Mittausjärjestely

Mittauksissa käytettiin syöttävänä lähteenä säädettävää AC-lähdettä: Agilent 6812B sekä DC-lähdettä: LPS-225. Kuormana käytettiin säädettävää vastusta: Terco load resistor MV 1100. Mittalaitteina käytettiin oskilloskooppia: LeCroy LC574A sekä yleismittaria:

Fluke 187. Käytössä ollut dSpace alusta oli DS1103.

6.2 Värähtelyongelma

Prototyypin toimintaa testattiin aluksi pienillä jännitteillä ja virroilla, jolloin todettiin ohja-uselektroniikan toimivan halutulla tavalla. Kun virtaa yritettiin nostaa lähtöjännitteen kas-vattamiseksi haluttuun 400 V:iin, alkoi laitteessa esiintyä huomattavan suurta värähtelyä.

Värähtely näkyi MOSFET:ien D-S-jännitteissä sekä kelan jännitteessä. Soiminen paheni virtaa nostettaessa, kunnes tehoa ei enää siirtynyt lähtöön, vaan virran kasvattaminen lisäsi

käytännössä vain värähtelyä. Kuvassa 6.1 nähdään värähtely mitattuna MOSFET T2:n yli, kun tulojännite on 230 V, lähtöjännite 390 V ja kuorman resistanssi 320 Ω. Hitaasti vai-menevan värähtelyn taajuus oli noin 300 kHz tihentyen värähtelyn jatkuessa.

Värähtely aiheutti ongelmia myös ohjauselektroniikkaan, sillä värähtely näkyi kelan yli olevassa jännitteessä. Kelan jännitettä puolestaan käytettiin kohdassa 5.2.2 esitellyllä taval-la käämivirran noltaval-lakohdan havaitsemiseen. Värähtelystä johtuen, ketaval-lan jännite ei pysynyt nollassa riittävän kauaa, jotta ohjauselektroniikka olisi ehtinyt reagoida, joten uutta kytken-tää ei tapahtunut, ennen kuin värähtely oli vaimentunut riittävästi. Näin ollen kytkentäjak-sojen väliin jäi varsin pitkä turha väli jolloin tehoa ei siirtynyt kuormaan. Tavoiteltu CRM-tila muuttui DCM-CRM-tilaksi ja pulssisuhde oli jotain aivan muuta kuin oli tarkoitus.

Kuva 6.1 Jännitteen värähtely ilman kytkentäsuojapiiriä. Kuvan signaalit: tulovirta (1), MOSFET T2:n hila-jännite (2), MOSFET T2:n D-S-hila-jännite (3).

Värähtelyn syynä ovat todennäköisesti teholähteen loiskapasitanssit ja -induktanssit jotka muodostavat yhdessä kelan kanssa LC-resonanssipiirin. Artikkelissa /35/ on raportoitu vas-taavanlaista värähtelyä myös dual boost -topologialla. Värähtelyä esiintyy nimenomaan teholähteen toimiessa epäjatkuvalla käämiviralla, sillä vasta kelan energian purkauduttua alkaa loiskapasitansseihin varautunut energia purkautua ja aiheuttaa värähtelyä. Ongelma korostuu totem pole -topologialla, koska joudutaan toimimaan aina epäjatkuvalla tai kriitti-sellä käämivirralla.

Loiskapasitanssien ja -induktanssien minimoimisessa on piirilevyn layout-suunnittelu avainasemassa. Piirilevyn suunnittelussa olikin nämä seikat otettu huomioon mutta silti ei haittatekijöistä oltu päästy täysin eroon. Piirilevyn lisäksi MOSFET:ien sekä diodien yli muodostuu loiskapasitansseja ja -induktansseja. Värähtelyä on mahdollista vaimentaa yk-sinkertaisella RC-snubberilla MOSFET:in yli, kuten on ehdotettu artikkelissa /35/. Riittä-vän vaimennuksen saavuttamiseksi, pitää snubberin kapasitanssin olla noin kaksinkertai-nen MOSFET:in kapasitanssiin nähden. Toisaalta snubberissa kuluva teho on verrannolli-nen snubberin kapasitanssiin C_s seuraavan kaavan mukaan:

s 2 o s

häviö CU f

P ≈ . (6.1)

/36/

Värähtelyn vaimentamiseksi prototyyppiin lisättiin RC-snubberi MOSFET T2:n yli.

MOSFET:in efektiivinen kapasitanssi on valmistajan mukaan 350 pF, joten valittiin snub-berin kapasitanssiksi 680 pF ja vastuksen arvoksi 330 Ω. Snubsnub-berin avulla värähtelyä saa-tiinkin jonkin verran vaimennettua mutta ei kokonaan. Kuvassa 6.2 nähdään vastaava ti-lanne kuin kuvassa 6.1 mutta snubberin kanssa. Mittaus on tehty positiivisella puolijaksol-la, jolloin MOSFET T2 toimii kytkimenä ja T1 runkodiodina.

Kuva 6.2 Jännitteen värähtely snubberin lisäämisen jälkeen. Kuvan signaalit: MOSFET T2:n hilajännite (4) ja MOSFET T2:n D-S-jännite (3).

