Structuri integrate pentru aplicatii de putere SIAPdce.etc.tuiasi.ro/siap/curs/P1.pdf · 1...

1

Structuri integrate pentruaplicatii de putere

SIAP

Semestrul al 2-lea 2008 – 2009

conf. dr. ing. Mihail Florea

2

examen-1-28PLSC

Forma de verificare

Numărul de ore pe săptămânăSemestrul

Se studiaza:• elemente de electronica de putere - bazele convertoarelor cc - cc; • aspecte teoretice si practice ale modelarii convertoarelor de puterepe baza medierii retelei de comutatie, cu aplicatii la studiulfunctionarii convertoarelor in bucla inchisa, in regim dinamic; • elemente de analiza si proiectare ale unor topologii de convertoareadecvate cerintelor de alimentare impuse de evolutia circuitelor VLSI (tensiuni reduse si variatii mari si rapide ale curentului de sarcina); • topologii de convertoare cu capacitati comutate cu exemple de implementare in tehnologia CMOS;• cateva functii tipice pentru aplicatii de putere impreuna cu structurile de circuite integrate specializate care le realizeaza.

Nota finala = 0,7xEX + 0,1xLAB + 0,2xTEMA (miniproiect sau referat)

3

BIBLIOGRAFIE

1. R.W. Erickson, D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, Kulwer Academic Publisher, Norwell –Massachusetts, 2001, ISBN 0-7923-7270-0

2. M.Lucanu, Convertoare performante de c.c.,Ed. Printech, Bucureşti, 1997, ISBN 973-98255-8-4

3. Dorin O. Neacşu, Victor Donescu, Cristian Neacşu, Modelarea, simularea şi analiza convertoarelor de putere, Editura Gh. Asachi, Iaşi, 1999, ISBN 9739178626

4. V. Popescu, D. Lascu, D. Negoiţescu, Surse de alimentare întelecomunicaţii, Editura de vest, Timişoara, 2002, ISBN 973-36-0365-1

5. Note şi buletine de aplicaţii pentru produse ale firmelor Linear Tehnology, Texas Instruments, Fairchild, National Semiconductor, Maxim, Power Integrations

4

1. PROBLEME SPECIFICE ALIMENTĂRII CIRCUITELOR VLSI

Dezvoltareatehnologiilor VLSI

-Cresterea frecventei de lucru

-Cresterea densitatii de integrare

Mentinerea puteriidisipate in limiterezonabile

Scaderea tensiunii de alimentare

5

Microprocesorul

Pentium Pro

- 5,5 milioane tranzistoare

- 133 MHz;

- 3,3 V;

- 11 A

Microprocesorul

Pentium IV

-55 milioane tranzistoare;

-3,06 GHz;

- 1,5 V;

- 65 A

Tendintele petermen scurt

- < 1 V;

- 170A

6

1.1 Factori cu impact asupraperformanţelor surselor de alimentare

a) Puterea creşte pe măsură ce creşte numărul de tranzistoare şi complexitatea funcţiilor integrate

b) Capacitatea totală de poartă creşte datorită creşteriinumărului de tranzistoare

c) La o putere constantă sau crescută şi unei tensiuni înscădere îi corespunde un curent în creştere

d) Presupunând procentaje egale pentru toleranţeleadmisibile, pe măsură ce tensiunea nominală scade, se îngustează şi intervalul dintre limitele de toleranţă

7


e) Introducerea conceptului de "power management"

Controlul intern al puterii disipate a fost determinat de două aspecte:

Protectia mediului

Impunerea regimului “sleep” la care puterea absorbita din reteasa fie max. 30 W →

Necesitatea pastrarii unuirandament ridicat la sarcinireduse

Capabilitatea limitata de evacuarea caldurii prin capsula

Dynamic Execution Technology (Intel) - se întrerupe alimentareaunor blocuri funcţionale atunci cândacestea nu sunt necesare la execuţia unor instrucţiuni →

Necesitatea unui raspunstranzitoriu rapid la variatii brusteale sarcinii

8


iO

vO

VO max

VO min

VNOM

Imax

Iminsursei interiorulin disipatiW6W24P8,0;W30P

sursei interiorulin disipatiW75W375P8,0;W300P

OIN

INO

⇒=⇒=η=

⇒=⇒=η=

9


f) Elementele parazite ale componentelor devin tot maisemnificative pe masura ingustarii intervalului de tolerantaa tensiunii de iesire

V1 = 5V ± 5% → ∆V1 = 250mV; V2 = 1,5V ± 5% → ∆V2 = 75mV

I = 10A I = 65A

Rezistenta de contact Rc = 1mΩ a unui conector va produce o cadere de tensiune:

10mV – neglijabila 65 mV - inacceptabila

La un condensator electrolitic, inductanta echivalenta serie (ESL) si rezistenta echivalenta serie (ESR) pot constitui parametri maiimportanti chiar decat capacitatea.

