1 UVOD
V zadnjih desetletjih smo priča skokovitemu
tehnološkemu razvoju, ki se med drugim kaže v
povečanem številu priključenih električnih porabnikov
na distribucijsko omrežje. Hkrati s kompleksnostjo in
zahtevnostjo sodobnih naprav se povečuje tudi delež
njihove priključne moči. Zaradi načina delovanja
povzročajo v distribucijskem omrežju dodatne izgube in
vplivajo na kakovost električne energije. Vpliv
posameznega porabnika na omrežje podaja faktor
delavnosti naprave [1]
2
1
1
1
cos
THDS
P

   (1),
za katerega želimo, da bi bil enak 1. Faktor delavnosti ni
odvisen zgolj od faznega premika (1) med omrežno
napetostjo in osnovno harmonsko komponento toka, tj.
faktorja premaknitve (displacemant factor), temveč nanj
vpliva tudi faktor popačenja (distortion factor)
omrežnega toka. Ta je odvisen od harmonskega
popačenja (THD) [2] in podaja vsebnost
višjeharmonskih komponent toka, s katerimi posamezna
naprava obremenjuje omrežje. Pri svojem delu se
pogosto srečujemo s pretvorniškimi napravami z nizkim
faktorjem delavnosti (). Tipični predstavniki so
procesni viri z velikimi izhodnimi tokovi in sorazmerno
nizkimi napetostmi (elektrokemija, obločno varjenje…).
Tem napravam je skupna vhodna usmerniška stopnja, s
Prejet 6. marec, 2014
Odobren 15. april, 2014
mailto:ales.leban@fe.uni-lj.si
116 LEBAN, VONČINA, ZAJEC
katero se omrežne veličine pretvorijo v ustrezne
enosmerne vrednosti. Topologijo klasičnega
usmerniškega vezja ter pripadajoča poteka omrežne
napetosti in toka kaže slika 1. Kljub minimalnemu
faznemu kotu 1 je faktor delavnosti nizek zaradi
izrazito popačenega toka (velik THD), ki teče iz
omrežja.
RB
u,i
iBuAC iAC
uDC
C
t
iAC
uAC
Slika 1: Klasična topologija usmerniške stopnje
Širok spekter višjeharmonskih komponent omrežnega
toka ne pomeni težav zgolj distributerjem električne
energije, širijo se namreč vzdolž omrežja in vplivajo na
pravilnost delovanja preostalih na omrežje priključenih
naprav. Prav z namenom, da se zagotovi ustrezna
kakovost električne energije, je bil na območju EU
sprejet standard EN61000-3-2, ki je del Evropske
direktive EMC (Electro Magnetic Compatibility). Ta za
posamezne skupine električnih naprav ureja dopustno
višino harmonskih komponent toka, s katerimi lahko
naprava obremenjuje javno električno omrežje [3].
Ob upoštevanju omenjene direktive smo se v
Laboratoriju za regulacijsko tehniko in močnostno
elektroniko (LRTME) lotili gradnje enofaznega
nizkonapetostnega napajalnega modula z visokim
faktorjem delavnosti. Modul je namenjen napajanju
tehnoloških procesov, v konkretnem primeru pa je bil
uporabljen v procesnem viru za impulzno bakrenje
tiskanih vezij (pulse plating) [4]. Odlikuje ga tudi
modularnost, ki smo jo zagotovili z galvansko ločitvijo
bremenskega tokokroga. V nadaljevanju podajamo opis
gradnje in osnovni princip delovanja posameznih
sklopov nizkonapetostnega napajalnega modula.
2 NIZKONAPETOSTNI NAPAJALNI MODUL Z
GALVANSKO LOČITVIJO IN ENOFAZNO
PFC STOPNJO
Pri načrtovanju napajalnega modula smo izhajali iz
zahtev sodobnih napajalnih virov, med katerimi bi
posebej poudarili: modularnost, zanesljivost, skladnost
naprave s trenutno veljavnimi predpisi glede EMC in
avtonomnost obratovanja. Ob nadaljnjem upoštevanju
fizikalnih parametrov modula (moč, izhodna napetost,
faktor delavnosti…) smo pretvorbo moči zasnovali v
dveh stopnjah. Principialno blokovno shemo
dvostopenjskega pretvorniškega sklopa kaže slika 2.
