195370. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés rezonáns rendszerű kapcsolóüzemű villamos átalakítóhoz
1 195 370 2 A találmány tárgya kapcsolóüzemű átalakítók, elsősorban kapcsolóüzemű tápegységek üzemi tulajdonságainak javítására szolgáló kapcsolási elrendezés. Az egy vagy több stabilizált egyenfeszültségű kimenetet adó kapcsolóüzemű átalakítók legtöbbször szabályozott egyen-egyen átalakítók. Közös jellemzőjük, hogy a váltakozóáramú táphálózat esetén hálózati egyenirányítással nyert bemeneti egyenfeszültségről vezérelt kapcsolók segítségével impulzus szélesség, illetve impulzus frekvencia modulációval (PWM, PFM) állítják elő a szabályozott kimeneti feszültséget (feszültségeket), miközben az esetek többségében a bemenet és kimenet galvanikus elválasztásáról is gondoskodnak. Az átalakító két fő részre, az energiaátvivő és vezérlőmeghajtó egységre bontható, ez utóbbi legtöbbször segédtápfeszültséget igényel. A működési elvből következik, hogy az energiaátvivő egység mindig tartalmaz legalább egy energiatárolót (a bemeneten szakaszos, a kimeneten folytonos az energiaáramlás). Egytárolós megoldásnál a tároló szinte kizárólag induktivitás, két vagy több tároló esetén induktivitás(ok) és kapacitás(ok), melyek rezonáns kört is alkothatnak (rezonáns átalakítók). A következőkben a négyszögkapcsoló feszültséggel és árammal működő nem rezonáns, valamint a rezonáns átalakítókat, illetve fontosabb tulajdonságaikat külön-külön'áttekintjük, hogy a javasolt kapcsolások ismertetése után azok előnyeit kidomboríthassuk. A nem rezonáns kapcsolóüzemű átalakítók nyitóüzemű (forward) vagy záróüzemű (flyback) típusúak lehetnek. A szabályozás mindkettőnél a kitöltési tényező (a kap^oló bekapcsolási idejének és periódusidőnek a hányadosa) változtatásával történik. Ha a bemenet és a kimenet galvanikus szétválasztása is követelmény, mindig tartalmaz a kapcsolás transzformátort is. Záróüzemű megoldásnál ez az energiatároló szerepét is betöltheti. Nyitóüzemű átalakítóknál a transzformátor szekunderén egy- vagy kétütemű egyenirányítást alkalmazunk, utóbbi lehetőséget nyújt az induktív energiatároló táprendszer oldali elhelyezésére is. (Úgynevezett áramtáplált in verteres megoldások.) Egyik megoldási formáról a PESC 1979 Record konferencia anyagban R.P.Sevens közöl cikket: A New Current-Fed Converter Topology címmel. A kétütemű átvivők a táprendszer oldalán ellenütemű (push-pull), félhidas (half bridge), illetve teljes hidas (full bridge) kapcsolásúak lehetnek. A mágnesezés itt szimmetrikus. Az egész szabályozott teljesítményátvitelt tekintve megállapítható, hogy a kapcsolók típusteljesítménye és a kapcsolási veszteség szempontjából is közvetlen csatolt nyitóüzemű kapcsolás a legkedvezőbb. A leggyakrabban bipoláris tranzisztorokkal megvalósított kapcsolók két lehetséges állapota közötti átmenetek az ide tartozó valamennyi kapcsolási változatnál kapcsolási veszteségek forrásai. Ezt tárgyalja a MBLE 1980-ban megjelent Components and know-how for Switched-Mode Power Supply című kiadványa. Transzformátor alkalmazása a viszonyokat legalább 4:1 arányban rontja. A rezonáns kapcsolóüzemű átalakítók kapcsolóinak egyik villamos paramétere — árama vagy feszültsége - nem négyszög, hanem szinusz időfüggvényt közelítő lefolyású, ezért a kapcsolási veszteség zérushoz tarthat. Ezzel szemben a statikus veszteségek nagyobbak lesznek, mert rendszerint jelentős meddő teljesítmény átvitellel kell számolnunk, amely a kapcsolók és átvivők teljesítményének növekedését is eredményezi. Ezen kívül a hagyományos rezonáns inverterek szabályozhatósága kedvezőtlen; a szinuszos jelalakok torzulhatnak és kapcsolási veszteség is felléphet, vagy - szünetidős szabályozással - a típusteljesítmény és a statikus veszteségek tovább növekednek, amint a Hewlett-Packard Journal 1981. augusztusi számában ismertetett megoldásból is kiderül. A rezonáns energiaátalakító egység célja az előzőekben vázolt nehézségek csökkentése, nevezetesen, hogy a rezonáns átalakító kis kapcsolási veszteséggel működjön, és mérsékelje a hagyományos megoldások meddőenergia átvitelből adódó veszteségeit. A rezonáns energiaátalakító alapja az a felismerés, hogy a galvanikus leválasztást is biztosító transzformátor működésének egyik fázisában energiaátvivő elem hagyományos transzformátorként viselkedik, másik fázisában rezgőköri elem, mely a csatolt kapacitással lengőkört alkot. A találmány kapcsolási elrendezés rezonáns rendszerű kapcsolóüzemű villamos átalakítókhoz. A megoldás lényege az, hogy az átalakítónak legalább egy, két vagy több tekerccsel rendelkező transzformátora van, melynek egyik tekercse soros vezérelt kapcsolón keresztül a táprendszerre, egy másik tekercse soros kapcsolón keresztül a táplált rendszerre csatlakozik úgy, hogy a kapcsolók egyidejűleg zártak, és a kapcsolókkal és/vagy a transzformátor valamely tekercsével kapacitív elem van párhuzamosan kötve. A találmány tárgyát alkotó kapcsolási elrendezéseket részletesebben az ábrák alapján ismertetjük, ahol az 1. ábra a rezonáns energiaátalakító egység két blokkot tartalmazó kiviteli alakjának kapcsolási elrendezése, a 2. ábra az 1. ábra szerinti elrendezés működésére jellemző jelalakokat, a 3. ábra az 1. ábra szerinti elrendezés transzformátorának felépítését mutatja közös vasmag esetén. Az 1. ábra a találmány szerinti kétütemű 100 energiaátalakító, amely két azonos felépítésű BL1, BL2 egységből áll. Az egységek elemeinek megkülönböztetésére 1, illetve 2 indexet használunk. Az egyes egységek bemenetei a közös 310, 311 tápsínre csatlakoznak. Kimeneteik pedig a kimeneti 320, 321 síneken vannak közösítve. A BL1 egységet tekintve, a bemeneti 310 és 311 tápsínek a vezérelt KI kapcsolón keresztül csatlakoznak a Trl transzformátor táprendszer oldali Ll/1 tekercsére. AKI kapcsolóval rezgők őri Cl kondenzátor van párhuzamosan kötve. A Trl transzformátor táplált rendszer oldali Ll/2 tekercse a vezéreletlen Dl 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
