Belső saját kommutáció egyenáram bemenetű és kimenetű átalakítókban (egyenáramú szaggatók) (egyenáramú szaggatók)

Ebben az alfejezetben az egyen-egyen átalakítók esetében alkalmazott belső saját kommutációs eljárások legegyszerűbb esetét fogjuk ismertetni. Ez a kommutáció általában impulzusszélesség-modulációval (ISZM, az angol szakirodalomban PWM: Pulse Width Modulation) történik. A kommutáció megvalósítására használt alapáramkört már ismertette az 5.11. ábra annyi eltéréssel, hogy itt most a K teljesítmény kapcsolót egy teljesen vezérelt teljesítmény kapcsoló valósítja meg. Az impulzusszélesség-modulált működés esetén kommutációs áramkör működése T periódusidőnként megismétlődik, és ebből a vezetési (bekapcsolt állapotban töltött) idő TC

hosszúságú. Az összes többi feltételezés, amit az eddigiekben az áramkör működésével kapcsolatban tettünk, itt is érvényes marad. Több módja is van a kommutáció megvalósításának, melyekről részletes ír a szakirodalom, [8], [11], [49], [50].

Az első eset lehet a tényleges impulzusszélesség-modulációnak megfelelő kommutáció. Ez a módszer a vezetési periódusok szerint jellemezhető, figyelembe véve, hogy a T periódusidő állandó, és az energiaáram fölötti ellenőrzést a vezetési periódus hosszának változtatásával lehet elérni, amit jól érzékeltet az 5.16. ábra.

128

5.16. ábra. Az impulzusszélesség-moduláció (ISZM, PWM) elve, felül egy kisebb, alul egy nagyobb kitöltési tényezővel, a két esetben egyenlő T periódusidővel

A bekapcsolási idő TC1-ről TC2-re növelésével lineárisan növekszik a kimenő feszültség középértéke is a kimeneti áramkörben a már jól ismert összefüggésnek megfelelően:

c

smed d

U T U

= T (5.73)

Ennek a kapcsolási módszernek előnye, hogy a simító fojtótekercs egy állandó induktív reaktanciát jelent a teljes működési tartományon, állandó szűrést biztosítva az áramra vonatkozóan.

Következésképpen az áramkör működése inkább stabilizált kommutációs tápforrások kialakításánál ad elfogadható eredményt. Ha az áramkört egyenfeszültségű szaggatók esetében kívánjuk alkalmazni, akkor a terhelő áramkör kvázistabilizált üzemmódjában ajánlatos ezt megtenni.

A kapcsoló tranzisztor vezérlése relatív egyszerű, mivel csak egy fűrészfogjel-generátorra és egy komparátor áramkörre van szükség, ahogyan ez az 5.17. ábra által ismertetett struktúrán is látható. A komparátor bemeneti referencia feszültségének módosításával a tranzisztor bekapcsolási ideje változtatható és ezzel összhangban változik a kimeneti feszültség értéke is a kommutációs áramkör kimenetén. Tehát ez a rendszer úgy működik, mint egy feszültség vezérelt feszültség kommutációs rendszer, mely automatikai szempontból automatikus vezérlő rendszernek tekinthető. Amennyiben a vezérlő feszültség szintjét a kimeneti feszültség eltéréséből a kívánt vagy referencia feszültség eltéréséből állítják elő, akkor az áramkör egy stabilizált kapcsoló üzemű tápforrás végrehajtó elemévé válik, egy feszültségcsökkentő funkció megvalósítása során. Ezzel a visszacsatolással egy automatikusan szabályozott feszültség forrást kapunk. Léteznek más topológiájú feszültségemelő megoldások is, de őket csak a későbbiekben fogjuk elemezni.