10


Etaj convertor

de putere

LOAD

LOUT ESR

ESLvO

CB

vO

iLOAD

t

3

1

4

2

t

1 – componenta datorată ESL 2 – componenta datorată ESR 3 – dispariţia componentei ESL 4 – revenirea buclei de reglaj

Efectul elementelor parazite ale condensatorului asupra răspunsuluitranzitoriu al tensiunii de ieşire provocatde un salt al curentului de sarcină

Efectele elementelorparazite predomina fatade variatia tensiuniiprodusa prin descarcareapropriu-zisa a capacitatii

11


g) Sursa primara de energie

a) Reteaua publica de c.a. (echipamente fixe)

• Solicitarea dispozitivelor semiconductoare la tensiuni mari

• Corectia factorului de putere

• Probleme de electrosecuritate si de compatibilitate electromagnetica

• Functionarea la scurte intreruperi ale tensiunii de intrare

b) Baterii de acumulatoare (echipamente portabile)

• Randament inalt al convertoarelor de putere

• Gabarit si greutate reduse

• Managementul bateriilor

12


h) Sursele de alimentare – domeniu interdisciplinar

Probleme de marketingPerceptia clientilor despre sursele de alimentare:• prea calde• prea grele• prea mari• prea scumpe• livrate prea tarziu

Probleme de integrare intr-un sistemDefinirea specificatiilor sursei se poate realiza numai DUPA cerestul sistemului a fost complet definit. La acel moment, de obicei:• termenul de predare si bugetul proiectului au fost deja depasite• spatiul disponibil in cadrul ansamblului a fost deja ocupat

13


Competente necesare specialistului in domeniu

• analiza si proiectarea circuitelor electronice

• stapanirea conceptelor de reactie si sisteme cu mai multe buclede control

• componente magnetice

• regimul termic al componentelor electronice

• compatibilitate electromagnetica si proiectare de circuiteimprimate

• cunoasterea, interpretarea si implementarea standardelor de electrosecuritate

14

1.2 Distributia alimentarii pentru un echipament de comunicatii portabil

= Power supply; choices: (1)Nothing; (2)LDO; (3)Switcher; (4)Switched cap

15

1.3 Variante de surse de alimentareutilizabile in structura exemplificata

LDO = Low DropOut(stabilizator liniar de tensiune cu diferentain – ies redusa)

sarcina

Tranzistor regulator serie

Sursa de tensiunede referinta

• Complet integrat, simplu, nu genereaza interferenta, suprafata ocupata redusa

• Tensiunea de iesire mai mica decat cea a bateriei

• Randament ridicat NUMAI DACA Vo este apropiata de Vbat

16


FTJ

Convertor in comutatie coborator (buck)

fs = 1/Ts = frecventa de comutatie

• Randamentul ideal = 100%

• Sunt posibile si configuratiiridicatoare sau inversoare de tensiune

• Variabila de control estefactorul de umplere, D

• Sunt necesare componentediscrete, L, C, pentru filtrul de iesire

• Se genereaza zgomot la frecventa de comutatie

• Cresterea frecventei de comutatie conduce la L,C mici

17


Exemplu de dublor de tensiune

Convertoare cu capacit. comutate (pompe de sarcina)

• Nu contin bobine

• Sunt posibile implementari complete “on chip” pentru aplicatii de putere redusa

• Sunt disponibile configuratii ridicatoare, coboratoare si inversoare de tensiune

18

2. PRINCIPII DE REALIZARE A SURSELOR IN COMUTATIE

2.1 Exemplu de sursa elemenara in comutatie – actionarea elementului de

incalzire a unei incinte termostatate

VIN vORS

S S este inchis periodic, cu perioada Ts.

Durata de mentinere in starea inchis(ton) depinde invers proportional de temperatura incintei.

La echilibru, forma de unda a tensiuniivo este periodica, avand factorul de umplere D = ton/Ts

19


incalzire a unei incinte termostatate vO

t

tON tOFF

0 D·TS TS

VO

VIN

INSINS

T

0O

STOO

S

ON

VDTDVT1

dt)t(vT1)t(vV

:continua) a(component medie iesire de Tensiunea

TtD

S

S

⋅=⋅⋅⋅=

===

=

∫Prin controlul factorului de umplere, D, se poatecontrola valoarea medie a tensiunii de iesire, VO

20



t

tON tOFF

0 D·TS TS

VO

VIN

VIN vORS

S iIN iO

SS TININTININ

INININ

)t(iV)t(pP)t(iV)t(p

⋅==

⋅=

S

SSS

TOIN

TOTOTOO

)t(iVD

)t(i)t(v)t(pP

⋅⋅=

=⋅==

S

INTOTIN R

VD)t(i)t(iSS

⋅==

0PP

1DPP

OIN

IN

O

≠−

≤==η⇒ ?