Vhodno stopnjo modula tvori PFC usmerniško vezje.
Njegova primarna naloga je zagotoviti ustrezno obliko
UPFC Uout
Napajalni modul z galvansko ločitvijo
PFC usmernik DC/DC presmernik Breme
Slika 2: Blokovna shema nizkonapetostnega napajalnega
modula
omrežnega toka in želeno izhodno napetost, ki je
obenem napajalna napetost DC/DC presmernika. Ta
zagotavlja galvansko ločitev in prilagoditev napetosti
bremenskega tokokroga.
2.1 PFC usmerniško vezje
Topologija PFC usmerniškega vezja je prikazana na
sliki 3. Sestavljajo ga diodni mostič, prek katerega je
vezje priklopljeno na distribucijsko omrežje, močnostno
vezje – pretvornik navzgor (boost converter) in gladilni
kondenzator CPFC.
uAC
CKOM
Q1
iAC
LPFCiL
D1
|uAC|
UPFC
RB
Močnostni pretvornik
Lkom
CPFC
id
Slika 3: Topologija PFC usmerniškega vezja
Vloga diodnega mostiča in kondenzatorja je enaka kot
pri klasičnem usmerniškem vezju – usmerjanje
izmenične omrežne napetosti in glajenje izhodne
napetosti usmernika. Z dodanim močnostnim
pretvornikom in pripadajočim krmilno-regulacijskim
vezjem zagotovimo konstantno, od obremenitve
neodvisno izhodno napetost UPFC in ustrezno obliko
toka (iL) skozi gladilno dušilko.
S pomočjo slike 4 bo opis delovanja pretvornika
podan ob predpostavki, da so elementi v vezju
obravnavani idealno. Elementa Lkom in Ckom (slika 3) sta
del kompenzacijskega vezja, ki ne vpliva na osnovno
delovanje vezja, njegova vloga pa bo pojasnjena v
poglavju 2.1.2.
V časovnem intervalu, ko prevaja stikalo Q1, se
omrežni tok zaključuje skozi dušilko LPFC in
enakomerno narašča (slika 4a). Dioda D1 je zaporno
polarizirana in breme se v celoti napaja iz kondenzatorja
CPFC.
NIZKONAPETOSTNI NAPAJALNI MODUL Z GALVANSKO LOČITVIJO IN ENOFAZNO PFC STOPNJO 117
RBuLiAC
LPFC iL
|uAC|
Q1
uDC
+ -
iB
CPFC
a)
D1
RBuLiAC
LPFC iL
|uAC|
Q1
uDC
+ -
iB
CPFC
b)
Slika 4: Nadomestni shemi obratovalnih stanj PFC usmernika
V trenutku izklopa stikala Q1 se na dušilki inducirana
napetost prišteva vhodni napetosti |uAC|, zato pride do
komutacije toka iz stikala Q1 na diodo D1. V tem
intervalu teče tok skozi diodo D1 v kondenzator CPFC in
breme ter se zaključi skozi izmenični vir (omrežje)
(slika 4b). Tok skozi dušilko postopno upada do nastopa
naslednjega stikalnega cikla. Napetost na izhodu PFC
usmerniškega vezja, ki je odvisna od trenutne omrežne
napetosti in vklopnega razmerja stikala D
||
1
1
ACPFC
u
D
u 

 , (2)
ne sme biti nižja od temenske vrednosti usmerjene
napetosti (|uAC|). Le v tem primeru namreč lahko
vzdržujemo konstantno izhodno napetost UPFC
usmernika in imamo sočasen nadzor nad oblikovanjem
omrežnega toka. Ob predpostavki, da v vezju ni izgub,
lahko iz enakosti vhodne in izhodne moči ter ob
upoštevanju trigonometrije določimo tok skozi diodo
D1 [5]
dPFCACACPFCAC iUttIUtptp  )(sin)(
ˆˆ)()(
2
 ,
(3)
)2cos(
ˆˆ
2
1ˆˆ
2
1
)( t
U
IU
U
IU
ti
PFC
ACAC
PFC
ACAC
d
 . (4)
Trenutna moč na vhodu pretvornika pulzira s frekvenco
100 Hz. Posledično je v toku skozi D1 poleg enosmerne
komponente prisotna tudi po amplitudi primerljiva
izmenična komponenta, ki jo predstavlja drugi člen v
(4). Ta tok se zaključuje skozi gladilni kondenzator,
zato je v izhodni napetosti UPFC prisoten drugi harmonik
omrežne napetosti, kar je svojstvena lastnost
uporabljene topologije pretvornika. Za zmanjšanje
valovitosti izhodne napetosti mora biti kapacitivnost
gladilnega kondenzatorja čim večja.
