БИБЛИОТЕКА

Магистрант: Горбанов АН

Тема: Динамические свойства полупроводниковых преобразователей

Acta Electrotechnica et Informatica No. 3, Vol. 6, 2006 1

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ ТОК С ПЛАВНЫМ ПУСКОМ С ШИМ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ФАЗОЙ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Ярослав Дудрик Кафедра Электромеханики и промышленной техники, Факультет электротехники и информатики, Технический Университет Koшице, Словацкая Республика, тел.: +421 55 602 2276, E-mail: jaroslav.dudrik@tuke.sk

РЕЗЮМЕ

В статье описан преобразователь постоянного тока в постоянный ток с плавным пуском, используя ШИМ с переменной фазой на вторичной обмотке высокочастотного трансформатора. Преобразователь состоит из мостового инвертора, оснащенного быстродействующими IGBTтранзисторами. Выходная мощность преобразователя управляется выпрямителем, выполненным из двух обратно включенных диодов последовательно с транзисторами MOSFET, подключенных на вторичной обмотке высокочастотного силового трансформатора. Эта топология позволяет легко достигнуть плавной коммутации даже при низком токе переключения. Падение проводимости существенно уменьшены по сравнению с обычными плавно переключающими преобразователями постоянного тока/ПОСТОЯННОГО ТОКА. Конвертер разработан для дуговой сварки с выходной мощностью 1.5 kW и частотой 50 кГц.

Ключевые слова: электропитание ПОСТОЯННОГО ТОКА, плавное переключение, ZCS конвертер, ZVS конвертер

1. ВВЕДЕНИЕ

Наряду с увеличивающимся спросом на применение высокомощных преобразователем плотности транзисторов предпочтительней всего являются IGBT транзисторы, чем MOSFET, в высоком диапазоне мощности. IGBT транзисторы предназначены для более высоких напряжений и токов и они имеют более низкие падения напряжения по сравнению с MOSFET. Однако, IGBT транзисторы менее быстродействующие, чем MOSFET (IGBT частота обычно ограничивается 20 - 30 кГц) из-за более высоких потерь при коммутации, которые возникают из-за обратного тока при запирании. Следовательно, если IGBT транзистор должен использоваться для более высокой частоты переключения потери при коммутации должны быть минимизированы. Решением может быть любая коммутация с нулевым напряжением (ZVS), которая выполняется, с добавлением внешнего конденсатора или коммутация(переключатель)при нулевом токе (ZCS). Переключатель нулевого тока является более эффективным, чем переключатель нулевого напряжения, т.к. начиная с остаточного тока задача может быть сведена к минимуму устраняя малый ток перед выключением. [1], [2].

Плавно переключающиеся методы, примененные к мощным конверторам привлекают большее внимание особенными преимуществами над трудно-переключенающимися методами, такие как низкая потери переключения, мощностная плотность, EMI/RFI шумовое сокращение и так далее [5], [6], [7], [8].

Большинство мостовых DC-DC преобразователей управляются схемой PWM изменением фазы. Однако преобразователи плавного пуска DC-DC PWM с изменением фазы имеют некоторые трудности, которые необходимо устранить. Потери проводимости из обычного плавно-переключенного преобразователя относительно высоки из-за оборотного протекающего тока через первичные обмотки высокочастотного трансформатора во время холостого хода. Преобразователь нуждается в большом коммутационном токе чтобы гарантировать ZVS действие. Предложенный DC-DC преобразователь может легко решить упомянутые выше проблемы. В результате, потери проводимости, вызванные обратными токами существенно уменьшены по сравнению с произведенными обычным преобразователем плавного пуска DC-DC с PWM схемой изменением фазы.

2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Tаким образом бычный основной конвертер DC-DC работает с управлением PWM с изменением фазы при постоянной частоте переключений. Величина выходного тока регулируется изменением фазы между опережающей ветвью (транзисторы VT1, VT4) и отстающей (транзисторы VT2, VT3), соответственно.

В отличии от классической PWM в данном преобразователе используется изменение фазы на вторичной обмотке высокочастотного трансформатора в преобразователе DC-DC PWM с изменением фазы. Инвертор моста VT1 - VT4 управляется с постоянной частотой переключений и без фазового сдвига между опережающей и отстающей ветвью инвертора. Так инвертор только работает с 50%-ым циклом и таким образом не может повлиять на величину выходного напряжения. Ключи S1, S2 последовательно с выходными диодами выпрямителя DU1, DU2 добавляются к вторичной обмотке силового трансформатора. Схему показано на рис. 1. Принцип действия предложенного ПОСТОЯННОГО тока конвертер описан следующим образом.

Величина выходного напряжения или тока, управляется через фазовый сдвиг между инвертором ключи VT1-VT4 и ключи S1, S2 на вторичной стороне силового высокочастотного трансформатора формы волны конвертера ПОСТОЯННОГО ТОКА со вторичным выключатели показаны на рис. 2.

Принцип действия предложенного ПОСТОЯННОГО тока конвертер описан следующим образом

Интервал t0-t1

В этом интервале первичный протекающий ток через инвертор переключает VT1, VT2, вторичный ток переключают S1 и диод DU1. Энергия переданная от входа к выходу конвертера пока транзисторы инвертора VT1 и VT2 не закроются - во время t1.