129

5.17. ábra. A tényleges ISZM kommutáció vezérlő/szabályozó köre

A c(t) komparáló függvény egy állandó frekvenciájú és amplitúdójú fűrészfog jel, melyet a lineárisan változtatható feszültségű generátorból nyerünk, és egy állandó üzemfrekvenciát szolgáltat a kommutációs áramkör számára. Ennek más változatai is lehetnek, melyek különböznek az 5.17. ábra által ismertetett struktúrától. A komparátor másik bemenetén alkalmazott egyenfeszültség jel fogja meghatározni a kimeneti feszültség középértékét, tehát a vezérlő kör kimeneti jelét adja és a modulációs függvény m(t) nevet viseli. Következésképpen a vezérlőjel generálásának algoritmusa a félvezető kapcsoló számára:

( ) ( ) ( )

( ) ( )

1 0

ha m t c t

e t ha m t c t

 ≥

=  < ^(5.74)

A fenti egyenletben 1 a félvezető nyitását, míg 0 a félvezető zárását jelenti. A következő eset a belső saját kommutációs módszerek tárgyalásánál az impulzusszélesség moduláció változtatható üzemi frekvenciával vagy rövidebben impulzusfrekvencia-moduláció, amit PFM-nek hív az angol szakirodalom (Pulse Frequency Modulation). Az 5.18. ábra ennek a kapcsolási módnak az elvét ismerteti.

130

5.18. ábra. Az impulzusfrekvencia-moduláció belső saját kommutáció elve

Az impulzusfrekvencia-modulációs kommutáció kétféleképpen történhet. Első esetben a bekapcsolási idejét az elektronikus félvezető kapcsolónak állandóan tartják, és a periódusidőt szabályozzák, vagyis a működési frekvenciát. Az (5.74) összefüggésnek megfelelően, ha nő a periódus, azaz a frekvencia csökken, a relatív bekapcsolási idő csökken, aminek feszültségcsökkenési hatása van a kimeneti körben. Amikor a T = Tc-vel – ami csak elméleti esetben állhat elő – a kimeneti feszültség eléri a maximumát. A második esetben a kikapcsolási időt tekintjük állandónak és ugyancsak a periódust változtatjuk. Hogy jobban lássuk ennek a módszernek a hatását, írjuk fel újra az (5.73) egyenletet egy másik formában:

d

smed d

T T

U U

T

= − (5.75)

Ebben az esetben, ha nő a periódus, azaz a frekvencia csökken, a kommutációs áramkör kimenetén levő fesztültség növekedni fog.

A minimális működési periódus T = TL nem következik be, ami csak teoretikus lehetőség és ilyenkor a kimeneti kör feszültsége 0. A PFM módszer is automatikus vezérlési módszernek tekinthető a feszültségszabályozás szempontjából. A vezérlő impulzusok generálását egy feszültségvezérelt astabil billenő áramkörrel könnyen meg lehet valósítani, ahogy ezt az 5.19. ábra mutatja.

131

5.19. ábra. Az impulzusfrekvencia-modulációs kommutációs módszer vezérlő/szabályozó áramköre Ez a módszer is könnyedén integrálható a kapcsolóüzemű tápforrások automatikus feszültség szabályozó rendszerébe. Ebben az esetben azonban az áram simítási foka a működési frekvenciával együtt változik, aminek ellenére elég gyakran alkalmazzák egyenfeszültségű szaggató átalakítókban is az egyenáramú motorhajtásoknál főleg az indítási, fékezési vagy irányítási tranziens üzemmódoknál, ahol a tényleges ISZM szabályozás nem képes a megfelelő dinamikát szolgáltatni. Vannak olyan esetek is pl. a villamos hajtások vagy más energia átalakító rendszer alkalmazása során, amikor a feszültségszabályozás ilyen belső saját kommutációval történő megvalósítása nem elégséges és áramforrás alkalmazása is szükségessé válhat. Ennek felel meg a belső saját kommutáció harmadik formája, ahol a feszültségvezérléses ISZM kommutációt a kimeneti kör áramának automatikus szabályozására alakítják át. Ennek elvét az 5.20. ábra szemlélteti.

