Dijital Kontrol Güç Kaynağı Doğrultucusunun Değişim Salınımının Analizi ve Bastırılması
Elektrikli araçların uygulamasında, geleneksel otomobillerde orijinal düşük voltajlı jeneratör modüllerinin yerini almak için yüksek düşük voltajlı DC dönüştürücüler (DC / DC) kullanılır: aracın yüksek voltajlı güç kaynağı, düşük voltajlı 12 V DC'ye ( Veya 24 V DC) güç kaynağı. Faz kaydırmalı tam köprü sıfır gerilim anahtarlama (ZVS) topolojisi, kendi sızıntı endüktansını veya harici seri rezonant endüktans özelliklerini ve yüksek ve orta güç anahtarlamalı güç kaynağı uygulamalarında rezonans için güç anahtarı tüpünün parazitik kapasitansını kullanarak güç tüpünün yumuşak anahtarlamasını gerçekleştirebilir. Basit kontrol avantajlarına sahiptir ve ek yardımcı devrelere ihtiyaç duymaz.Elektrikli araç DC / DC için uygun bir topoloji seçimidir; ancak tam dalga doğrultma yapısına sahip ikincil doğrultucu diyotlar genellikle sert anahtarlama durumunda çalışır.Tam dalga doğrultucu devresi komütasyon olduğunda, Doğrultucu diyotun PN bağlantısında depolanan yük, çift çalışma geri basıncı altında tamamen süpürülür ve bir ters geri kazanım süreci vardır; daha sonra ters geri kazanım akımı, harici seri rezonant indüktör ve trafo kaçak endüktansı boyunca akar ve eşdeğer yön diyot paraziti kapatmalıdır. Kapasitörün şarj edilmesi, doğrultucu diyodun her iki ucunda da büyük bir salınıma neden olur ve bu, çalışma voltajının en az iki katı voltaj yükselmesine neden olur, bu da çalışma sırasında diyotun voltaj gerilimini bozar ve devrenin verimliliğini ve güvenilirliğini etkiler.
Referansta, birincil taraf kıskaç diyotu, seri rezonans endüktansının neden olduğu salınımı etkili bir şekilde bastırabilir.Bu yöntem basit bir yapıya ve ihmal edilebilir ek kayba sahiptir; ancak transformatörün ikincil tarafının kaçak endüktansı, yine de voltaj yükselmelerinin ortaya çıkmasına neden olacak olan rezonansa katılır ve Rezonans endüktansı için transformatör sızıntı endüktansının ikame edildiği durumlar için uygun değildir; bu makale, tam dalga doğrultma ve komütasyon sırasında rezonans üretim sürecini analiz eder ve hesaplar ve eşdeğer devresinin matematiksel modelini ve salınım bastırma şemalarının müteakip tasarımı için bir teori sağlayan salınım yükselmesini elde eder. Temel; Son olarak, birincil yan kenet diyotu temelinde ikincil taraf eklenir ve diyot voltaj gerilimi gereksinimlerini karşılamak için RCD emilim devresinin direnç ve kapasitans parametrelerinin hesaplama yöntemi verilir; ve Sabre tarafından simülasyon ve deneysel prototip test doğrulaması: Nesne, RCD emilim devresinden önceki ve sonraki doğrultucu diyot voltajını, soğurma devresinin kapasitör voltajını ve birincil kenetleme diyotunun akım dalga biçimini karşılaştırmak için tam dalga doğrultma kullanan 500 W faz kaydırmalı tam köprülü bir ZVS-DCDC dönüştürücüdür; deneysel sonuçlar, RCD'nin kullanıldığını göstermektedir Devreyi absorbe ettikten sonra, salınım voltajının tepe değerini yaklaşık 1/4 azaltabilir ve birincil kelepçe diyotunun açık akımını yaklaşık 2/3 oranında azaltabilir; yukarıda bahsedilen analiz ve varsayım doğrulanmıştır.
1 Salınım nedeninin analizi ve modellenmesi
Şekil 1, faz kaydırmalı bir tam köprü ve ikincil taraf ile birincil tarafta kullanılan bir tam dalgalı doğrultucu DC / DC dönüştürücünün basitleştirilmiş bir şematik diyagramıdır. Analizin transformatör dönüş-dönüş kapasitansını göz ardı etmesini kolaylaştırmak için, diyot parazitik endüktansı ve tel kaçak endüktansı, transformatör kaçak endüktansı ile birleştirilir ve birleşik eşdeğer toplam endüktans Lleak1 ve Lleak2 olarak kaydedilir.