Интервал t1<t<t2

Когда инвертор переключает VT1, VT2 направленный встречно во время t1 изменившийся ток заряжает конденсаторы C1, C2 к напряжению входа ПОСТОЯННОГО ТОКА величиной Vin. Разряд повышения напряжений сборщика из VT1, VT2 замедлен конденсаторами C1, C2 и таким образом,обеспечивается выключение с малыми потерями. Первичное напряжение V1 изменяет полярность. Диод DU1 заперт когда первичное напряжение V1 изменяет полярность от положительной до отрицательный. В конце этого интервала конденсаторы C1 C2 полностью заряжаются входным напряжением Vin и конденсаторы C3 C4 разряжаются до нулевого напряжения и поэтому диоды D3, D4 открываются. Вторичные выключатели S1, S2 выключенные под ZCS и выходным током, начинается ток холостого хода через диод ND.

Интервал t2<t<t3

Интервал t3<t<t4

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Действие предложенного конвертера было проверено на лабораторном опытном образце. Результат был измерен при входном напряжении Vin=300V. Максимальная выходная мощность конвертера были 2.5 kW при частоте переключений 50 кГц.

Следующие компоненты использовались в силовом преобразователе:

Специальный контроллер PWM с изменяющейся фазой UCC 3895 осуществленный для регулирования тока преобразователя. Легкосборная система управления UC3708 с гальванической развязкой, потому что управление отношение для транзисторов - почти 50 %.

Напряжение выключателя vCE1 и поток выключателя iC1 транзистор VT1 в инверторе показаны на рис. 7. Транзистор заперт - на под нулевым напряжением коммутации. Из-за симметрии ветви транзистор VT4 работает при том же самом режиме.

Потери при коммутации гасятся на конденсаторах C1, C4 действие как нерассеивающий конденсатор.

Потери при коммутации представленны на Рис. 8. Может быть замечено, что потери при коммутации значительно уменьшенны. Только остаточный ток через транзистор создает потери при коммутации. Свойства преобразователя были проверены в для дуговой сварки, где полный диапазон тока нагрузки изменяется от холостого хода до короткого замыкания.

Рис. 9 показывает напряжение и вторичный ток через транзистор MOSFET стороны S1. Включени и выключение происходит с ZCS.

Свойства преобразователя были проверены на аппарате для дуговой сварки, где полный диапазон тока нагрузки изменяется от холостого хода до короткого замыкания.

FРис. 10 показывает динамические свойства в переход от короткого кругооборота до без груза из конвертер. В коротком кругообороте немного более высокий груз поток появляется в результате времени задержки пульс управления.

Fig. 11. Рис. 11. При номинальной выходной мощности эффективность более чем 90 %. Измеренные выходные характеристики сварщика включая добавленную характеристику дуги показаны на рис. 12. Выходное напряжение без нагрузки - 65V, которого достаточно для дуги, горящей при нормальных условиях. В рабочей области преобразователь ведет себя как регулируемый источник тока, подерживающий необходимую величину сварочного тока.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ССЫЛКИ

[1] Kozurou Harada: Analysis and Design of ZVSPWM Half-Bridge Converter, IEEE PESC Record, 1995, pp. 280-285.

[2] Masakazu Michihira: A novel quasi-resonant DC-DC converter using phase-shift modulation in secondary side of high-frequency transformer, IEEE PESC record, 1996 pp. 670- 675.

[3] M. Horvбth, J. Borka: Welding Technology and Up-to-date Energy Converters, EDPE 2005 Conference, Dubrovnik, Croatia, September 24-26, 2005. CD-Proc. E05-06.

[4] J. Dudrik: Current Source for Arc Welding, Elektro (journal), 1993, No.1, pp. 450-455 (in Slovak)

[5] I. Feтo, E. Jadroт, P. Њpбnik, Using Partial Series Resonant Converter in Heavy Duty Welder, In Conf. Proc. ELEKTRO 2001, section - Electrical Engineering. Ћilina 2001, pp.76 – 81.

[6] P. Bauer, K. Bauer: Modern Power Electronics, ISBN 909010243-4, 1996.

[7] J. B. Klaasssens, M. P. N. van Wesenbeeck, P. Bauer: Soft Switching Power Conversion; European Power Electronic Journal, Brussels, Sept.1993, Vol. 3, No. 3, pp.155-166.

[8] J. Dudrik: Soft Switching PWM DC-DC Converters for High Power Applications , Proc.of the Int. Conf. IC-SPETO 2003, Gliwice-Niedzica, Polen, 2003, pp.11-11a-11f- 12.

[9] P. Chlebiљ, J. Hrabal: Possibilities of power losses reduction in semiconductor converters In: DRIVEґ97, Ostrava, Czech Republic, 1997, pp. 83-88, (in Czech)

[10] Z.Sьtх, I. Nagy: Study of Nonlinear Dynamics of Current Controlled Converter Embedded in a General Approach of Variable Structure Systems, In:10th European Conference on Power Electronics and Applications, EPE’2003, 2-4 September, 2003, Toulouse, France. CD Rom ISBN:90-75815-07-7

4. БИОГРАФИЯ

Ярослав Дудрик получил степени магистра и доктора философии Электротехническом факультете Технического Университет Koљice, Словакии, в 1976 и 1987. Он - в настоящее время адъюнкт - профессор Электрических Разработка в Отделе Электрических, Mechatronic и Организация производства, Техническая Университет Koљice, где он занят в обучение и исследование. Его первичный интерес{процент} - власть{мощь} электроника. Область его исследования включает DC-DC преобразователи, высокой мощности с плавным переключением, преобразователи для возобновимых источников энергии и изучениея теории преобразователей. .

БЛАГОДАРНОСТИ

TЭта работа поддерживалась Научным Предоставлением Агентство Словацкой Республики согласно контракту VEGA Номер 1/2178/05.

ISSN 1335-8243 © 2006 Faculty of Electrical Engineering and Informatics, Technical University of Koљice, Slovak Republic