132

5.20. ábra. Impulzusszélesség-modulációs kommutációs rendszer áram kétpontszabályozással Ennek érdekében megmérjük a kimeneti kommutációs kör áramának pillanatértékét (im(t)) és összehasonlítjuk a referencia áram értékével (i*(t)), majd a különbség alapján generáljuk a vezérlő impulzusokat egy kétpontszabályozási struktúrának megfelelően. Következésképpen a kimeneti áram egy alsó és egy felső érték között fog váltakozni a referencia érték körül. Amennyivel kisebb az áram kétpontszabályozó hiszterézise, annyival közelebb lesz az áram az alapjel (referencia) értékéhez, de a kommutációs frekvencia megnő ebben az esetben.

Az 5.21. ábra a saját belső kommutációval megvalósított áram kétpontszabályozás tranziens folyamatát ismerteti, amikor a referencia jel 0-ról i*(t) = Iref(t) = állandó értékre változik. A két exponenciális áram görbe a rezisztív terhelés kapcsolódását, illetve bekapcsolódását ábrázolja a kapcsolódási folyamat tranziensének befejezése után. Ha a szabályozó hiszterézise ∆k, akkor a vezérlő impulzusok generálásának algoritmusát az alábbi egyenlet adja:

( ) ( ) ( )

A kétpontszabályozók által meghatározott beavatkozó jelek jelentése megegyezik a korábban tárgyaltakkal. A követési sávon belül az áram követés során a vezérlő jel változatlan marad.

133

5.21. ábra. Az áram kétpontszabályozás magyarázó ábrája a belső saját kommutáció során Figyelmesen vizsgálva az 5.21. ábra grafikonjait, könnyen megállapíthatjuk, hogy a rendszer véges teljesítményű áramforrásként működik, a legnagyobb injektálható áram a terhelés áramkörébe:

, fentiekben tárgyalt áram kétpontszabályozás esetében a bekapcsolási idő és a periódusidő automatikusan változik a referencia áramnak megfelelően. A kommutációs frekvencia maximális a közepes értékű áramreferenciák esetében, amikor a félvezető bekapcsolási ideje is azaz a relatív bekapcsolási idő is 0,5 körül van. Kisreferencia értékeknél a kommutációs frekvencia csökken a relatív bekapcsolási idő növekedése mellett. A működési frekvencia változása a kommutációs áramkörben egyik hátránya ennek a módszernek, amiért ritkán alkalmazzák őket stabilizált kapcsolóüzemű tápforrásokban, ami megtehető lenne az 5.20. ábra által ismertetett módon a külső feszültségszabályozó hurok bezárásával. A módszer azonban nagyon jól alkalmazható a villamos hajtások és az elektromos energia felhasználások területén, mivel viszonylag jó dinamikát képes szolgáltatni a szabályozott folyamatok során. Pontosítjuk, hogy ez a kommutációs kör is a (ki) bemeneti feszültséget alakítja, kommutálja a kimenetre, így a módszert ugyanúgy feszültség kommutációs módszernek nevezzük. Az áramszabályozó rendszer jelenléte által azonban a szabályozott mennyiség áram lesz. Ezért azt a megállapítást tesszük, hogy az ilyen kommutációt saját belső kommutációjú áramvezérelt feszültség szabályozásnak nevezzük.

Ezt a kommutációs módszert a technikai szakirodalomban különböző nevek alatt is megtalálhatjuk, mint Random Switching Control – RSC; vagy Bang-Bang Control az angol szakirodalomban, míg a németben Zweipunktregelung név alatt tudjuk megtalálni. A kapcsolóüzemű tápegységek számára ebben a fejezetben tárgyalt áramköröket integrált áramkörök formájában is gyártják, [19], [25], [26], [27], [99]. Kis teljesítményeken a kapcsoló teljesítmény tranzisztor is az integrált áramkörben van integrálva, míg nagy vagy közepes teljesítményekben általában külön van a teljesítménykapcsoló a vezérléstől. Mielőtt befejeznénk ezt az alfejezetet, még egyszer aláhúzzuk, hogy a vizsgált kommutációs módszerek csak egyirányú kimenő áramot biztosítanak, unipoláris feszültség mellett.

134

5.4.2.2.Belső sajátkommutáció egyenáram bemenetű és váltakozó áram kimenetű