Convertitori ad impulsi con carico leggero

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Convertitori ad impulsi con carico leggero

Nella documentazione tecnica sui chip dei controller dei convertitori ad impulsi possono essere trovate intere sezioni modalità dedicata carico “ligth” (carico leggero), in cui la corrente di uscita è notevolmente inferiore a quella nominale o inesistente. I controller moderni con carico leggero possono funzionare in modalità continua, modalità Burst, modalità di conduzione discontinua, modalità di conduzione continua forzata e altre modalità meno comuni. Alcuni chip supportano diverse modalità operative, che consentono di ottimizzare le caratteristiche del convertitore in base alla situazione specifica.

La presenza di molte opzioni mostra che il lavoro sotto carico leggero ha le sue caratteristiche. Nella letteratura specializzata in materia, si vede che tutti gli autori distinguono due modalità di funzionamento dell’unità di potenza, a seconda della natura della corrente (o flusso) dell’induttore di alimentazione (figura 1). A CCM (modalità conduzione continua) la corrente nell’induttore scorre per l’intero periodo di conversione, in contrasto al modo discontinuo DCM (modalità conduzione discontinua), in cui la corrente nell’induttore è assente per qualche tempo. E se non c’è alcun problema con l’analisi dei processi elettrici in una modalità continua, non si può dire la stessa cosa in modalità discontinua, i processi in questo regime sono molto più complicati e, quindi i più non considerano questo problema o forniscono spiegazioni complesse e oscure di ciò che sta accadendo nella parte di potenza del circuito.

Figura 1  Flusso magnetico in modalità continua e discontinua.

Quindi qual è la caratteristica del carico leggero?

Dopotutto, se non ci sono problemi quando si converte il 100% della potenza, allora perché compaiono quando si converte l’1%?

Nel mondo reale, questo di solito non accade. Se la borsa non si strappa quando contiene 10 kg, non si romperà se contiene solo 100 g Allo stesso modo, se un camion con una capacità di carico di 3 tonnellate viene caricato con un sacco del peso di 30 kg, non ci dovrebbero essere problemi nel viaggio.

Ma questo non si applica ai convertitori di impulsi. Per questi schemi, i processi per convertire l’1% della potenza sono significativamente diversi dai processi a pieno carico. E, forse, questo problema non richiederebbe un’attenzione così dettagliata se non ci fossero applicazioni che richiedono recentemente la conversione di energia bidirezionale, la cui realizzazione è impossibile senza una comprensione dettagliata delle caratteristiche del regime di carico leggero. Tra queste applicazioni ci sono convertitori di tensione CA (convertitori AC / AC), inverter di rete per impianti solari ed eolici, regolatori di potenza per dispositivi alimentati a batteria e altri.

In questo articolo esaminerò le caratteristiche del funzionamento dei convertitori di impulsi in tutte le modalità possibili, dal punto di vista della direzione del trasferimento di energia:

  • trasmissione – quando l’energia viene trasferita dall’ingresso del convertitore alla sua uscita,

  • al minimo – quando l’energia non viene trasmessa,

  • recupero – quando l’energia viene trasmessa nella direzione opposta – dall’uscita all’ingresso.

Modalità  trasmissione

Considerare il lavoro di un convertitore flyback idealizzato (assemblato con elementi con caratteristiche ideali senza perdite). Nella modalità più comune, chiamiamola modalità di trasferimento, l’energia elettrica viene trasmessa in una direzione: dall’ingresso del convertitore alla sua uscita.

In questa modalità, l’energia dalla fonte di alimentazione al carico arriva in porzioni (impulsi) del valore WIMP. Ogni secondo al convertitore passa NIMP di energia. Ogni porzione viene convertita in due fasi (Figura 2). Nella prima fase l’energia WIMP tramite l’interruttore chiuso S1 è trasmesso dal campo elettrico nel condensatore C1 al campo magnetico dell’induttore L1, nella seconda fase il campo magnetico L1 attraverso l’interruttore chiuso S2 si riversa nel campo elettrico del condensatore C2.

Figura 2. Modalità di trasmissione.

Il carico collegato all’uscita del convertitore consuma energia dal condensatore C2 ad una velocità PH . La quantità di energia nel condensatore WC2 e la tensione sulle sue piastre sono correlate:

(1)

dove

UO – tensione sul condensatore C2, uguale alla tensione di uscita del convertitore;
СC2 – capacità del condensatore C2.