21



t

tON tOFF

0 D·TS TS

VO

VIN

VIN vORS

S iIN iO SS TININTININ

INININ

)t(iV)t(pP)t(iV)t(p

⋅==

⋅=

S

SSS

TOIN

TOTOTOO

)t(iVD

)t(i)t(v)t(pP

⋅⋅=

=⋅==

DVDTVT1dt)t(v

T1V

IVP

INS2IN

S

T

0

2O

So

ooO

S

EF

EFEF

==⋅=

⋅=

∫

1

RVDV

RDVDV

PP

S

ININ

S

ININ

IN

O =⋅

⋅

⋅⋅⋅

==η⇒

22


incalzire a unei incinte termostatate

Puterea debitata de o sursa de tensiune continua =

= tensiunea sursei x curentul MEDIU debitat de aceasta

Puterea disipata de un rezistor in regim variabil =

= tensiunea EFECTIVA pe rezistor x curentul EFECTIV prin acesta

23

2.2 Convertor cu inductanta comutata

vO

Dioda D asigura continuitatea curentului prin bobina.

S = inchis → D = blocata

S = deschis → D = in conductie

24


.constI)t(i);T(i)T(i:permanentRegim

LTL1nLnLS

=== +

25


vO

vO

iL

iL

0 ≤ t ≤ D·TS

D·TS ≤ t ≤ TS

)t(iRdt

)t(diLV LL

IN ⋅+⋅=

)t(iRdt

)t(diL0 LL ⋅+⋅=

26


Raspunsul la variatia rezistentei de sarcina

27

2.3 Convertor coborator de tensiune (buck)

vO

Introducerea condensatorului C:- atenueaza riplul tensiunii de iesire datorat comutatiei- micsoreaza efectul variatiei rezistentei de sarcina

28

3. CONVERTOARE C.C. – C.C.IN REGIM PERMANENT

3.1 Principii de analiza in regim permanenta convertoarelor c.c – c.c.

a) Echilibrul volt – secunda al tensiunilor pe bobine

0)t(vdt)t(vT10

TLdt)t(v

L1)0(i)T(i

dt)t(diL)t(v

S

STL

S

S

TL

)t(v

T

0L

S

S

T

0L

permanent regimin 0

LSL

LL

=⇒⋅=⇒

⋅⋅=−

⋅=

∫

∫=

4434421

4434421

Valoarea medie a tensiunii pe o bobina, calculata pe o perioadade comutatie, in regimpermanent, este nula

29


b) Echilibrul amper – secunda al curentilor prin condensatoare

0)t(idt)t(iT10

TCdt)t(i

C1)0(v)T(v

dt)t(dvC)t(i

S

STC

S

S

TC

)t(i

T

0C

S

S

T

0C

permanent regimin 0

CSC

CC

=⇒⋅=⇒

⋅⋅=−

⋅=

∫

∫=

43421

44 344 21Valoarea medie a curentului printr-un condensator, calculatape o perioada de comutatie, in regimpermanent, este nula

30

c) Aproximatia riplului redus

Curentii prin bobine si tensiunile pe condensatoare nu pot varia prin salt.

Daca valorile inductantelor, respectiv ale capacitatilor sunt suficient de mari, atunci VARIATIA curentilor prin bobine, respectiv a tensiunilor pecondensatoare, pe durata unei perioade de comutatie, in regimpermanent, POATE FI NEGLIJATA.

S

S

TCCCCC

TLLLLL

)t(vV)t(vV)t(v

)t(iI)t(iI)t(i

=≈∆+=

=≈∆+=


31

3.2 Etapele analizei convertoarelor c.c – c.c.functionand in regim permanent

1. Se analizeaza prin observare schema circuitului pentru a se intelege functionarea de principiu a acestuia

2. Se reprezinta schemele echivalente valabile pentru fiecare pozitie a elementelor ce compun reteaua de comutatie

v

i3. Se aleg sensuri de referinta pentru marimile electrice(aceleasi in toate schemele echivalente), pe cat posibil corespunzand sensurilor fizice; pentru toateelementele, trebuie corelate sensurile tensiunilorsi ale curentilor conform conventiei pentrureceptoare.

4. Se exprima, cu ajutorul teoremelor lui Kirchhoff, marimile carora lise pot aplica principiile de echilibru (vL, iC), in functie de marimilecarora li se poate aplica aproximatia riplului redus (v, iL); se exprimasi alte marimi de interes (iS, iD) tot in functie de marimile carora li se poate aplica aproximatia riplului redus (v, iL).

32

3.2 Etapele analizei convertoarelor c.c – c.c.functionand in regim permanent

5. Se aplica aproximatia riplului redus marimilor considerate variabileindependente si se reprezinta formele de unda aproximative ale celorlalte marimi.