Transformatörün birincil girişi u1, 0'a eşit olduğunda, Lr üzerindeki yük akımı doğal olarak akmaya devam eder, DR1 ve DR2 diyotlarının her ikisi de iletken durumdadır ve sırasıyla i1 ve i2 akımları; u1'den 0'a kadar olan giriş gerilimi Uin'e yükseldiğinde (veya -Uin), karşılık gelen DR1 (veya DR2) diyotundan akan akım hızla 0'a düşürülür ve komütasyon işlemini tamamlar. Bundan sonra, diyot DR1 (veya DR2) ters geri kazanım sürecindedir ve transformatörün kaçak endüktansı boyunca akan ters geri kazanım akımı i1 (veya i2), kapatılmış diyotun parazitik kapasitans CT1'i (veya CT2) ve kapasitör CT1'i (veya CT2) ve kaçağı yükler. Sense Lleak1 (veya Lleak2) salınımları, DR1 (veya DR2) boyunca büyük bir voltaj yükselmesine neden olur.
Transformatörün birincil giriş voltajı u1'in 0'dan Uin'e yükselmesinden sonraki komütasyon süreci, nesne olarak analiz edilir: u1, Uin'e yükseldiğinde, komütasyon işlemi başlar, DR1 diyotu kapanmaya başlar, i1 azalmaya başlar ve i2 artmaya başlar. Büyük, DR1 ve DR2, Şekil 2 (a) 'da gösterildiği gibi aynı anda yük akımı sağlar.K dönüş oranına göre u1'i ikincil tarafa dönüştürdükten sonra, basitleştirilmiş eşdeğer devre Şekil 2 (b) ve Şekil 2 (b)' de gösterilmiştir. Orta komutasyon işlemi, i2 çıkış filtresi indüktör akımına eşit olana kadar devam eder, i1 sıfıra düşer; yüke paralel olarak çıkış LC alçak geçiren filtre, çok kısa sürede sabit bir akım kaynağı olan iLr, iLr'ye eşdeğer olabilir. İ2'ye eşit, ters geri kazanım sürecini tamamlamak için diyotu kapatmak için, PN bağlantısında depolanan tüm yükler süpürülmelidir, i1 çift çalışma geri basıncı altında hızla sıfıra düşürülür ve ardından tersi maksimum Irm değerine yükselmeye devam eder. CT1 üzerindeki voltaj uc, eşdeğer devrenin Şekil 2 (c) 'de gösterildiği gibi her zaman sıfıra eşittir; ters geri kazanım akımı Irm tepe değerine ulaştıktan sonra, DR1 diyotu ters bloke durumuna girer (CT1 ile paralel olarak Roff'a eşdeğer) ve i1 azalmaya başlar. CT1'deki voltaj uc yükselmeye başlar, eşdeğer endüktans Lleak1 ve CT1 rezonansa başlar ve diyot bloklama direnci Roff olarak gösterilir. Şekil 2 (c) 'deki eşdeğer paralel akım kaynağı sonraki rezonansı etkilemediği için ihmal edilir ve basitleştirilir, vb. Etkili rezonans devresi Şekil 2 (d) 'de gösterilmiştir.
Şekil 2 (d) 'de gösterildiği gibi, Irm başlangıç akımına sahip eşdeğer endüktans Lleak1 ve başlangıç voltajı sıfır rezonansa sahip diyot parazitik kapasitans CT1. CT1 rezonans sırasında sabittir ve aşağıdaki diferansiyel denklem endüktans ve kapasitans özelliklerinden bilinmektedir:
Yukarıdaki çözüm süreci için koşullar şunlardır:
Üreticinin cihaz kılavuzundan diyot engelleme direncinin çok büyük olduğu ve genellikle yukarıdaki koşulları karşılayabileceği görülebilir.