2.1.1 Regulacijska shema PFC usmernika
Regulacijska shema PFC usmernika je zasnovana
kaskadno. Nadrejena regulacijska zanka regulira
izhodno napetost usmernika (UPFC) in določa amplitudo
želene vrednosti toka, notranja zanka pa poskrbi, da je
omrežni tok iAC v fazi z omrežno napetostjo uAC in po
obliki sledi njenemu poteku. Pretvornik navzgor
omogoča zvezen potek omrežnega toka, katerega
absolutna vrednost |iAC| je enaka toku iL skozi gladilno
dušilko. Zato lahko regulacijo omrežnega toka
izvedemo posredno prek regulacije toka iL. Uporabili
smo metodo srednje vrednosti toka [6], ki jo odlikujeta
točnost in preprosta izvedba. Principialno regulacijsko
shemo PFC usmerniškega vezja kaže slika 5.
Iref(t)
Tokovni regulator
Uramp
CP
Cz
Rf
CPFC
iAC
LPFC|iAC|=iL D1
|uAC|
UPFC
Q1
uAC
Prožilno
vezje
-
-
+
+
-
-
+
Uref
×
×
÷
VRMS
2
LPF
Napetostni regulator
Ukrm
RB
ur
|sin(t)|
Slika 5: Regulacijska shema PFC usmernika
Izhodni signal napetostnega regulatorja ur. ki predstavlja
amplitudo želene vrednosti toka skozi gladilno dušilko,
se v množilniku množi z obliko usmerjene omrežne
napetosti (|sin(t)|). Tako dobimo na izhodu množilnega
vezja signal, ki ustreza časovnemu poteku referenčnega
toka Iref(t) skozi gladilno dušilko. Podrejena tokovna
regulacija se izvaja po metodi srednje vrednosti, pri
kateri se tok skozi dušilko meri in primerja z želeno
vrednostjo toka. Dobljeni tokovni pogrešek je pripeljan
na vhod tokovnega regulatorja (PI člen), nakar njegov
izhodni signal v PWM primerjalniku (PWM modulator)
definira vklopno razmerje močnostnega tranzistorja Q1.
Regulacijsko shemo PFC usmernika smo realizirali z
namenskim vezjem L4981 izdelovalca
STMicroelectronics.
Tudi v vlogi napetostnega regulatorja je uporabljen
PI člen, katerega zgornja frekvenčna meja mora biti
nižja od dvakratnika omrežne frekvence, s katero
pulzira moč na vhodu pretvornika. V tem primeru
regulator omogoča ustrezno slabljenje izmenične
komponente napetosti na izhodu usmernika. Prav nizka
frekvenčna meja napetostnega regulatorja pa je vzrok za
nizko dinamiko regulacijskega kroga med prehodnimi
pojavi, do katerih pride bodisi zaradi spremembe
amplitude omrežne napetosti bodisi zaradi spremembe v
obremenitvi vezja. Zato se v regulacijsko shemo PFC
usmernika namenoma dodajajo direktne krmilne veje
(feedforward) [7], ki s svojim delovanjem vplivajo na
regulacijski krog v smislu zmanjšanja napake regulacije.
Krmilne veje vplivajo na mestih za napetostnim
regulatorjem, zato so krmilni signali neodvisni od
parametrov regulatorja, le-ta pa je ob prehodnih pojavih
118 LEBAN, VONČINA, ZAJEC
»razbremenjen«. Krmilne veje vsebujejo zgolj P-člene,
zato se odzivnost oz. dinamika regulacijskega kroga z
dodanimi direktnimi krmilnimi vejami bistveno poveča.