La maggior parte dei convertitori stabilizzano la tensione di uscita, supportandola, e quindi la quantità di energia nel condensatore C2, è costante. Ovviamente, per questo, la seguente condizione deve essere soddisfatta:

(2)

Se la condizione (2) non è soddisfatta, allora la quantità di energia nel condensatore C2 potrà continuare ad aumentare (se PH<WIMPNIMP) o diminuire (se PH> WIMPNIMP) fino a quando si stabilisce un nuovo equilibrio ( PH= WIMPNIMP= 0), o qualcosa non si rompe, perché un costante aumento di tensione sul condensatore porterà prima o poi alla rottura del dielettrico.

Sotto carico leggero, la potenza PH tende a zero, quindi per evitare l’aumento della tensione di uscita, il controller deve ridurre NIMP o WIMP , o entrambi.

È più semplice per il controller modificare l’IMP . In questo caso, in condizioni di carico normale, il numero di impulsi corrisponde alla frequenza di conversione (NIMP= fPR), e per carichi leggeri, una parte dei cicli viene saltata (NIMF<fPR). Questa modalità è definita modalità di salto dell’impulso. Tuttavia, se WIM è diminuito, l’uscita delle pulsazioni si porta in bassa frequenza (Figura 3), il che in alcuni casi è inaccettabile. Pertanto, con il carico leggero è anche desiderabile ridurre la quantità di energia WIMP convertita per ciclo.

Figura 3. Modalità salto di impulsi.

Consideriamo cosa influenza il valore WIMP . L’ingresso di energia nel trasformatore L1 si verifica quando è collegato al condensatore C1 tramite il suo tasto S1. Sappiamo che al momento della chiusura del tasto S1 dopo il precedente ciclo di conversione ci sia una certa quantità di energia WHF:

(3)

dove

ФMIN – il flusso magnetico del circuito magnetico al momento della chiusura di S1;
AL – è il parametro di progetto del circuito magnetico, solitamente utilizzato per calcolare l’induttanza L dei suoi avvolgimenti (L = N2AL, dove N è il numero di giri).

Figura 4.Parametri del flusso magnetico del trasformatore.

Il tasto S1 è chiuso per un tempo t1 in cui nell’avvolgimento W1 di L1 viene applicata la tensione di ingresso UBX , sotto l’azione della quale, secondo la legge di Faraday, il flusso magnetico nell’induttore viene cambiato di una quantità ΔФ

(4)

dove N1 è il numero di giri dell’avvolgimento W1.

Quindi, quando viene aperto il tasto S1, il flusso magnetico nel trasformatore raggiungerà il valore ФMAX :

(5)

che corrisponde all’energia WMAX:

(6)

Sottraendo (6) l’energia magnetica al momento della chiusura della chiave S1 (3), si ottiene la quantità di energia trasmessa nel trasformatore dal condensatore C1:

(7)

dove ФСР = valore medio del flusso magnetico nell’intervallo t1 :

(8)

La formula (7) mostra che la potenza assorbita dal carico influenza i parametri del flusso magnetico nel trasformatore. Per ridurre il WIMP sotto carico leggero, è necessario ridurre la costante ΦCP o le componenti variabili ΔF del flusso magnetico.

Il valore di ΔΦ è determinato da (4). Tra tutti i componenti di questa formula, il controller può solo modificare la durata t1 , perché in quasi tutti i convertitori il tasto S1 è controllato. Tuttavia, la tensione di uscita dipende anche da t1 , che è definita per il convertitore flyback dalla formula:

(9)

dove

N2– numero di spire dell’avvolgimento W2
t2 – durata dello stato chiuso del tasto S2

Pertanto, al fine di garantire che la tensione di uscita non cambi, insieme a t1 è necessario cambiare t2 in modo che il rapporto t1/ t2 rimanga lo stesso (Figura 5). Ma quando si utilizza un diodo a semiconduttore non controllato come chiave S2, la possibilità di controllare la durata t2 è impossibile. E anche se t2 diminuisce automaticamente e il controllore può fornire il rapporto desiderato t1/ t2, tutti uguali, per ridurre t1, anche con t2, è possibile solo entro certi limiti. Prima o poi arriverà un momento in cui t1 o t2 sarà inferiore al tempo necessario per cambiare le chiavi, perché in pratica non sono ideali.