6. Se determina expresiile valorilor medii pe o perioada de comutatieale marimilor considerate variabile dependente. Acestea se deducsimplu, din formele de unda reprezentate anterior.

7. Se aplica principiile echilibrului volt – secunda, respectiv ampersecunda pentru tensiunile pe bobine si curentii prin condensatoare.Rezulta un sistem de ecuatii din care se deduc expresiilecomponentelor continue ale marimilor de interes.

8. Analiza poate fi detaliata prin determinarea aproximativa a riplurilorcurentilor prin bobine si tensiunilor pe condensatoare, pe bazaformelor de unda reprezentate anterior, rezultand forme de undamult mai apropiate de cele reale.

33

3.3 Convertorul c.c – c.c. coborator (buck)functionand in regim permanent

vO

vO

iS(t)=0 iL(t)

iD(t) vL(t)

iC(t)

v(t)

v(t)/RS

vO

iS(t) iL(t)

iD(t)=0 vL(t)

iC(t)

v(t)

v(t)/RS

→⋅<≤ STDt0

→<≤⋅ SS TtTD

34


vO

iS(t)=0 iL(t)

iD(t) vL(t)

iC(t)

v(t)

v(t)/RS

vO

iS(t) iL(t)

iD(t)=0 vL(t)

iC(t)

v(t)

v(t)/RS

0)t(i)t(i)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(vV)t(vTDt0

D

LS

SLC

INL

S

==

−=

−=⋅<≤

)t(i)t(i0)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(v)t(vTtTD

LD

S

SLC

L

SS

==

−=

−=<≤⋅

35


0)t(i)t(i)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(vV)t(vTDt0

D

LS

SLC

INL

S

==

−=

−=⋅<≤

)t(i)t(i0)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(v)t(vTtTD

LD

S

SLC

L

SS

==

−=

−=<≤⋅

Se aplicaaproximatiaripluluiredus:

v(t) ≈ V

iL(t) ≈ IL

0)t(iI)t(i

RVI)t(i

VV)t(vTDt0

D

LS

SLC

INL

S

==

−=

−=⋅<≤

LD

S

SLC

L

SS

I)t(i0)t(i

RV)t(I)t(i

V)t(vTtTD

==

−=

−=<≤⋅

36


0)t(iI)t(i

RVI)t(i

VV)t(vTDt0

D

LS

SLC

INL

S

==

−=

−=⋅<≤

LD

S

SLC

L

SS

I)t(i0)t(i

RV)t(I)t(i

V)t(vTtTD

==

−=

−=<≤⋅ t

t

t

t0 D·TS TS

iD(t)

iS(t)

iC(t)

vL(t)

VIN -V

-V

IL –V/RS

IL

IL

D·TS (1-D)·TS = D’·TS

IS

ID

Pentru vL si iC se aplica principiulechilibrului volt –secunda, respectivamper - secunda

0)t(i

0)t(v

S

S

TC

TL

=

=

Pentru iS si iD se calculeaza valorilemedii pe perioadade comutatie

37


t

t

t

t0 D·TS TS

iD(t)

iS(t)

iC(t)

vL(t)

VIN -V

-V

IL –V/RS

IL

IL


IS

ID LD

TDD

LS

TSS

SL

SL

TC

IN

TL

I)D1(0DI

)t(iI0)D1(IDI

)t(iI

0)RVI()D1()

RVI(D

0)t(i0)D1()V()VV(D

0)t(v

S

S

S

S

⋅−+⋅=

=

⋅−+⋅=

=

=−⋅−+−⋅

=

=−⋅−+−⋅

=

38


LD

TDD

LS

TSS

SL

SL

TC

IN

TL

I)D1(0DI

)t(iI0)D1(IDI

)t(iI

0)RVI()D1()

RVI(D

0)t(i0)D1()V()VV(D

0)t(v

S

S

S

S

⋅−+⋅=

=

⋅−+⋅=

=

=−⋅−+−⋅

=

=−⋅−+−⋅

=

S

INLD

S

IN2

LS

S

IN

SL

IN

RVD)D1(I)D1(I

RVDIDI

RVD

RVI

VDV

⋅⋅−=⋅−=

⋅=⋅=

⋅==

⋅=

Componentele continue ale marimilor electrice de interesrezulta:

39


S

IN

SL

IN

RVD

RVI

VDV⋅

==

⋅= Determinarea aproximativa a riplurilor curentilor prin bobine si a tensiunilor pe condensatoare, neglijate in analiza precedenta:

t

0 D·TS TS

vL(t)

VIN -V

-V

iL(t)

t

IL=V/RS 2·∆iL

(VIN –V)/L

–V/L

<≤⋅−

⋅<≤−

=

===

⋅=

SS

SIN

LL

LL

TtTD;LV

TDt0;L

VVL

)t(vdt

)t(dicurentuluipanta

dt)t(diL)t(v

40


Determinarea aproximativa a riplurilor curentilor prin bobine si a tensiunilor pe condensatoare, neglijate in analiza precedenta:

t

0 D·TS TS

vL(t)