Yukarıdaki işlem sırasında kapalı diyotun her iki ucunda ortaya çıkan voltaj salınımının genliğini analiz edin: Rezonans sırasında diyotun iki ucunda normal çalışma voltajının en az iki katı bir voltaj yükselmesinin göründüğü denklemler (5) ve (10) 'dan görülebilir. Aşağıdaki dört durum, salınım artışının genliğinin değişmesine neden olur: (1) Çalışma voltajı yükseldiğinde, Uin / K, görev döngüsünü değiştirmeden artacaktır Denklemden (10), salınım genliğinin Uct arttığı görülebilir. (2) Çalışma akımı arttığında, ters toparlanma süresi uzar ve ters toparlanma akımı Irm büyür.Denklemden (10), salınım genliğinin Uct arttığı görülebilir; (3) CT1 kondansatörü büyüdüğünde bekleyin Bunun etkisi, rezonansta yer alan kapasitansın daha büyük hale gelmesi ve salınım genliğinin Uct, formül (7), formül (8) ve formül (10) ile hesaplanarak azaltılmasıdır; (4) Toplam kaçak endüktansı Lleak1 azaldığında, formül (8) Denklem (10), arttığında salınım genliği Uct'nin azaldığını göstermektedir.
Özetle kaçak endüktansın azaltılması ve uygun parazitik kapasitansa sahip bir diyotun seçilmesi, salınımın bastırılmasında olumlu bir etkiye sahiptir; yüksek akım ve yüksek gerilim uygulamasında diyotun her iki ucundaki salınım artar, bu da kaybı artırır ve diyota karşı direnci artırır. Gerilim gereksinimleri, birincil kenetleme diyot devreleri veya RC / RCD durdurucu devreleri gibi uygun önlemlerle bastırılmalıdır.
2 Bastırma önlemlerinin analizi ve RCD parametrelerinin hesaplanması
Faz kaydırmalı tam köprü / tam dalga doğrultucu DCDC dönüştürücüler için, birincil taraf kenetleme diyotlarının kullanılması, seri rezonant endüktansın neden olduğu salınımları ve voltaj yükselmelerini daha iyi bastırabilir: transformatörün birincil devresine D5 ve D6 kenetleme diyotlarını ekleyerek salınımlar Bu gerçekleştiğinde, birincil voltaj Uin'e ve ikincil voltaj Uin / K'ye kenetlenebilir.Çoğu durumda, salınım voltajı yükselmesi etkili bir şekilde bastırılabilir ve Şekil 3'te gösterildiği gibi devre verimliliği iyileştirilebilir.
Bununla birlikte, bu bastırma önlemi, transformatörün kendi kaçak endüktansının etkisini dikkate almamaktadır.Yüksek transformatör kaçak endüktansı veya rezonant endüktans olarak transformatör sızıntı endüktansının kullanılması durumunda, kelepçe diyotu ikincil yan komütasyon salınımını ve yüksek voltaj ve büyük akım giriş koşullarını bastıramaz. Düşük D5 ve D6 iletim akımı çok büyük, ısı ciddidir ve kelepçe diyotu kolayca zarar görebilir.Bu nedenle, birincil tarafta kullanılan kelepçe diyotuna bağlı olarak, salınımı ve transformatörün kaçak endüktansını bastırmak için tam dalga doğrultucu devresine bir RCD absorpsiyon devresi eklenir. Daha büyük durumlarda, doğrultucu diyotun voltaj yükselmesinin eşiği aşmamasını hala sağlayabilir.Aynı zamanda, deneyler, kelepçe diyotunun açık akımının azaltılabileceğini ve güvenilirliğinin artırılabileceğini göstermiştir.
Kullanılan RCD absorpsiyon devresi Şekil 4'te gösterilmektedir. Rezonans oluştuğunda, Lleak kaçak indüktansındaki toplam enerji, harici absorpsiyon kapasitansı Cs ve diyot parazitik kapasitans CT tarafından absorbe edilir.Cs genellikle CT'den çok daha büyük olduğu için, kaçak indüktansın çoğu Cs'nin enerjisi, absorpsiyon diyotu Ds1 (veya Ds2) üzerinden akar ve Cs tarafından emilir.Cs üzerindeki voltaj hızlı bir şekilde istenen voltaj tepe noktasına ulaşır ve daha sonra Cs tarafından absorbe edilen enerji, direnç Rs'yi serbest bırakarak tüketilir, böylece Cs boyunca voltaj yavaşça düşerek bastırma elde edilir. Salınımın amacı.
