rezonansowy LC, a w pojemnościach jest zgromadzone nieco energii. Szybkość
wygasania tych drgań zależy od ilości tej energii i od dobroci obwodu rezonansowego. Mogą one
wygasnąć jeszcze przed ponownym włączeniem klucza K, ale zdarza się też tak, że w czasie t1 ÷ T
ich amplituda prawie się nie zmienia.
C. Nasycanie się rdzenia transformatora
To zjawisko zostało dokładnie opisane w opracowaniu dotyczącym konwertera
beztransformatorowego obniżającego napięcie, w układzie z transformatorem obserwowane
zjawiska wyglądają podobnie.
6. Zasilacz impulsowy ze stabilizacją napięcia wyjściowego
Transformatorowy konwerter napięcia bardzo często jest fragmentem większego układu stabilizowanego zasilacza impulsowego. Podobnie jak ma to miejsce w stabilizatorach o pracy
ciągłej, do stabilizacji napięcia UO jest używana pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego. W
stabilizatorach impulsowych wykorzystuje się zależność napięcia wyjściowego od współczynnika
wypełnienia impulsów włączających klucz K, więc zadaniem pętli jest ciągła regulacja tego
współczynnika i korygowanie go w taki sposób, by napięcie UO pozostawało stałe mimo zmian
prądu obciążenia IO i ewentualnej niestałości napięcia UI. Musi się to odbywać na zasadzie "większe
napięcie na wyjściu konwertera -> mniejszy współczynnik wypełnienia".
Opisaną zasadę działania stabilizowanego zasilacza impulsowego ilustruje rys. 9.
Rys. 9 - stabilizowany zasilacz impulsowy.
Na rys. 10 pokazano typowy sposób realizacji układu sterującego, którego zadaniem jest
regulacja współczynnika wypełnienia w zależności od wartości doprowadzonego do niego napięcia
wyjściowego.
Impulsy włączające klucz wytwarza komparator, do którego wejść są doprowadzane dwa
sygnały: a) napięcie (lub jego część), pobrane z wyjścia konwertera, b) sygnał piłokształtny z
generatora, o stałej częstotliwości f. Na wyjściu komparatora jest otrzymywany sygnał prostokątny
o częstotliwości f i współczynniku wypełnienia tym mniejszym, im napięcie na wejściu
odwracającym komparatora jest wyższe8.
8 Bardzo poplularnym układem, spełniającym opisane funkcje, jest układ scalony TL494. Zawiera on generator
przebiegu piłokształtnego, komparator, układ wyjściowy przystosowany zarówno do sterowania tranzystorów
bipolarnych jak iunipolarnych, a także układy dodatkowe (np. zabezpieczające przed przeciążeniem zasilacza).
Rys. 10 - schemat blokowy układu sterującego impulsowym stabilizatorem napięcia.
Dodatkową korzyścią, jaką uzyskuje się, budując zasilacz impulsowy z pętlą ujemnego
sprzężenia zwrotnego, jest możliwość jego poprawnego działania (czyli utrzymywania założonego
napięcia UO) przy obciążeniu go prądem IO < IOKR. Zwiększanie się napięcia UO, spowodowane
niedociążeniem wyjścia, zostaje skompensowane zmniejszeniem współczynnika wypełnienia δ.
Ograniczeniem jest wtedy najmniejsza wartość δ, jaką daje się uzyskać w konkretnym układzie i to
ona określa najmniejszy prąd, jaki da się odebrać z wyjścia zasilacza bez wzrostu napięcia UO
powyżej założonej wartości. Jeśli współczynnik wypełnienia może być zredukowany do bardzo
małej wartości, to ten prąd jest bardzo niewielki i w takiej sytuacji najczęściej po prostu stosuje się
wstępne obciążenie stabilizatora poprzez wmontowanie na jego wyjściu opornika.