VIN -V

-V

iL(t)

t

IL=V/RS 2·∆iL

(VIN –V)/L

–V/L

TDL2

VVi

TDL

VVi2

INL

SIN

L

⋅⋅−

=∆⇒

⋅⋅−

=∆

In proiectarese folosesterelatia pentrucalcululinductantei, L; uzual se impune

∆iL ≈ 5%IL

)t(i)t(i

R)t(v

RV)t(iI)t(i0

R)t(v)t(i)t(i

LC

0

SSLLC

SLC

∆≈∆⇒

∆−−∆+=∆+

−=

≈321

Deci curentul prin condensator, in regim permanent, are media zero si riplul practic egal cu riplulcurentului prin bobina.

In aceasta aproximatie, se poate determina riplul tensiuniipe condensator:

41


Determinarea aproximativa a riplurilor curentilor prin bobine si a tensiunilor pe condensatoare, neglijate in analiza precedenta:

)t(i)t(i LC ∆≈

t

0 D·TS TS

iC(t)

v(t)

t

2·∆iL

TS/2 TS/2

q -q

2·∆v V

0

C8iTv

C

i2T

21

ChasuratariaCqv2

LS

LS

⋅∆⋅

=∆

⇒∆⋅⋅

=

=∆

=

==∆⋅

In proiectare se poate impune ∆v si se determina C.

42

3.3 Convertorul

c.c – c.c. coborator

(buck)functionand

in regimpermanent

t

0 D·TS TS

iC(t)

v(t)

t

2·∆iL

2·∆v V

0

IL=V/RS

t

2·∆iL

0

iS(t) IL

t0

iD(t) IL 2·∆iL

t

2·∆iL

0

iL(t)

43

3.4 Modelarea convertoarelor c.c. – c.c. functionandin regim permanent, pentru componentele

continue ale marimilor electrice

M(D) V

IIN IOconversiederaportul

VVDMIN

==)(

De exemplu, la convertorul buck, M(D) = D

)D(MII

VV1

PP

:pierderi fara ideal, cazul dConsideranIVP

IVP

O

IN

ININ

O

OO

INININ

==⇒==η

⋅=⋅=

⋅=⋅=

OIN

IN

I)D(MIV)D(MV

:Deci

44



⋅=⋅=

OIN

IN

I)D(MIV)D(MV

+

-VIN V

IIN IO

M(D)·VIN

M(D)·IO

Un convertor cc –cc ideal se comporta ca un transformatorideal de cc, avand raportul de transformare M(D)

VIN

IIN

V

IO1:M(D)

D

1:M(D)

D

V

IIN IO

45



+

- V

IS IL

D·VIN

D·IL

RS

1:D

D

V

IS IL

De exemplu, convertorul buck, descris anterior, poate fi modelatdupa cum urmeaza:

Un avantaj al utilizarii modelelor bazate pe transformatoare ideale de cc pentru convertoarele cc – cc este analiza simpla a unor scheme ceinclud astfel de convertoare prin raportarea la primar sau la secundara elementelor componente:

46



De exemplu, analiza unui convertor ideal, alimentat de la o sursaREALA de tensiune, VG, RG, se reduce la:

M(D)VIN V

1:M(D)

VIN V

Prin raportareaelementelor din primarla secundar schema se reduce la un divizor de tensiune

VRS

M(D)·VG

M2(D)·RG GG

2S

S V)D(MR)D(MR

RV ⋅⋅⋅+

=⇒

47

3.5 Convertor ridicator de tensiune (boost)

iM(t)vL(t)

iD(t)

iC(t)

iL(t) v(t)/R

v(t)

==

⇒⋅<≤offDonM

TDt01

S

==

⇒<≤⋅onDoffM

TtTD1

SS

iM(t)vL(t)

iD(t) = 0

iC(t)

iL(t) v(t)/R

v(t)

iM(t) = 0vL(t)

iD(t)

iC(t)

iL(t) v(t)/R

v(t)

48


iM(t)vL(t)

iD(t) = 0

iC(t)

iL(t) v(t)/R

v(t)

iM(t) = 0vL(t)

iD(t)

iC(t)

iL(t) v(t)/R

v(t)

0)t(i)t(i)t(i

R)t(v)t(i

V)t(v

1D

LM

C

GL

==

−=

=

)t(i)t(i0)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(vV)t(v

LD

M

LC

GL

1==

−=

−=

49


0)t(i)t(i)t(i

R)t(v)t(i

V)t(v

1D

LM

C

GL

==

−=

=

)t(i)t(i0)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(vV)t(v

LD

M

LC

GL

1==

−=

−=

⇒

≈≈

V)t(vI)t(i LL

0)t(iI)t(i

RV)t(i

V)t(v

1D

LM

C

GL

=≈

−≈

=

LD

M

LC

GL

I)t(i0)t(i

RVI)t(i

VV)t(v

1==

−≈

−≈

t

t

t

t 0 D·TS TS

iD1(t)

iM(t)

iC(t)

vL(t)

