Rezonáns és kvázirezonáns kommutáció

A modern teljesítményelektronika egyik fő kihívása, hogy minél kisebb méretben kerüljön előállításra az energia átalakító áramkör, amelynek induktív és kapacitív elemei minél nagyobbak kell, hogy legyenek a megfelelő minőségű szűrést biztosítandó. Ezeknek az elemeknek a mérete nagy kapcsolási frekvencia alkalmazásával csökkenthető. A kapcsoló üzemben működő konverterek kapcsolóeszközein releváns a kommutáció során létrejövő teljesítmény veszteség (5.40. ábra), különösen igaz ez nagy frekvenciával történő kapcsolást alkalmazva.

5.40. ábra. Snubber áramkörrel ellátott kapcsolóelem kapcsolási teljesítményvesztesége A nagy frekvencián megnövekedett veszteségek csökkentése érhető el rezonáns kommutációs energiaátalakítót alkalmazva. Az ilyen típusú konvertereknél a kapcsolóelem kapcsolása olyankor történik, amikor a kapcsolóelemen eső feszültség nulla (ZVS: Zero voltage switching) vagy a kapcsolóelemen átfolyó áram értéke nulla (ZCS: Zero current switching). Ez az úgynevezett soft-switching vagy lágy kapcsolás, amelynek során a vezetésből adódó teljesítményveszteség nulla (5.41.

ábra). A teljesítményveszteséggel történő kapcsolás a hard-switching kapcsolás, melynek során jelentős teljesítmény disszipálódik el a kapcsolóeszközön.

5.41. ábra. Hard, snubberrel történő illetve kímélő (soft) kapcsolás tranziensei az U-I síkon A rezonáns konverterek úgynevezett rezonáns kommutációval működnek, amelyekben a kommutációhoz használt rezgőkört az L és C elemek biztosítják. Az L és C elemek elhelyezkedése alapján a hagyományos konvertereknek három fő kialakítása létezik:

• a soros R-C, ahol a terheléssel sorban van a L-C rezonáns kör,

• a párhuzamos R-C, ahol a terheléssel párhuzamosan van a L-C rezonáns kör kondenzátor tagja, illetve a

• soros-párhuzamos R-C

A rezonáns konverterben a teljes hidas vagy félhidas kapcsolás biztosítja a kétirányú áramot.

156

Az 5.42. ábra által ismertetett soros elrendezésű rezonáns DC-DC konverter teljes hidas kivitelben. A hagyományos DC-DC konverterhez hasonlóan négyszögű feszültség előállítása történik meg a kapcsolók segítségével. Ez a négyszögjel elindítja a rezgőköri rezonanciát, amely szükséges a kímélő (soft) kapcsoláshoz. A rezonáns áramkör áramát egyenirányítva egyenáramú terhelés táplálható meg.

5.42. ábra. Soros elrendezésű rezonáns DC-DC átalakító teljes hidas kivitelben

Az áramköri elemek által alapján megállapítható rezonancia frekvencia (fr) és a kapcsolási frekvencia (fs) egymáshoz vett viszonya befolyásolja a konverter működését.

1

r 2

f = π L C _(5.104)

A teljes hidas konverter esetében a Q1 és Q4 kapcsolók vezetése esetén pozitív feszültség kerül a rezgőkörre. Ha a rezgőkör időállandója kisebb, mint a Q2 és Q3 kapcsolók átkapcsolásának időpontja vagy több rezgési ciklus után éppen nem a Q1 és Q4 vezet, akkor negatív áram folyik a D1 és D4

diódákon. Ebben az esetben az ellenpárhuzamos diódákon folyó áram miatt, a Q1 és Q4 kapcsolók nulla átfolyó áram alatt kapcsolhatók ki kímélő, „soft-switching” módon (5.43. ábra). Ezt követően negatív feszültség jelenik meg a bemeneten a Q2 és Q3 kapcsolók „hard” módon történő kapcsolásával, majd ezeknek a kikapcsolása is az előzőekkel megegyező módon történik a D2 és D3

dióda vezetése alatt.

