Simulare Proiectare Convertoar Boost

INTRODUCERE

De la realizarea primului tranzistor bipolar (1947), s-a diversificat continuu

gama dispozitivelor semiconductoare de putere (diode, tranzistoare si tiristoare),

atingand treptat un inalt nivel de maturitate tehnologica si functionala.

Realizate cu ajutorul unor astfel de dispozitive, convertoarele de energie

electrica – cunoscute mai ales sub denumirea de convertoare electronice de putere

– sunt aparatele care se interpun intre sursele de energie si consumatori si au rolul

de a converti forma si parametrii energiei in concordanta cu cerintele

consumatorilor. Aceste conversii trebuie sa se faca cu randamente cat mai ridicate,

asigurandu-se 0.

formele de unda optime ale tensiunilor si curentilor la intrarile si iesirile

convertoarelor.

Convertoarele cu circuite cvasirezonante sunt intens studiate si aplicate pe

plan mondial, ele caracterizandu-se prin pierderi de comutatie reduse, dimensiuni

si costuri diminuate, precum si probleme de interferenta electromagnetica mai

putin severe.

In conceptia marilor personalitati in materie, precum prof. Slobodan Cuk,

convertoarele cc-cc sunt poarta de intrare in electronica de putere. O justificare ar

fi faptul ca studiul lor se poate face mai direct decat in cazul convertoarelor care au

la intrare sau la iesire energie alternativa. Acestea intalnite frecvent si sub

denumirea de convertoare de curent continuu, permit transformarea energiei

furnizate de o sursa de tensiune continua intr-o noua energie de tensiune continua,

de o alta valoare, eventual reglabila. In scopul imbunatatirii performantelor

convertoarelor de tip cc-cc vom urmari doua obiective principale:

- cresterea randamentului de conversie;

- reducerea dimensiunilor de gabarit ale acestora.

Imbunatatirea celui de-al doilea obiectiv s-a realizat prin aportul tehnologiei

dispozitivelor semiconductoare de putere, care a furnizat componente cu

performante ridicate si de volum redus.

In structura convertoarelor de putere au ramas insa componentele pasive

reactive, uneori de dimensiuni reglabile in comparatie cu restul componentelor. O

modalitate de a reduce dimensiunile acestor componente este inlocuirea

convertoarelor clasice cu convertoarele de putere care lucreaza in modul comutat.

Utilizarea acestor tipuri de convertoare permite cresterea frecventei de lucru si,

astfel, valorile componentelor reactive sunt substantial reduse, ceea ce implica si

reducerea corespunzatoare a dimensiunilor acestora. La cresterea frecventei de

lucru se observa in schimb, scaderea randamentului de conversie prin cresterea

pierderilor de comutatie la nivelul semiconductoarelor de putere.

Utilizarea tehnicilor cu modularea impulsurilor in durata determina cresteri

substantiate ale pierderilor la comutatie ale dispozitivelor semiconductoare de

putere, fara a avea ca urmare reducerea dimensiunilor componentelor pasive

reactive. Aceste pierderi la comutatie implica cresterea dimensiunilor radiatoarelor

acestora si ale intregului convertor de putere.

Pe langa scaderea randamentului de conversie, intalnim un alt dezavantaj al

utilizarii convertoarelor de putere, si anume: producerea unor perturbatii

electromagnetice de nivel ridicat datorate vitezelor de variatie in timp ale

tensiunilor si curentilor din circuit, specifice modului de lucru comutat.

Solutia cea mai atractiva pentru reducerea pierderilor la comutatie o

constituie utilizarea convertoarelor de putere rezonante sau cvasirezonante,

deoarece se mentine o frecventa de lucru ridicata chiar si in conditiile utilizarii

unor tehnici de comanda cu modulatia impulsurilor in durata.

Dispozitivele semiconductoare ale acestor tipuri de convertoare au modul

de lucru rezonant. Acesta se caracterizeaza prin transformarea formelor de unda

dreptunghiulare ale tensiunii de la bornele dispozitivului de putere si ale curentului

care circula prin acesta in forme de unda sinusoidale. Modificarea formelor de

unda au ca efect trecerea din starea de blocare in stare a de conductie a acestuia,

fapt denumit si comutatie directa, si/sau trecerea din starea de conductie in starea

de blocare, fapt denumit si comutatie inversa numai in conditiile in care tensiunea

de la bornele si/sau curentul prin acesta sunt egale cu zero.

Daca dispozitivul de putere comuta direct atunci cand tensiunea la bornele sale este

nula, se realizeaza comutarea la tensiune zero (ZVS-zero voltage switching), iar

daca acesta comuta invers atunci cand curentul care circula prin dispozitiv este nul,

se realizeaza comutarea la curent zero (ZCV- zero current switching).

Inlocuirea comutatoarelor comandate cu comutatoare comandate

cvasirezonante este una dintre cele mai simple solutii de a transforma un convertor

de putere care lucreaza in modul comutat intr-un convertor rezonant sau

cvasirezonant.

In Capitolul 1 se prezinta comutatoarele cvasirezonante utilizate in

convertoarele cvasirezonante de tip cc-cc, evidentiindu-se avantajele si

dezavantajele utilizarii acestora.

In Capitolul 2 este descrisa in detaliu functionarea clasica a convertoarelor

corespunzatoare modului continuu si discontinuu. Deoarece convertoarele de tip

BOOST furnizeaza o tensiune de iesire aproximativ continua mai mare ca

tensiunea de intrare in convertor, acestea se mai numesc si convertoare ridicatoare

de tensiune (step-up converters ).

In Capitolul 3 sunt prezentate convertoarele cvasirezonate de tip BOOST cu

comutare la tensiune zero iar in Capitolul 4 convertoarele de tip BOOST cu

comutare la curent zero.

Ulimul parte a lucrarii, Capitolul 5, cuprinde partea de simulare a

convertorului, pentru modul de functionare continuu, cu comutare la tensiune zero

si cu comutare la curent zero.

CAPITOLUL I

COMUTATOARE COMANDATE

CVASIREZONANTE

Comutatoarele comandate din structura convertoarelor de putere sunt

realizate cu dispozitivele semiconductoare adecvate acestei functii. Dintre acestea,

in convertoarele moderne sunt utilizate aproape exclusiv noile dispozitive

semiconductoare de putere, care prezinta posibilitatea de a fi comandate atat in

stare de conductie, cat si in stare de blocare prin intermediul semnalelor de

comanda. Ca urmare a acestei facilitati, dispozitivele semiconductoare de putere

din aceasta categorie sunt denumite generic „comutatoare comandate”. In aceasta

categorie intra tranzistorul bipolar, tranzistorul MOS, tiristorul cu blocare pe

poarta, tranzistorul bipolar cu poarta izolata si tiristorul comandat MOS.

Comutatoarele comandate cvasirezonante se obtin prin atasarea la

comutatorul comandat (deci la dispozitivul semiconductor de putere) a unui circuit

rezonant de tip L-C. Prin aceasta modificare de circuit se urmareste transformarea

formei de unda dreptunghiulare a tensiunii de la bornele comutatorului sau a

curentului care circula prin comutator intr-o forma de unda sinusoidala,

realizandu-se conditiile necesre comutarii la tensiune sau curent zero.