VG

VG -V

IL –V/R

IL

IL


IM

ID1

–V/R

50


t

t

t

t0 D·TS TS

iD1(t)

iM(t)

iC(t)

vL(t)

VG

VG -V

IL –V/R

IL

IL


IM

ID1

–V/R

L1D

T1D1D

LM

TMM

L

TC

GG

TL

I)D1(0DI

)t(iI0)D1(IDI

)t(iI

0)RVI()D1()

RV(D

0)t(i0)VV()D1(VD

0)t(v

S

S

S

S

⋅−+⋅=

=

⋅−+⋅=

=

=−⋅−+−⋅

=

=−⋅−+⋅

=

51


L1D

T1D1D

LM

TMM

L

TC

GG

TL

I)D1(0DI

)t(iI0)D1(IDI

)t(iI

0)RVI()D1()

RV(D

0)t(i0)VV()D1(VD

0)t(v

S

S

S

S

⋅−+⋅=

=

⋅−+⋅=

=

=−⋅−+−⋅

=

=−⋅−+⋅

=

RV

)D1(1I)D1(I

RV

)D1(DIDI

RV

)D1(1

RV

D11I

VD1

1V

GLD

G2LM

G2L

G

⋅−

=⋅−=

⋅−

=⋅=

⋅−

=⋅−

=

⋅−

=

⋅′

=

⋅′

=⇒

′=−

RV

D1I

VD1V

DD1

L

G

52


⋅′

=

⋅′

=⇒

′=−

RV

D1I

VD1V

DD1

L

G

+

- V

IL V/R

RVG

RV

D⋅′

1

GVD⋅′

1

D’:1

D

V

IL V/R

VG R

53


DDM

DDVD

V G

−=

−=′⋅′

=

11)(

:conversie de Raportul

1;1

0 1

1

D

M(D) DDM

VDV G

=

⋅=

)(:conversie de Raportul

0 1

1

D

M(D)

buck

boost

Caracteristica de reglaj

54


t

t

t

iL(t)

iC(t)

vL(t)

t0 D·TS TS

v(t)

VG

VG -V

IL –V/R


–V/R

2·∆iL

VG /L

(VG–V)/L

2·∆v

-V /(R·C)

(IL–V/R)/C

RV

D1IL ⋅′

=

GVD1V ⋅′

=

C)t(i

dt)t(dvtensiuniipanta

dt)t(dvC)t(i

L)t(v

dt)t(dicurentuluipanta

dt)t(diL)t(v

C

C

LL

LL

==

⋅=

==

⋅=

Riplul curentului prin bobina si al tensiunii pe condensator:

S

SG

L

TDRC2Vv

TDL2

Vi

⋅⋅=∆

⋅⋅=∆

55

3.6 Convertor mixt (buck - boost)

vL(t)

iL(t)

iM(t)

iC(t)

v(t)

v(t)/R

iD(t)

iC(t)

v(t)vL(t)

iL(t)

iM(t) = 0 iD(t)

v(t)/R

==

⇒⋅<≤offDonM

TDt01

S

==

⇒<≤⋅onDoffM

TtTD1

SS

v(t)/RiC(t)

v(t)vL(t)

iL(t)

iM(t) iD(t) = 0

56


iC(t)

v(t)vL(t)

iL(t)

iM(t) = 0 iD(t)

v(t)/R

v(t)/RiC(t)

v(t)vL(t)

iL(t)

iM(t) iD(t) = 0

0)t(i)t(i)t(i

R)t(v)t(i

V)t(v

1D

LM

C

GL

==

−=

=

)t(i)t(i0)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(v)t(v

LD

M

LC

L

1==

−=

−=

57


0)t(i)t(i)t(i

R)t(v)t(i

V)t(v

1D

LM

C

GL

==

−=

=

)t(i)t(i0)t(i

R)t(v)t(i)t(i

)t(v)t(v

LD

M

LC

L

1==

−=

−=

⇒

≈≈

V)t(vI)t(i LL

0)t(iI)t(i

RV)t(i

V)t(v

1D

LM

C

GL

=≈

−≈

=

LD

M

LC

L

I)t(i0)t(i

RVI)t(i

V)t(v

1==

−≈

−≈t

t

t

t 0 D·TS TS

iD1(t)

iM(t)

iC(t)

vL(t)

VG

-V

IL –V/R

IL

IL


IM

ID1

–V/R

58


t

t

t

t0 D·TS TS

iD1(t)

iM(t)

iC(t)

vL(t)