157

5.43. ábra. A Q1 és Q4 IGBT-k kímélő kikapcsolásának időintervalluma

Az áram késik a feszültséghez képest, ha a rezgőkör rezgési frekvenciája kisebb, mint a kapcsolási frekvencia vagy nagyobb, és több rezgési ciklus után éppen pozitív áram vezetése alatt történik a Q1

és Q4 kapcsolók „hard” módon történő kikapcsolása. Ekkor Q1 és Q4-től a vezetést a D2 és D3 diódák veszik át, így ekkor nulla átfolyó áram mellett kapcsolhatók be a Q2 és Q3 kapcsolók (5.44. ábra).

5.44. ábra. A Q2 és Q3 IGBT-k kímélő bekapcsolásának időintervalluma

A „hard” bekapcsolás elkerülhető a kapcsolókkal párhuzamosan használt kondenzátorok beillesztésével, amely megoldás azt használja ki, hogy a kondenzátor feszültsége ugrásszerűen nem tud változni, így a kommutáció nem Ube, hanem annál lényegesen alacsonyabb feszültségen fog történni.

A rezonáns konverterek esetében az 5.43. ábra által ismertetett kapcsolási technikát hívják ZCS, azaz nulla átfolyó árammal véghezvitt kapcsolásnak, míg ZVS, azaz nulla feszültség mellett történő kapcsolás történik abban az esetben, mikor az áram késik a feszültséghez képest (5.44. ábra).

A 5.45. ábra ismerteti a párhuzamos elrendezésű rezonáns DC-DC átalakító felépítését.

158

5.45. ábra. A párhuzamos elrendezésű rezonáns DC-DC átalakító felépítése

A párhuzamos elrendezésű konverter néhány jellemzőjét tekintve eltér a soros elrendezésűtől. Ilyen tulajdonságok például, hogy a párhuzamos konverter kimeneti szűrője induktív bemenetű.

Mindkét típusú konverter esetében kétfajta üzem alakulhat ki. Ez a kapcsolási és a rezgőkör rezgési frekvenciájától függnek, így ha a kapcsolási frekvencia kisebb, mint a rezonancia frekvencia fele, akkor szaggatott vezetési üzemmódba kerül a konverter (DCM – Discontinuous conduction mode).

5.46. ábra. A szaggatott vezetési üzemmód szemléltetése rezonáns átalakítók esetén A rezgőkörben elhelyezkedő kondenzátor pozitív feszültségre töltődik a terhelés felé folyó áram hatására. A vissza irányú áram hatására csökkenő, de pozitív feszültségű marad, így az újabb pozitív félperiódusban a kialakuló potenciálviszonyok miatt nem tud az áram a terhelés felé folyni a diódákon, míg a kapcsoló már kikapcsolt állapotban van, így kialakul a szaggatott vezetés.

Ha a kapcsolási frekvencia a rezonancia frekvencia felénél nagyobb értékű, akkor folytonos áramvezetés alakul ki (CCM – Continuous conduction mode).

159

5.47. ábra. A folytonos áramvezetési üzemmód szemléltetése rezonáns átalakítók esetén Előnye a váltakozó áram kimenetű rezonáns konvertereknek, hogy nincs harmonikus a rezgőkör után mivel szinuszos feszültség vagy áram keletkezik.

Hátrány, hogy a négyszögjel értékénél nagyobb csúcsértékek jelennek meg a szinuszoidális jelformát generáló rezgőkörnek köszönhetően, ebből következően nagyobb terhelhetőségű kapcsolóeszközökre van szükség a konverterben. A rezonáns kör szignifikáns mértékű energiát keringtet, ami a rezonáns konverterek hatásfokát rontja.