Na sliki 5 je v osenčenem okvirju prikazana direktna
krmilna veja, ki se v literaturi označuje s pojmom
»VRMS
2
control«. Pri spremembi omrežne napetosti (uAC)
se mora za enako preneseno moč spremeniti amplituda
omrežnega toka oz. amplituda želene vrednosti toka.
Manjši del te spremembe še vedno prispeva regulator
napetosti s prilagoditvijo signala uR, vso preostalo
korekcijo želene amplitude toka pa prispeva direktna
krmilna veja. Na podoben način bi lahko v regulacijsko
shemo vpeljali dodatno krmilno vejo, ki bi amplitudo
želene vrednosti toka korigirala v odvisnosti od
bremenskega toka.
2.1.2 Kompenzacija valovitosti toka
Posledica stikalnega delovanja PFC usmerniških vezij je
prisotnost višjeharmonskih komponent v omrežnem
toku, zato moramo zahteve EMC predpisov zadostiti z
uporabo dodatnih filtrskih vezij na vhodu pretvornika. V
našem primeru smo se omenjene problematike lotili na
mestu njenega izvora in uporabili rešitev s
kompenzacijskim vezjem [8] (slika 3). Omenjeno vezje
sestavljata kondenzator (CKOM) in dodatno navitje
(LKOM), ki je magnetno sklopljeno z glavnim navitjem
(LPFC) gladilne dušilke. Ob ustreznem načrtovanju
sklopljenih dušilk lahko tako dosežemo občutno
zmanjšanje valovitosti vhodnega toka, saj del izmenične
višjeharmonske komponente toka prevzame
kompenzacijsko navitje. Valovitost toka iL skozi glavno
navitje gladilne dušilke se temu ustrezno zmanjša –
teoretično je mogoče valovitost vhodnega toka
popolnoma odpraviti.
2.2 DC/DC presmernik
Ustrezno galvansko ločitev izhodnega tokokroga od
napajalnega omrežja smo zagotovili z dodatnim
galvansko ločenim DC/DC presmernikom, ki je
priključen na izhodno napetost PFC usmerniškega
vezja. Poleg varnega upravljanja naprave (industrijski
procesi) nam galvanska ločitev bremenskega tokokroga
omogoča modularnost in s tem možnost
vzporedne/zaporedne vezave večjega števila modulov.
Dodatna vloga DC/DC presmernika je prilagoditev
napetostnih nivojev med enosmernim vmesnim
tokokrogom (UPFC = 400 V) in bremenskim tokokrogom
(Uout,max = 40 V). Topologijo DC/DC presmernika kaže
slika 6. Zaradi nizkoohmske obremenitve in posledično
velikih amplitud bremenskega toka se na
polprevodniških stikalih sekundarnega tokokroga
sprošča znaten delež moči, kar vpliva na izkoristek
napajalne stopnje. Zato smo načrtovanje sekundarnega
tokokroga podredili zahtevi po minimalnem številu PN-
spojev, ki v danem trenutku prevajajo električni tok, in
izbrali topologijo tokovnega podvojevalnega vezja
(current doubler) [9]. Sestavljajo ga dve usmerniški
diodi D+, D-) in dve filtrski dušilki (L+, L-), skozi
kateri teče polovična vrednost bremenskega toka. Z
izbiro sekundarnega vezja se je skrčil tudi nabor
primernih topologij primarnega tokokroga, izmed
katerih smo se odločili za mostično (full bridge) vezavo.
D+
QD
QCQA
QB
UPFC
RB
Tr.1
Tr.2
L-
L+
D-
C
Uout
Slika 6: Predlagana topologija DC/DC presmernika
Prednost izbranih (pretvorniških) sklopov je, da ne
pogojujeta ločilnega transformatorja s srednjim
odcepom, zato je gradnja le-tega manj zahtevna.
