Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Rafał Widórek

Promotor: prof. dr hab. inż. Stanisław Kuta (AGH) Dyscyplina: Elektronika

Zapotrzebowanie na przetwornice mocy o wysokiej sprawności ciągle wzrasta. Trend ciągłej miniaturyzacji urządzeń użytkowych sprawia, że dostępne miejsce dla zasilacza jest stopniowo ograniczane. Zwiększenie sprawności energetycznej zasilacza umożliwia użycie mniejszych elementów mocy (np. tranzystory mocy, indukcyjności, dławiki, transformatory) oraz mniejszych radiatorów. Mając na uwadze rosnące ceny energii elektrycznej poprawa sprawności energetycznej zasilacza o 1% kosztem jego wyższej ceny staje się coraz bardzie atrakcyjnym rozwiązaniem, gdyż inwestycja ta jest w stanie się zwrócić po roku ciągłego użytkowania urządzenia. Tradycyjne rozwiązania stosujące twarde przełączanie coraz częściej nie są w stanie dać satysfakcjonujących wyników, dlatego zainteresowanie kieruje się w stronę rezonansowych przetwornic energii. Poprzez wykorzystanie technik miękkiego przełączania, rezonansowe przetwornice są w stanie osiągać wyższe sprawności. Z powodu występowania problemów związanych z rezonansowymi przetwornicami, ostatnie badania skupiały się na opracowaniu nowych topologii obwodów rezonansowych oraz metod ich projektowania. Opracowanie topologii wyższych rzędów takich jak LCC, LLC czy LCLC rozwiązało niektóre wady przetwornic rezonansowych. Równolegle, jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod sterowania przetwornicami jest modulacja częstotliwości (FM). Metoda ta jest relatywnie łatwa w analizie i implementacji i dlatego jest szeroko stosowana. Niestety, sterowanie FM charakteryzuje się słabą sprawnością dla obciążeń poniżej 40%. Potrzeba poprawy sprawności w tym zakresie wynika bezpośrednio z faktu, że zasilacz rzadko pracuje pod ciągłym pełnym obciążeniem. Tematyka sterowania rezonansowymi przetwornicami jest zatem bardzo atrakcyjnym polem do badań naukowych.

Wiele rozwiązań opublikowanych w ostatnich latach pokazuje, że temat ten nie został przebadany wystarczająco dokładnie. Jedno z ostatnich rozwiązań – Sequential Cycle Stealing (SCS)– bazujące na patencie PCT/EP2012/064379 nie zostało jeszcze przebadane. W związku z tym faktem, niniejsza dysertacja skupia się na zbadaniu właściwości i opracowaniu pierwszej wersji kontrolera SCS. Opisywana metoda polepsza sprawność energetyczną poprzez selektywne wygaszanie impulsów sterujących kluczami. W czasie kiedy impulsy sterujące są generowane, kontroler zapewnia warunki przełączania z zerowym napięciem. Natomiast, w czasie wygaszenia impulsów sterujących jeden z kluczy (w przypadku półmostka) pozostaje włączony w celu umożliwienia swobodnych oscylacji obwodu rezonansowego. Zmniejsza to rezystancję szeregową widzianą przez obwód rezonansowy i pozwala na wydłużenia czasu swobodnych oscylacji, co bezpośrednio przekłada się na zmniejszenie strat mocy w przetwornicy. Ważnym elementem kontrolera SCS jest właściwa synchronizacja pierwszego impulsu sterującego z prądem rezonansowym, po okresie wygaszenia. Stosując wyżej opisaną metodę, wykorzystanie elementów mocy przetwornicy jest wydajniejsze, co bezpośrednio przekłada się na poprawę parametrów przetwornicy.

Głównym celem rozprawy jest poprawa sprawności energetycznej przetwornicy rezonansowej oraz zmniejszenie emisji zaburzeń elektromagnetycznych. Badania skoncentrowane były na zbadaniu i implementacji nowej metody sterowania SCS. W ramach pracy zaprojektowano i wykonano model fizyczny przetwornicy rezonansowej oraz zaimplementowano algorytm SCS w postaci cyfrowej. Wykonane badania pokazały, że algorytm SCS istotnie poprawia sprawność w zakresie niskich obciążeń w stosunku do sterowania FM. Dodatkowo algorytm SCS zmniejsza poziom emisji zaburzeń elektromagnetycznych dzięki rozproszeniu widma generowanych zaburzeń.

Dłuższa wersja autoreferatu: AUTOREFERAT

Ważniejsze publikacje doktoranta:

1. R. Widórek, S. Ligenza i C. Worek, „Magnetic component design and switching technique in high efficiency flyback SMPS”, Electrical Review, s. 291-293, 03b 2013.
2. R. Widórek i S. Ligenza, „Integrated magnetic component in a 120 W resonant power supply dedicated for lighting applications”, Elektronika - konstrukcje, technologie, zastosowania, s. 23-26, 02 2013.
3. C. Worek, R. Widórek, S. Ligenza, „Integrated Magnetic Component in a 2kW Resonant Power Supply,” European Conference on Power Electronics and Applications EPE'2013, Lille, 2013.
4. S. Ligenza, C. Worek, R. Widórek, „Filtracja zaburzeń przewodzonych w rezonansowym konwerterze do zasilania lamp z diodami LED dużej mocy — Conducted emission filter in resonant converter for high power LED lighting applications”, Przegląd Elektrotechniczny s. 195-198, 07 2014