5.5.1.A kvázirezonáns kommutáció

A kvázirezonáns kommutációval működő konverterekben - hasonlóan a rezonáns konverterekhez - a kapcsolási veszteségek csökkentése érhető el. Ez lényegében egy ISZM konverter kapcsolójának rezonáns kapcsolóval történő helyettesítésével tehető meg. Hívják az ilyen típusú konvertereket angolul „resonant-switch” konvertereknek is.

A kvázirezonáns kommutációval rendelkező tápegységekben szintén található egy rezgőkör, amelyre feszültséget kapcsolva megindul a rezgőköri rezonancia. Azonban a rezonancia nem folyamatos, ugyanis amint nulla a feszültség vagy az áram a kapcsolóelemen, megtörténik annak lekapcsolása.

Erre utal a kvázirezonáns elnevezés is, hogy a rezonáns konverterekkel ellentétben itt nem másik ágba kerül át a vezetés, hanem megszűnik, hasonlóan egy szaggatott üzemmódban működő rezonáns konverterhez.

Ha a kapcsolóelem egyirányú, akkor csak a terhelés felé folyó áramot tudja átengedni, így a rezgés csak a pozitív félperiódus végéig tart. Ekkor úgynevezett „half-wave” üzemmódban működik a konverter, azonban ha a kapcsolóval ellenpárhuzamosan dióda is van az áramkörben, akkor teljes hullámú vagy „full-wave” üzemmódban tud működni. Ebben az esetben a rezgés a negatív félperiódus után áll le.

A 5.48. ábra egy „full-wave” üzemmódban működő DC-DC buck konverter kapcsolását ismerteti, amellyel ZCS, azaz nulla átfolyó árammal történő kapcsolást lehet megvalósítani.

160

5.48. ábra. Egy „full-wave” üzemmódban működő DC-DC buck konverter

A hard módon történő bekapcsolást követően a kikapcsolás az Lr-Cr rezgőkör időállandójától függően az átfolyó áram negatív félperiódusában tehető meg, mikor az ellenpárhuzamos dióda átvette a vezetést a kapcsolóelemtől. Ilyenkor nulla áram mellett történik a kikapcsolás (ZCS), tehát egyszer történik csak kímélő (soft) módon a kapcsolás.

5.49. ábra. Kímélő (soft) kikapcsolás kvázirezonáns átalakítók esetén

Rögzített bekapcsolási, ugyanakkor változó kikapcsolási idővel működik a konverter, hiszen mindig a rezgés negatív félperiódusának idejéig tart a bekapcsolás, míg az újbóli hard kapcsolás tetszés szerint tehető meg. Nem előnyös a ZCS technikával történő kapcsolás teljesítmény MOSFET kapcsolóelemeket alkalmazó konverterekben, hiszen ezeknek parazita kapacitása révén nagy a kapacitív vesztesége, amely a feszültséggel arányos mennyiség. Ugyanakkor IGBT eszközöket alkalmazó konverterek vezetésből adódó veszteségeinek csökkentésére megfelelő módszer.

A kvázirezonáns konvertereknek létezik egy másik típusa, amellyel nulla feszültségesés alatt tehető meg a kikapcsolás (ZVS). Egy nulla feszültséggel történő kapcsolást megvalósító áramkört ismertet az 5.50. ábra.

5.50. ábra Egy nulla feszültséggel történő kapcsolást (ZVS) megvalósító teljesítmény átalakító áramkör

161

Az áramkör kis mértékben eltér a ZCS-t megvalósító áramkörtől, hiszen ennek rezgőköre kapacitív bemenetű. Működését tekintve azonban lényeges különbség, hogy ezt a konvertert vizsgálva a kikapcsolás történik hard, míg a bekapcsolás kímélő (soft) módon. Ebből következően rögzített a kikapcsolási idő, míg a bekapcsolási idő tetszés szerinti.