Uporabili smo identična transformatorja z vzporedno
vezanima primarnima navitjema, medtem ko sta njuni
sekundarni navitji povezani v serijo. Tako smo dosegli
enake magnetne razmere v jedrih, sekundarni navitji pa
lahko obravnavamo kot eno samo navitje. Pristop nam
med drugim omogoča tudi večjo preneseno moč in
ugodnejšo razporeditev elementov v vezju. S prestavo
transformatorja imamo možnost ustrezne prilagoditve
nivoja izhodne napetosti Uout.
Preden analiziramo delovanje presmernika, ponovno
predpostavimo idealizirane elemente vezja in ustaljeno
obratovalno stanje. V nadaljevanju bosta sekundarni
navitji transformatorja obravnavani kot eno samo
navitje. Pri analizi nam bosta v pomoč sliki 7 in 8, ki
opisujeta delovanje in karakteristične veličine
sekundarnega tokokroga. Preklopni cikel stikal v
mostiču je časovno razdeljen na dva aktivna intervala,
ki sovpadata s prevajanjem stikal ene od diagonal
mostiča, in na kratkotrajen prostotečni interval, ko
stikala mostiča niso prožena. Diagonali v mostiču sta
proženi izmenično, zato dobimo na primarnih navitjih
transformatorjev pravokotno izmenično napetost
amplitude UPFC. Za začetek predpostavimo prevajanje
diagonalnih stikal QA in QD, kar ustreza intervalu »1« na
sliki 8. V sekundarnem navitju se inducira za prestavo
transformatorja nižja pozitivna napetost usek, ki požene
tok skozi diodo D+, breme RB in dušilko L+. Napetost
uL+ je pozitivna, zato tok iL+ skozi dušilko enakomerno
narašča. Dioda D- je v tem intervalu zaporno
polarizirana. Iz prejšnjega intervala nakopičena
magnetna energija dušilke L- še naprej vzdržuje tok iL-
skozi breme, ki upada in se zaključuje mimo
sekundarnega navitja.
NIZKONAPETOSTNI NAPAJALNI MODUL Z GALVANSKO LOČITVIJO IN ENOFAZNO PFC STOPNJO 119
Tr.1 L-
uL- iout
iL+
iL-
+
+
L+Tr.2
D+
RBC
D-
usek
uL+
Uout
a)
Tr.1
uL-
iout
iL+
iL-
+
+
L+Tr.2
D+
RB
L-
C
D-
+
usek
uL+
Uout
b)
Slika 7: Tokovi v sekundarnem tokokrogu: a) aktivni interval
»1«, b) aktivni interval »3«
Skupni bremenski tok (iout) je torej enak vsoti tokov
skozi posamezno dušilko (iL+ + iL-), medtem ko teče
skozi sekundarno navitje zgolj polovična vrednost tega
toka. Sledi prostotečni interval (»2«), ko so iz
preventivnih razlogov vsa diagonalna stikala
izklopljena. Sekundarna napetost usek je enaka nič, kar
ustreza prostotečnim razmeram v sekundarnem
tokokrogu. Napetost na dušilkah je negativna, zato
tokova iL+ in iL- upadata in se mimo navitja
transformatorja zaključujeta skozi diodi in breme.
-0,5iout
0,5iout
0,5iout
t
t
t
t
t
t
usek
isek
uL-
iL-
uL+
iL+
iout
0,5iout
2 31
Slika 8: Karakteristične veličine DC/DC presmernika s
tokovnim podvojevalnim vezjem
Ob vklopu stikal nasprotne diagonale mostiča (interval
»3«) se na sekundarni strani transformatorja inducira
negativna napetost. To povzroči izklop diode D+, dioda
D- pa postane prevodno polarizirana. Skozi sekundarno
navitje steče negativen tok, ki se zaključuje skozi
dušilko L- diodo D- in breme. Amplituda sekundarnega
toka je enaka toku, ki je pred tem tekel skozi dušilko L-.
Na dušilki L+ se inducira negativna napetost, ki
povzroči upadanje toka iL+ v tokokrogu L+, D- in
breme. Strmini tokov v posamezni dušilki (iL+, iL-) sta si
po predznaku nasprotni, zato se valovitost skupnega
toka zmanjša glede na valovitost delnih tokov. To je
dodatna prednost tokovnega podvojevalnega vezja.