Diyot boyunca voltaj yükselmesi için cihaz kılavuzundaki voltaj gerilimi gereksinimlerini karşılamak için, absorpsiyon kapasitörünün Cs tepe voltajı mümkün olduğu kadar azaltılmalıdır; aynı zamanda, verimliliği artırmak için direnç Rs'de tüketilen enerjiyi mümkün olduğunca azaltmak için, kapasitör Cs ve direnç Rs olmalıdır. Aşağıdaki koşullar:
Yukarıdaki formülde, kaçak endüktans değeri Lleak ölçümle elde edilebilir ve ters geri kazanım akımı cihaz kılavuzu ile sağlanabilir Uygun kapasitans Cs, soğurma kapasitörünün her iki ucunda beklenen voltaj tepe değeri Yukarı ayarlanarak hesaplanabilir.
Kapasitör deşarj formülüne göre:
Yukarıdaki formülde Uout, konvertörün ortalama çıkış voltajıdır ve kondansatör boşalma süresi t, çalışma frekansı ve görev döngüsüne göre elde edilebilir Özet olarak, RCD devre direnci ve kapasitans parametreleri formül (12) ila (14) ile hesaplanabilir.
3 Sonuç analizi
Yukarıdaki matematiksel modelin doğruluğunu ve RCD absorpsiyon devresi parametrelerinin hesaplama yönteminin uygulanabilirliğini doğrulamak için Sabre simülasyon yazılımı ve oluşturulan prototip üzerinde deneyler yapılmıştır. Bu yazıda tasarlanan DC / DC dönüştürücünün topolojisi, birincil taraf faz kaydırmalı tam köprü / ikincil taraf tam dalga doğrultusudur.Devre parametreleri aşağıdaki gibidir: nominal güç 500 W, nominal giriş 380 VDC / 1,32 A, nominal çıkış 12 V / 42 A, Harici rezonans indüktör 22 H, anahtarlama frekansı 100 kHz; RCD devre parametreleri: Rs 500 , Cs 220 nF'dir.
Şekil 5, Sabre simülasyonu altında RCD devresinden önceki ve sonraki doğrultucu diyotun voltaj dalga formlarının karşılaştırmasını göstermektedir.RCD soğurma devresi kullanıldıktan sonra rezonans voltajının tepe değerinin 82,5 V'den 52,4 V'a düştüğü, yani yaklaşık% 37 oranında azaldığı şekilden görülebilmektedir.
Şekil 6, Sabre simülasyonu altında elde edilen birincil-taraf kıskaç diyot iletim akımının karşılaştırma dalga biçimlerini göstermektedir.Şekilden, karşılık gelen iletim akımı tepe değerinin 0,305 A'dan 0,1 A'ya düştüğü, yaklaşık 2/3'lük bir düşüşün, kelepçe diyotunun ısınmasını açıkça iyileştirebileceği görülebilir. , Güvenilirliğini artırmak için.
Aynı zamanda prototip ortamında, çıkış yükü 12 V / 10 A olduğunda, doğrultucu diyotun voltaj dalga formu ve RCD devresinden önce ve sonra emici kapasitör Cs boyunca voltaj, Şekil 7 ve Şekil 8'de gösterildiği gibi ölçülür. Karşılaştırma, RCD devresinin kullanılmasından önce ve sonra voltaj yükselmesinin olduğunu gösterir. 58 V, transformatörün kendi sızıntı endüktansının neden olduğu rezonansı etkili bir şekilde bastırarak% 24.1'lik bir azalma ile 46.7 V'a düşürülür.
Şekil 8'den, sabit durumda absorpsiyon kapasitörünün Cs'nin en yüksek voltajının 48,8 V olduğu ve en düşük voltajın 42,4 V olduğu görülebilir; bu, voltajı doğrultucu diyot boyunca etkili bir şekilde kelepçeleyebilir ve doğrultucu diyotun voltaj gerilimi gereksinimlerini karşılayabilir.