VG

-V

IL –V/R

IL

IL


IM

ID1

–V/R

L1D

T1D1D

LM

TMM

L

TC

G

TL

I)D1(0DI

)t(iI0)D1(IDI

)t(iI

0)RVI()D1()

RV(D

0)t(i0)V()D1(VD

0)t(v

S

S

S

S

⋅−+⋅=

=

⋅−+⋅=

=

=−⋅−+−⋅

=

=−⋅−+⋅

=

59


L1D

T1D1D

LM

TMM

L

TC

G

TL

I)D1(0DI

)t(iI0)D1(IDI

)t(iI

0)RVI()D1()

RV(D

0)t(i0)V()D1(VD

0)t(v

S

S

S

S

⋅−+⋅=

=

⋅−+⋅=

=

=−⋅−+−⋅

=

=−⋅−+⋅

=

RV

)D1(D

RVI)D1(I

RV

)D1(D

RV

D1DIDI

RV

)D1(D

RV

D11I

VD1

DV

GLD

G2

2

LM

G2L

G

⋅−

==⋅−=

⋅−

=⋅−

=⋅=

⋅−

=⋅−

=

⋅−

=

⋅′

=

⋅′

=⇒

′=−

RV

DDI

VDDV

DD1

M

G

60


⋅′

=

⋅′

=⇒

′=−

RV

DDI

VDDV

DD1

M

Gv(t)

Relatiile corespund cu referinta aleasa pentru v(t), de la masa spre iesire.

Daca se alege referintafata de masa, relatiiledevin:

Acest convertor permiteinversarea polaritatii tensiunii de iesire, precum si ridicarea saucoborarea acesteia.

G

G

G

V4V8,0DVV5,0D

V25,0V2,0D

⋅−=⇒=−=⇒=

⋅−=⇒=

RV

)D1(D

RVI)D1(I

RV

)D1(D

RV

D1DIDI

RV

)D1(D

RV

D11I

VD1

DV

GLD

G2

2

LM

G2L

G

⋅−

=−=⋅−=

⋅−

=⋅−

−=⋅=

⋅−

=⋅−

−=

⋅−

−=

iC(t)

v(t)

v(t)/R-v(t)/R

61


⋅′

−=

⋅′

−=

RV

DDI

VDDV

M

G

+

-

V

IM -V/R

RVG

RV

DD⋅′

GVDD⋅′

D’:D

D

V

ILM -V/R

VG R

62

3.7 Includerea pierderilor in conductie

- pentru tranzistorul MOS se va considera rON (rezistenta drena – sursa)

- pentru dioda se vor considera VD si rD (tensiunea de deschidere sirezistenta serie)

- pentru bobina se va considera r (rezistenta serie)

3.7.1 Convertorul buck cu pierderi

M, rON

D1, VD, rD

L r

CR

VG

iM(t) v(t)/R

iC(t)

iL(t)

iD1(t)v(t)

vL(t)

63


rONL r

CR

VG

iM(t) v(t)/R

iC(t)

iL(t)

iD1(t)=0v(t)

vL(t)

RVI

R)t(v)t(i)t(i

VIrIrV)t(v)t(ir)t(irV)t(v

LLC

LLONGLLONGL

−≈−=

−⋅−⋅−≈−⋅−⋅−=

64


L r

CR

VG

iM(t)=0 v(t)/R

iC(t)

iL(t)

iD1(t) v(t)vL(t)

VD

rD

RVI

R)t(v)t(i)t(i

VIrIrV)t(v)t(ir)t(irV)t(v

LLC

LLDDLLDDL

−≈−=

−⋅−⋅−−≈−⋅−⋅−−=

65


t

t

0 D·TS TS

iC(t)

vL(t)

VG -rON·IL-r·IL-V

IL –V/R


-VD –rD·IL-r·IL-V

( ) ( )

0DRVID

RVI

0DVIrIrVDVIrIrV

LL

LLDDLLONG

=′⋅

−+⋅

−

=′⋅−⋅−⋅−−+⋅−⋅−⋅−

t

iM(t)

IL

IM

0DIDI LM ⋅′+⋅=

66


( ) ( )

0DRVID

RVI

0DVIrIrVDVIrIrV

LL

LLDDLLONG

=′⋅

−+⋅

−

=′⋅−⋅−⋅−−+⋅−⋅−⋅−

0DIDI LM ⋅′+⋅=

LM

L

DLDLLONG

IDIRVI

VVDIrDIrIrDVD

⋅=

=

+⋅′+⋅⋅′+⋅+⋅⋅=⋅

67


LM

L

DLDLLONG

IDIRVI

VVDIrDIrIrDVD

⋅=

=

+⋅′+⋅⋅′+⋅+⋅⋅=⋅

+

-VG

D·IL

D·VG

IL

D’·VD

R V

D·rON D’·rDrIM

VG

IL

D’·VD

R V

D·rON D’·rDr

1:D

IM

68


VG

IL

D’·VD

R V

D·rON D’·rDr

1:D

IMPrin raportare la secundarrezulta:

D·rON r D’·rD D’·VD

D·VG R V

( )DGDON

VDVDrDrrDR

RV ⋅′−⋅⋅⋅′++⋅+

=

69


( )DGDON

VDVDrDrrDR

RV ⋅′−⋅⋅⋅′++⋅+

=

RrDrrD1

1VV

DD1VDV

DONG

DG ⋅′++⋅

+⋅

⋅′

−⋅⋅=

RrDrrD1

VV

DD1

DVV)D(M

DON

G

D

G⋅′++⋅

+

⋅′

−⋅==

70


RrDrrD1

VV

DD1

DVV)D(M

DON

G

D

G⋅′++⋅

+

⋅′

−⋅== Randamentul rezulta

din:

RrDrrD1

VV

DD1

VDV

IDVPIVP

DON

G

D

GLGIN

LO

⋅′++⋅+

⋅′

−=

⋅=η⇒

⋅⋅=⋅=

η⋅= D)D(M

(Se mentine comportarea de convertor coborator)

Raportul de conversieideal

randamentul

71

3.7.2 Convertorul boost cu pierderi

M

D1L

r

CVG

iM(t)

v(t)/R

iC(t)

iL(t) iD1(t)

v(t)R

vL(t)

iM(t)

D1L

r

CVG

v(t)/R

iC(t)

iL(t)

v(t)R

vL(t)

D1L

r

CVG

v(t)/R

iC(t)

iL(t)

v(t)R

vL(t) iM(t)=0

iD1(t)=0

iD1(t)

Se va considerarezistenta de pierderia bobinei, celelalteelemente fiind ideale:

RV

R)t(v)t(i

IrV)t(irV)t(voffD;onMTDt0

C

LGLGL

1S

−≈−=

⋅−≈⋅−===⇒⋅≤≤

RVI

R)t(v)t(i)t(i

VIrV)t(v)t(irV)t(v

onD;offMTtTD

LLC

LG

LGL

1SS

−≈−=

−⋅−≈≈−⋅−=

==⇒≤≤⋅

72


RV

R)t(v)t(i

IrV)t(irV)t(voffD;onMTDt0

C

LGLGL

1S

−≈−=

⋅−≈⋅−===⇒⋅≤≤

RVI

R)t(v)t(i)t(i

VIrV)t(v)t(irV)t(v

onD;offMTtTD

LLC

LG

LGL

1SS

−≈−=

−⋅−≈≈−⋅−=

==⇒≤≤⋅t

t 0 D·TS TS

iC(t)

vL(t)

VG- r·IL

VG - r·IL -V

IL –V/R


–V/R

( ) ( )

0DRVID

RV

0DVIrVDIrV

L

LGLG

=′⋅

−+⋅

−

=′⋅−⋅−+⋅⋅−

=⋅′

⋅′+⋅=⇒

RVID

VDIrV

L

LG

73


=⋅′

⋅′+⋅=

RVID

VDIrV

L

LG

VG RV

r

D’·IL

D’·V

IL

+

- R

V

D’:1

RVG

r

IL V/R

DVG

′

2Dr′

VR

RDr1

1D1

VV)D(M

DV

DrR

RV

2G

G

2

⋅′+

⋅′

==

′⋅

′+

=

)IDEALCAZULINDEFATA(0)D(M1D

1

Rr1

1)D(M0D

∞=⇒=

<+

=⇒=

74


RDr1

1D1

VV)D(M

DV

DrR

RV

2G

G

2

⋅′+

⋅′

==

′⋅

′+

=

)IDEALCAZULINDEFATA(0)D(M1D

1

Rr1

1)D(M0D

∞=⇒=

<+

=⇒=Pierderile modificasemnificativcomportareaconvertorului boost fatade cazul ideal (M(D) prezinta un maxim).

r=0,0001R

r=0,02R

r=0,04R

r=0,06R

r=0,08R

D

75

3.7.2 Convertorul boost cu pierderiRandamentul:

RDr1

1VVD

IVPIDVP

2GLGIN

LO

⋅′+

=⋅′=η⇒

⋅=⋅′⋅=

η⋅′

=D1)D(M

Randamentulscade drastic la factor de umpleremare (D=1 →η=0)

r=0,0001R

r=0,02R

r=0,04R

r=0,06R

r=0,08RD

Structuri integrate pentru aplicatii de putere SIAPdce.etc.tuiasi.ro/siap/curs/P1.pdf · 1...

Documents

Transcript of Structuri integrate pentru aplicatii de putere SIAPdce.etc.tuiasi.ro/siap/curs/P1.pdf · 1...