Figura 5. Flusso magnetico in modalità discontinua.

Risulta che in un modo discontinuo, che viene utilizzato in questo metodo di regolazione, l’inverter non può, in linea di principio stabilizzata tensione a vuoto quando PN= 0, t1= 0 e t2= 0. Se il controller non supporta impulso aggiuntivo modalità discontinua , quindi la parte di potenza deve necessariamente avere un carico minimo, al quale è ancora possibile mantenere in qualche modo la tensione di uscita entro i limiti richiesti, altrimenti non sarà controllabile. Per fare ciò, l’output è solitamente caricato con un resistore di perdita per avere il carico minimo.

Modalità al minimo

In accordo con (7) e (9), il supporto del regime di carico leggero può essere garantito diminuendo il valore medio del flusso magnetico ΦCP , preferibilmente senza cambiare t1 e, di conseguenza, ΔΦ. Secondo (5), l’elemento mobile ΔФ determinato considerando il segno del flusso magnetico, tuttavia, se si tiene ФMIN = –ФMAX , quindi, dalla formula (8), si ottiene FCP= 0 per valori arbitrari di ФMIN e ФMAX .

Cosa ci dà questo?

La componente variabile del flusso magnetico ΔΦ dipende dal rapporto tra le tensioni all’ingresso e all’uscita del convertitore; da UIN/ UOUT , secondo (9), dipende da t1 , e su di esso, secondo (4), ΔΦ. Pertanto, ΔF durante il funzionamento del convertitore è in realtà determinato dal loop di stabilizzazione della tensione. Se il 100% del convertitore di potenza opera in modalità- Break (FINIZ> 0), il carico diminuendo valore attuale PSTART e PCON sono ridotte dello stesso importo senza cambiamenti Af. Questi processi avvengono purché FINIZ non raggiungerà il valore zero (Figura 6).

Da questo momento il convertitore passa alla modalità di carico leggero e il suo ulteriore funzionamento dipende già dalla base dell’elemento della sezione di potenza.

Figura 6 Flusso magnetico quando la corrente al carico diminuisce.

Se il tasto S2 è un diodo semiconduttore non controllato, l’inverter entra in modalità discontinua in cui Af e FSR sono ridotti contemporaneamente riducendo t1. Ma se i tasti S1 e S2 sono in grado di passare corrente in entrambe le direzioni, per esempio, quando costituiti da MOSFET, l’inverter entra in una modalità di conduzione continua forzata. In questa modalità, la componente variabile di ΔF non cambia e la diminuzione della potenza convertita si verifica solo a causa di una diminuzione di ΦCP.

Figura 7. Funzionamento del convertitore inattivo.

Un’ulteriore diminuzione della corrente di carico porterà ad uno spostamento ancora più grande del flusso magnetico nella regione negativa. Quando il carico è completamente disconnesso, l’inverter andrà in modalità inattiva, la cui caratteristica è l’osservanza dell’uguaglianza ФMAX= -ФMIN. In questa modalità, lo scambio di energia tra i condensatori C1 e C2 avviene nel valore WXX (Figura 7):

(10)

Alla chiusura dell’interruttore S1 energia WXX del primo induttore L1 viene trasferita al condensatore C1 fino a che il flusso raggiunge lo zero, l’induttore L1 e scaricata. Dopodiché, sotto l’azione della tensione sul condensatore C1, l’energia fluirà nuovamente nell’acceleratore, ma già con una polarità diversa del flusso magnetico. Nel momento in cui si apre l’interruttore S1, il trasformatore L1 conterrà l’ energia WXX che, dopo aver commutato gli interruttori S1 e S2, sarà trasmessa al condensatore C2. Nel mezzo del secondo stadio della trasformazione, dopo che il il nucleo magnetico è stato completamente scaricato, sotto l’influenza della tensione sul condensatore C2 il flusso magnetico cambierà nuovamente il segno e la bobina inizierà a assorbire energia dal condensatore C2.

Un evidente vantaggio della conduttività continua forzata sotto carico leggero è la completa controllabilità del convertitore. In questa modalità, la durata t1 e t2 non dipendono dalla corrente di carico, che fornisce la regolazione più efficace della tensione di uscita, in contrasto con la modalità burst e la modalità salto d’impulsi. Gli svantaggi includono le maggiori perdite dovute alla conversione dell’energia forzata WХХ, che per alcune applicazioni può essere un problema serio.