2.2.1 Regulacijska shema DC/DC presmernika
Regulacijsko vezje DC/DC presmernika mora poleg
konstantne izhodne napetosti zagotoviti enakomerno
porazdelitev tokov v izhodnih dušilkah, kot tudi
preprečiti enosmerno napetost na primarnih priključnih
sponkah. Glede na izbrano mostično topologijo DC/DC
presmernika in navedene zahteve smo se odločili za
regulacijsko metodo, ki temelji na tokovnem
regulacijskem principu (current mode PWM). Zato je
regulacijska shema DC/DC presmernika zasnovana
kaskadno. V podrejeni tokovni regulacijski zanki je
regulacija toka izvedena po metodi vrhnje vrednosti
[10], v vlogi regulatorja napetosti pa je uporabljen PI
člen. Na trgu je mogoče zaslediti številna namenska
integrirana vezja, ki vsebujejo zahtevane sklope za
realizacijo »current mode« načina regulacije izhodne
napetosti. V našem primeru smo za regulacijo izhodne
napetosti DC/DC presmernika uporabili vezje
izdelovalca Texas Instruments z oznako UC3856.
Med obratovanjem DC/DC presmernika smo
predvideli izrazito impulzni značaj obremenitve z
visokimi strminami in velikimi amplitudami
bremenskega toka. To se odraža v večjih dinamičnih
odstopanjih regulirane napetosti, kar otežuje
optimiziranje regulatorjev. Z dodajanjem gladilnih
kondenzatorjev na izhodu presmernika smo poleg
ugodnejše obremenitve le-teh (izmenična komponenta
toka) zmanjšali dinamično napako in posledično
»dinamično razbremenili« regulator.
3 EKSPERIMENTALNI MODEL NAPAJALNEGA
MODULA
V Laboratoriju za regulacijsko tehniko in močnostno
elektroniko smo izdelali nizkonapetostni napajalni
modul z galvansko ločitvijo in enofazno PFC stopnjo
(slika 9). Namenjen je napajanju pretvornika za
generiranje tokovnih impulzov [11] (elektrokemija),
katerih amplituda znaša 300 A (kratkotrajno 600 A),
pričakovana napetost na galvanski kopeli pa ne presega
6 V. Iz teh podatkov smo na podlagi ocene izkoristkov
posamezne pretvorniške stopnje določili potrebno
vhodno moč usmerniškega modula. Ta je skupaj s
preostalimi zahtevami PFC usmernika in DC/DC
presmernika razvidna iz tabele 1. Magnetne
komponente (transformatorja, filtrski dušilki) so
izdelane iz feritnih jeder z oznako E55/28/21.
120 LEBAN, VONČINA, ZAJEC
uAC
QD
QCQA
QB
Tr.1
Tr.2
L-
L+
D-
C
UoutCPFC
iAC
LPFC
iL
D1
|uAC|
UPFC
Q1
RB
PFC usmernik DC/DC presmernik
iout
D+
Slika 9: Eksperimentalni model predlaganega napajalnega modula
V vlogi polprevodniških stikal so bili uporabljeni
MOSFet tranzistorji z oznakami W45NM60 (PFC) oz.
STW45NM60 (DC/DC), v sekundarnem tokokrogu pa
sta bili uporabljeni diodi z oznako STPS80170. Skupna
kapacitivnost na izhodu napajalne stopnje znaša
približno 53 mF (242200 F).
Tabela 1
Priključna moč P = 1,6 kW
Nazivna napetost UAC =230 V
Faktor delavnosti cos   > 0,9
Stikalna frekvenca PFC fPFC = 50 kHz
Valovitost vhodnega toka iAC < 2 A
Napetost vmesnega tokokroga UPFC = 400 V
Izhodna napetost Uout,max = 40 V
Izhodni tok Iout,max = 40 A
Stikalna frekvenca DC/DC fDC/DC = 55 kHz
4 MERITVE NA EKSPERIMENTALNEM
MODELU
Meritve so bile opravljene ločeno za posamezno
pretvorniško stopnjo, z izjemo opazovanja dinamike
izhodne napetosti, kjer je bil DC/DC pretvornik napajan
iz PFC usmerniškega vezja. V nadaljevanju so
predstavljeni eksperimentalni rezultati, ki prikazujejo
karakteristične veličine omenjenih sklopov. Rezultati
podajajo različna obratovalna stanja, kar nam omogoča
natančen vpogled v delovanje posameznih sklopov in
kritično presojo primernosti predlagane topologije.