5.51. ábra. Kímélő (soft) bekapcsolás kvázirezonáns átalakítók esetén A ZVS technikával történő kapcsolás a kapacitív kapcsolási veszteséget eliminálja.

5.5.2.Rezonáns és kvázirezonáns kommutációs tápegységek

A rezonáns konverterek kimenő hullámforma alapján többfélék lehetnek. Lehetőség van rezonáns konverterrel egyen- és váltakozó áramú terhelést egyaránt táplálni. A következő típusai vannak a rezonáns konvertereknek:

• Rezonáns DC-AC átalakítók, melyek egyenáramról nagyfrekvenciás váltakozó áramú terhelést látnak el

A rezonáns kommutációval működő DC-DC konverterek általános felépítése egy egyenfeszültségű tápegység – például akkumulátor – amelyhez egy inverter kapcsolódik transzformátor kimenettel, amelyet egyenirányító és végül a terhelés követ.

A rezonáns egyenáramú átalakítóknak soros, párhuzamos és soros-párhuzamos típusa létezik a rezgőköri elemek elhelyezkedése alapján. Felépítését tekintve a nagyfrekvenciás váltakozó áram kimenetű konvertertől annyiban tér el, hogy a nagyfrekvenciás váltakozó áramú jel egyenirányításra kerül, illetve egy párhuzamosan kötött kondenzátor által a nagyfrekvenciás komponensek kiszűrésre kerülnek a jelből.

A konverterben a rezgőkör és az egyenirányító között alkalmaznak transzformátoros csatolást a közvetlen összekötés helyett. A rezgőkör után a csatolástól függetlenül az egyenirányítás is többféleképpen történhet, például hídkapcsolással vagy középpontosan lecsapolt szekunder transzformátor tekerccsel. A transzformátoros csatolás előnye – amellett, hogy izolálja a kimenetet a bemenettől – az, hogy a transzformátor menetszám-áttétellel a feszültség lecsökkenthető vagy megemelhető, mint ahogy ez a napelemről a hálózatba visszatápláló rendszereknél szükséges.

162

5.52. ábra. Rezonáns L-C egyenirányító kapcsolás

5.53. ábra. Rezonáns egyenirányító transzformátoros csatolással

5.54. ábra. Félhidas kialakítású rezonáns egyenirányító

A félhidas kialakítású konverter előnye, hogy kevesebb kapcsolóelem szükséges, hiszen két kondenzátor segítségével állítható elő a negatív és pozitív feszültség. A rezonáns kör kialakításában ezek a kondenzátorok akár részt is vehetnek, így egy ilyen kialakításban a rezgőkörből a kondenzátor elhagyható.

A soros konverter erősítési jelleggörbéit az 5.55. ábra ismerteti. Adott Q „quality factorral”

rendelkező jelleggörbe megadja a kimeneti és a bemenő feszültség hányadosát – azaz az erősítést – a kapcsolási és a rezonancia frekvencia hányadosának függvényében.

163

5.55. ábra. A soros átalakító erősítési jelleggörbéi

A rezonancia frekvencián történő kapcsolási frekvencia alkalmazása közel egységnyi erősítést eredményez, ugyanis az áramkör impedanciája ekkor minimális. Ebben az esetben a feszültség majdnem egésze a terhelésen esik és minimális a rezgőkörnek köszönhető energiaveszteség. Ettől eltérő frekvenciákon az áramkör impedanciája nő, ami azt jelenti, hogy nő a rezgőkörben cirkuláló energia mennyisége, ahelyett, hogy a terhelést táplálná.

Az ábrán látható, hogy a soros konverter jellemzően milyen működési tartományban használatos.

Mikor a kapcsolási frekvencia nagyobb, mint a rezonancia frekvencia, akkor ZVS kapcsolási módban működik a konverter, ami a MOSFET kapcsolóelemeket alkalmazó áramköröknél előnyös a kapacitív