Şekil 6'daki birincil kelepçe diyotunun iletim akımını karşılaştırarak, tasarlanan RCD emme devresi, birincil kelepçe diyot iletim akımını büyük ölçüde azaltabilir ve yüksek akım ve yüksek voltaj koşulu altında kelepçe diyotunun şiddetli ısınmasını etkili bir şekilde iyileştirebilir. Aynı zamanda, diyot boyunca voltajın ve absorpsiyon kapasitörünün voltaj dalga formunun analizinden elde edilebilir.Primer tarafta kelepçe diyotu kullanılsa bile, seri rezonans endüktansının rezonans üzerindeki etkisi azaltılabilir, ancak doğrultucu diyot üzerindeki voltaj yine de büyük bir voltaja sahip olacaktır. Tepe; RCD soğurma devresini benimsedikten sonra, doğrultucu diyotun her iki ucundaki gerilim yükselmesi yaklaşık 1/4 oranında azaltılabilir, bu da transformatör kaçak endüktansının salınımlı gerilim yükselmesi üzerindeki etkisini etkili bir şekilde bastırır, doğrultucu diyotun çalışma durumu altındaki gerilim gerilimini büyük ölçüde iyileştirir ve bastırır Salınımın çok iyi bir olumlu etkisi vardır.
4. Sonuç
Bu makale ilk olarak, ikincil tarafta tam dalga düzeltmeyi kullanarak faz kaydırmalı tam köprü ZVS topolojisi komütasyon sürecindeki salınım mekanizmasını ve sürecini analiz eder ve daha sonra salınım önlemlerinin bastırılması için teorik bir temel oluşturmak için eşdeğer devresini ve matematiksel modelini kurar; Salınımları bastırmak için ortak birincil yan kenetleme diyotlarının avantaj ve dezavantajları incelendi.Bu temelde, devrenin büyük trafo kaçak endüktansı olan uygulamalara uygun hale getirilmesi için bir RCD soğurma devresi eklenmesi önerilmiş ve RCD devre parametrelerinin ayrıntılı bir hesaplama süreci verilmiştir; Yukarıda belirtilen modelin doğruluğunu ve hesaplama yönteminin uygulanabilirliğini doğrulamak için Sabre simülasyon yazılımı ve 500 W prototip platformu üzerinde deneyler gerçekleştirildi: tasarlanan RCD absorpsiyon devresi, birincil kelepçe diyotunun açık akımını büyük ölçüde azaltabilir ve aynı zamanda Salınımları ve voltaj yükselmelerini bastırmanın çok iyi bir olumlu etkisi vardır.
Referanslar
Yang Zhihua, Anahtarlamalı güç kaynağında voltaj dalgalanması ve diyot geri kazanımının kaybı İletişim güç teknolojisi, 1998 (12): 5-8.
FATHY K. Yüksek frekanslı kaçak indüktör indüktörünün desteklediği DC bara serisi anahtar paralel kapasitör kenar rezonans engelleyicili yeni bir yumuşak anahtarlamalı PWM tam köprülü DC / DC dönüştürücü. CES / IEEE 5. Uluslararası Güç Elektroniği ve Motior Kontrol Konferansı, 2006.
Ruan Xinbo, Yan Yangguang.DC anahtarlama güç kaynağının yumuşak anahtarlama teknolojisi Beijing: Science Press, 2000.
Liu Shenyue, Wang Shuqiang, Wang Liwei, ve diğerleri DC / DC dönüştürücü çıkış doğrultucu köprüsünün parazitik salınımının mekanizma analizi ve bastırılması. Power Electronics Technology, 2009, 43 (10): 83-85.
Pi Zhijun Faz kaydırmalı tam köprülü ZVS dönüştürücünün doğrultucu köprüsünün parazitik salınımının bastırılması Power World, 2006 (6): 1-4.
Chen Qianhong, Yin Lanlan, Wang Jian, vd.Diyot ve akım trafosu ile sabitlenmiş faz kaydırmalı tam köprü DC / DC dönüştürücü.Çin Elektrik Mühendisliği Bildirileri, 2008 (15): 23-31.
Zhang Wubin, Lu Guofang.Faz kaydırmalı tam köprü doğrultucu diyotların voltaj yükselmeleri ve salınımları üzerine araştırma.Elektronik Tasarım Mühendisliği, 2016, 24 (1): 191-193.
yazar bilgileri:
He Dewei, Shi Chun, Wu Gang
(Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Okulu, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Hefei 230026, Anhui)