Kuvassa 6.3 nähdään tulovirran aaltomuoto samassa tilanteessa ja snubberin kanssa. Vä-rähtely näkyy myös tulovirrassa, eikä input-suodin pysty täysin suodattamaan sitä pois.

Kuva 6.3 Tulovirran aaltomuoto 230 V:n tulojännitteellä, 390 V:n lähtöjännitteellä ja 320 Ω:n kuormalla.

Kuvan signaalit: tulovirta (1) ja tulojännite (2).

Testatussa snubberissa hukkuva teho on kaavan 6.1 mukaan 400 V:n lähtöjännitteellä ja 100 kHz:n kytkentätaajuudella jopa 10,88 W. Tällainen tehohäviö on kestämätön hyö-tysuhteen kannalta sekä snubberin vastukselle, joka on mitoitettu 2 W:n teholle. Vastus alkoikin lämmetä ja tummua joten testiä ei voitu jatkaa kovin pitkään. Snubberissa kokeil-tiin myös muita kapasitanssi- sekä vastusarvoja mutta pienemmällä kapasitanssilla vai-mennus huononi ja suuremmalla taas häviöteho lisääntyi lämpenemisen muodossa. Snub-beria kokeiltiin myös sijoittaa runkodiodina toimivan MOSFET:in yli, molempien MOSFET:ien yli sekä kelan yli. Kaikilla vaihtoehdoilla värähtelyä saatiin vaimennettua mutta ei millään täysin. Todettiin että värähtelyä ei saada pelkällä RC-snubberilla vaime-nemaan ja monimutkaisemman piirin kehittelyyn ja testaukseen ei riittänyt aikaa. Häiriö-ongelman voittaminen olisi mahdollisesti vaatinut piirilevyn uudelleensuunnittelua. Myös toisenlainen säätöperiaate voisi olla ratkaisu, sillä nyt jännitteen värähtely häiritsee myös säädön toimintaa.

Varsinaisia hyötysuhdemittauksia ei ollut mielekästä suorittaa, koska värähtelyyn ja snub-beriin hukkuva energia olisi huonontanut hyötysuhdetta merkittävästi. Säädön

dynamiik-kaa sen sijaan pystyttiin testaamaan pienellä teholla, jolloin värähtely ei suuresti häirinnyt mittausta.

6.3 Transienttivasteet

Teholähteen reagointia tulojännitteen askelmaiseen muutokseen testattiin pudottamalla tu-lojännite 115 V:sta 86 V:iin ja sen jälkeen nostamalla takaisin 115 V:iin. Lähtöjännitteeksi oli asetettu 190 V ja kuorman resistanssiksi 200 Ω. Kuvissa 6.4 ja 6.5 nähdään lähtöjännit-teen vaste tulojännitlähtöjännit-teen muutoksiin sekä digitaalisen säätösuureen ja ohjausjännitlähtöjännit-teen muutos.

0 50 100 150 200

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

t [s]

U [V]

Kuva 6.4 Vaste tulojännitteen muuttuessa 115 V:sta 86 V:iin. Kuvan signaalit: lähtöjännite, integroitu erosuure (skaalattu ×50) ja dSpace-lähtö eli referenssijännite (skaalattu ×50).

0 50 100 150 200

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

t [s]

U [V]

Kuva 6.5 Vaste tulojännitteen muuttuessa 86 V:sta 115 V:iin. Kuvan signaalit: lähtöjännite, integroitu erosuure (skaalattu ×50) ja dSpace-lähtö eli referenssijännite (skaalattu ×50).

Teholähteen vaste kuorman askelmaiselle muutokselle testattiin 115 V:n tulojännitteellä ja 190 V:n lähtöjännitteellä. Teholähdettä ajettiin ensin ilman kuormaa ja sitten kytkettiin sii-hen 200 Ω:n kuorma. Tämä vastaa lähtötehon muutosta 0 W:sta 180 W:iin. Haluttiin myös arvioida kuorman virtatiedon vaikutusta säädön dynamiikkaan, joten vaste kuorman muu-tokselle mitattiin ensin ilman kuorman virtatietoa ja sen jälkeen virtatietoa hyödyntäen.

Vaste ilman virtatietoa nähdään kuvassa 6.6 ja virtatiedon kanssa kuvassa 6.7.

Kun virtatietoa käytetään kertoimena, vaste on toki jyrkempi mutta myös jännitteen aset-tuminen kestää kauemmin. Lisäksi virrassa esiintyy suodatuksesta huolimatta runsaasti häi-riötä kuorman muutoksen tapahtuessa.

0 50 100 150 200

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

t [s]

U [V]

Kuva 6.6 Vaste ilman virtasäätöä kuormituksen muuttuessa 0 W:sta 180 W:iin. Kuvan signaalit: lähtöjännite, integroitu erosuure (skaalattu ×50) ja dSpace-lähtö eli referenssijännite (skaalattu ×50).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

t [s]

U [V]

Kuva 6.7 Vaste virtasäädöllä kuormituksen muuttuessa 0 W:sta 180 W:iin. Kuvan signaalit: lähtöjännite, kuorman virta (skaalattu ×40), integroitu erosuure (skaalattu ×50) ja dSpace-lähtö eli referenssijännite (skaa-lattu ×50).