Slika 10 kaže poteke karakterističnih veličin PFC
usmerniškega vezja pri skočni obremenitvi. Ta se je v
trenutku t = 35 ms skočno povečala s 500 W na
1100 W, zato je prišlo do odstopanja izhodne napetosti.
Regulacijska zanka je nastali pogrešek odpravila v času
treh period omrežnega toka. V izhodni napetosti PFC
usmerniškega vezja (UPFC) je opazna izmenična
komponenta (100 Hz), ki se z obremenitvijo povečuje.
V ustaljenem obratovanju lahko iz primerjave oblik
vhodne napetosti (uAC) in vhodnega toka (iAC) sklepamo
na visok faktor delavnosti. Vrednost THD faktorja
Slika 10: Karakteristične veličine usmerniškega vezja med
prehodnim pojavom – skočna obremenitev
vhodnega toka se tako rekoč ni razlikoval od THD
vrednosti omrežne napetosti, za katero smo (do
dvajsetega harmonika) izmerili THD = 2,89 %.
Še bolj nazorno primerjavo vhodnih veličin PFC
usmerniškega vezja nam omogoča slika 11, kjer smo
med drugim opazovali vpliv delovanja
kompenzacijskega vezja na valovitost vhodnega toka.
Ta se je v primeru uporabljenega kompenzacijskega
vezja prepolovila.
Vpliv kompenzacijskega vezja smo ovrednotili tudi
s stališča višjeharmonskih komponent, ki jih usmerniško
vezje s svojim delovanjem »injicira« v omrežje. Na
sliki 12 sta prikazana frekvenčna spektra omrežnega
toka brez (svetla sled) in z dodanim (temna sled)
kompenzacijskim vezjem. Poleg harmonikov stikalne in
večkratnika stikalne frekvence se je do -20 dB zmanjšal
delež višjeharmonskih komponent omrežnega toka v
celotnem frekvenčnem območju merjenja.
20 40 60 80 100 120 140 160
-400
0
400
u
A
C
(
V
)
t (ms)
20 40 60 80 100 120 140 160
-10
0
10
i A
C
(
A
)
t (ms)
20 40 60 80 100 120 140 160
5
10
i L
(
A
)
t (ms)
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
200
400
U
P
F
C
(
V
)
t (ms)
NIZKONAPETOSTNI NAPAJALNI MODUL Z GALVANSKO LOČITVIJO IN ENOFAZNO PFC STOPNJO 121
Slika 11: Valovitost vhodnega toka brez kompenzacijskega
vezja in z dodanim kompenzacijskim vezjem
Slika 12: Vpliv kompenzacijskega vezja na frekvenčni spekter
omrežnega toka
Na sliki 13 so zbrani poteki karakterističnih veličin
DC/DC presmernika. Vklopno razmerje stikal v
posamezni diagonali je znašalo 35 %. V poteku
primarnega toka so vidni intervali obratovanja mostiča
znotraj enega preklopnega cikla diagonalnih
tranzistorjev. Prvemu aktivnemu intervalu – tok ipr skozi
primarno navitje narašča, sledi prostotečni interval s
tokom ipr = 0, nakar sledi drugi aktivni interval s
spremembo smeri in ponovnim naraščanjem primarnega
toka. Ob vsakokratnem nastopu prostotečnega intervala
– izklop vseh stikal v mostiču – prihaja do
prerazporeditve naboja na medelektrodnih
kapacitivnostih (CDS) posameznih tranzistorjev. To se v
kombinaciji s stresanimi in parazitnimi induktivnostmi
primarnega tokokroga kaže v oscilacijah napetosti na
primarnem navitju, ki ob ponovnem nastopu aktivnega
intervala izzvenijo. Pojav na pravilnost delovanja
presmernika ne vpliva, kar lahko sklepamo iz
simetričnega poteka primarnega toka (ipr) in tokov v
sekundarnem tokokrogu (iL+, iL-). Zaradi prepletenosti
(faznega zamika) tokov skozi posamezno dušilko se
valovitost skupnega toka na izhodu tokovnega
podvojevalnega vezja (iL+ + iL-) zmanjša. Minimalno
razliko v amplitudah toka iL+ in iL- lahko pripišemo
konstrukcijskim odstopanjem dušilk in nesimetriji
močnostnih povezav v izhodni stopnji vezja.