La modalità di conduttività continua forzata è possibile solo nei casi in cui gli interruttori S1 e S2 forniscono flusso di corrente in entrambe le direzioni, perché con flusso magnetico variabile, in conformità con la legge della corrente totale, anche la corrente negli avvolgimenti sarà variabile. Per il convertitore flyback considerato, in cui la corrente fluisce sempre attraverso un solo avvolgimento, la relazione delle correnti I1 e I2 degli avvolgimenti W1 e W2 al flusso magnetico F sarà determinata dalle formule:

(11)

Solo il MOSFET può essere pilotato per far passare la corrente in entrambe le direzioni, quindi la modalità di conduttività forzata continua è possibile solo nei convertitori sincroni basati su questo tipo di dispositivi a semiconduttore (Figura 8). Se almeno uno dei S1 e S2 si basa su transistori bipolari, IGBT, diodi o altri elementi, in cui la corrente può fluire solo in una direzione per implementare una modalità di conduzione continua forzata è necessario adottare misure supplementari.

Figura 8. Convertitori sincroni e non sincroni

Inoltre, il ruolo dei condensatori C1 e C2 diventa ovvio, che agiscono non solo come filtri, ma anche come dispositivi di accumulo di energia, fondamentalmente necessari per il funzionamento sotto carico leggero.

Modalità recupero

E cosa succederebbe se il valore medio del flusso magnetico ФСР avrà un segno opposto ΔФ , per esempio, se ФMAX< 0 e ФMIN< 0 , quando la condizione ФMAX< ФMIN ? In questo caso, secondo (7), WIMP<0, e l’energia attraverso il convertitore andrà nella direzione opposta dall’uscita all’ingresso (Figura 9).

Figura 9. Modalità di rigenerazione.

Quando un tale regime è necessario?

Ad esempio, se l’ingresso del convertitore è collegato al bus di sistema e l’uscita alla batteria che contiene la riserva di alimentazione di emergenza (Figura 10). In modalità normale, il sistema è alimentato dalla sorgente principale e il convertitore esegue la funzione del caricabatterie, mentre l’energia viene trasferita dall’ingresso all’uscita del convertitore, che corrisponde alla modalità di trasmissione. Se la batteria è carica, l’energia non viene trasmessa da nessuna parte e l’inverter è al minimo. In caso di interruzione di corrente, l’energia della batteria viene inviata al bus di alimentazione attraverso il convertitore che funziona in modalità rigenerativa, fornendo energia al carico.

Figura 10. Esempio di funzionamento del convertitore in tre modalità.

Va notato che la transizione da una modalità all’altra è automatica, senza alcuna partecipazione da parte del controllore, il cui compito principale in questo caso è solo quello di mantenere il rapporto desiderato t1/ t2 in modo che, in base a (9), fornire sia la richiesta valore UIN/ UOUT o la corrente di carico richiesta.

Conclusione

Per garantire che la modalità di carico leggero non crei problemi, il flusso magnetico dovrebbe essere in grado di cambiare la sua polarità.

Con la conversione DC / DC, questo è più facile da fornire con convertitori sincroni basati su MOSFET. Inoltre, questo viene eseguito automaticamente nei convertitori AC / AC, perché in essi il flusso di corrente alternata attraverso gli interruttori di alimentazione, tuttavia, come il lavoro sul carico reattivo, è un prerequisito. In altri casi, è necessario studiare attentamente la modalità di carico leggero per garantire la precisione richiesta, l’affidabilità, l’efficienza e altre caratteristiche del convertitore.

Elenco delle fonti

In passato mi hanno fatto notare che non cito le mie fonti, ora per il futuro, per quanto possibile, cercherò di citare le fonti.

  • Kadatsky AF, Rusu A.P. Analisi dei principi di costruzione e modalità di funzionamento dei convertitori di energia elettrica pulsata // Elettronica di potenza pratica.- 2016. – No. 2 (62).- P.10 – 24.
  • Kadatsky AF, Rusu A.P. Analisi dei processi elettrici e magnetici nelle strozzature di convertitori di energia elettrica a impulsi // Tecnologia e progettazione di apparecchiature elettroniche (TCEEA) – 2016. – № 6.- P.17 – 29.
  • Rusu A.P. Trasformazione pulsata di corrente alternata / / Radio Lotsman – 2017. – № 6.- P.24 – 32.
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