Slika 13: Potek karakterističnih veličin DC/DC presmernika
Slika 14 kaže potek izhodne napetosti DC/DC
presmernika (dinamiko regulacijske zanke) pri skočni
spremembi obremenitve. Izbiro parametrov
napetostnega regulatorja DC/DC presmernika smo
podredili dinamiki PFC usmerniškega vezja in tako
preprečili možnost neželenega vpliva na delovanje
omenjenih pretvornikov. Velika izhodna kapacitivnost
(53 mF) DC/DC presmernika in ustrezno nastavljeni
parametri napetostnega regulatorja so nam omogočili
kratke regulacijske čase ob minimalni dinamični napaki
regulirane veličine.
Slika 14: Dinamika regulirane napetosti Uout pri skočni
obremenitvi napajalnega modula
5 SKLEP
V prispevku smo predstavili nizkonapetostni
napajalni modul z galvansko ločitvijo in enofazno PFC
stopnjo, ki je bil uporabljen v procesnem tokovnem viru
za elektrokemijsko bakrenje tiskanih vezij. Vloga
napajalnega modula sta poleg zagotavljanja električne
energije zahtevanih parametrov tudi ustrezna galvanska
ločitev in zagotavljanje ustreznega faktorja delavnosti.
Omenjene zahteve smo izpolnili v dveh korakih, zato
smo napajalni modul zasnovali dvostopenjsko. Zahteve
0 20 40 60 80 100
-80
-40
i A
C
(
d
B
)
f (kHz)
brez kompenzacije
s kompenzacijo
-200
0
200
u
p
r
(V
)
t (ms)
0,01 0,02 0,03 0,04
-5
0
5
i p
r
(A
)
t (ms)
0,01 0,02 0,03 0,04
10
20
i L
+
,
i L
-
(A
)
t (ms)
0 20 40 60 80 100
10
20
i L
+
+
i
L
-
(A
)
t (us)
-10 -5 0 5 10 15 20 25
36
38
40
U
o
u
t
(V
)
t (ms)
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
0
10
20
i o
u
t
(A
)
t (ms)
122 LEBAN, VONČINA, ZAJEC
direktive EN 61000-3-2 smo izpolnili z vhodno stopnjo,
ki jo tvori PFC usmerniško vezje z ustreznim
krmiljenjem. Osrednji del vezja je od pretvornika
navzgor. Podrobneje smo analizirali njegovo delovanje
in podali ključne ugotovitve, ki se nanašajo predvsem
na omejeno dinamiko in pulzirajoč pretok energije. Iz
meritev, ki smo jih opravili na eksperimentalnem
modelu, se je kot smiseln izkazal tudi ukrep
zmanjševanja valovitosti vhodnega toka z dodatnim
kompenzacijskim vezjem. Pri njem igrata bistveno
vlogo načrtovanje in pravilna gradnja magnetno
sklopljenih navitij. Za gradnjo druge stopnje
napajalnega modula smo uporabili mostično izvedbo
pretvornika s pripadajočim visokofrekvenčnim
transformatorjem – DC/DC presmernikom. Poleg
zahteve po galvanski ločitvi smo izvedbo prilagodili
tudi izkoristku presmernika, zato smo v sekundarni
tokokrog umestili topologijo tokovnega podvojevalnega
vezja. Pravilnost izbire primarne in sekundarne
topologije pretvornika se je pokazala že v fazi gradnje
presmernika, saj so navitja transformatorja izvedena
brez dodatnih odcepov. Ne nazadnje smo pravilnost
izbrane topologije potrdili tudi z meritvami na
eksperimentalnem modelu. Te smo opravili ločeno za
posamezno stopnjo, preverili pa smo tudi skupno
delovanje PFC usmerniškega vezja in DC/DC
presmernika ter morebitne medsebojne vplive.