Teholähdepiirilevyn suunnittelu akkukäyttöiseen laitteeseen

Teholähdepiirilevyn suunnittelu etenkin kooltaan pieneen akkukäyttöiseen laitteeseen on monivaiheinen suunnitteluprosessi. Teholähdetopologioiden valinta levylle määrää heti alkuunsa kuinka vakaata jännitettä levyllä voidaan tuottaa, kuinka suuria tehoja siitä voidaan ottaa, miten paljon häiriöitä levy tuottaa ympäristöönsä ja ennen kaikkea, kun akkukäyttöisestä laitteesta on kysymys, kuinka hyvään hyötysuhteeseen sillä voidaan päästä. Suunnittelun kannalta hakkuriteholähde on teholähdetopologioista vaativin. Tässä työssä paneudutaankin tarkemmin boost-hakkuriteholähteen suunnitteluun. Pelkkä hakkurin komponenttien mitoitus ei takaa teholähteelle parasta mahdollista toimintaa, vaan myös piirilevysuunnittelulla on suuri merkitys. Akkukäyttöisen laitteen teholähdepiirilevyn suunnittelu ei rajoitu yksinomaan teholähteiden suunnitteluun vaan levy sisältää usein myös muuta oheiselektroniikkaa, yleensä ainakin laitteen käynnistyselektroniikan sekä akun latausjärjestelmän. Etenkin akun latausjärjestelmän suunnittelu saattaa muodostua hyvinkin monimutkaiseksi tehtäväksi. Tässä työssä onkin tutkittu muutaman yleisimmän akkutyypin latausmenetelmiä. Työssä suunnitellaan myös käytännössä teholähdepiirilevy akkukäyttöiseen mittalaitteeseen. Levyn toimintaa tutkitaan erinäisin mittauksin, joilla pyritään selvittämään levyn heikkoudet. Näiden heikkouksien pohjalta levystä suunnitellaan paranneltu versio. Tällekin levylle tehdään samat mittaukset kuin edelliselle versiolle, joista selviää parannusten onnistuminen.

Hakkuriteholähteen säädön suunnittelu

Diplomityö on tehty osana ETX-tutkimushanketta: 'Volyymiteholähteen suunnittelumetodien kehitys ja optimointi DFM-viitekehyksessä'. Työssä suunnitellaan hakkuriteholähteelle säätäjä. Tähän suunnittelun sektoriin syventyminen on teollisuudessa jäänyt monesti vähälle. Säätö on tavallisesti ajan puutteen ja apuvälineiden käytön osaamattomuuden tai puuttumisen takia suunniteltu kokeilemalla. Työssä muodostetaan jännitemuotoisesti säädetylle hakkurille piensignaalimallilla linearisoidut siirtofunktiot, joiden perusteella voidaan tarkastella hakkurin stabiilisuutta takaisinkytketyssä säätösilmukassa. Stabiiliustarkastelu tehdään taajuustasossa käyttäen Bode-kuvaajia. Näiden kuvaajien perusteella viritetään järjestelmään säätäjä. Säätäjän toimintaa aikatasossa tarkastellaan simuloimalla ja reaalisen laitteen toimimista laboratorioprototyypin avulla. Tulosten perusteella voidaan todeta, että jännitemuotoisella säädöllä flyback-hakkuri saadaan nopeaksi epäjatkuvalla käämivirralla. Mikäli halutaan hakkurin toimivan jatkuvalla käämivirralla, on syytä käyttää muita säätömenetelmiä, esimerkiksi huippuvirtasäätöä.

Tehokerroinkorjatun hakkuriteholähteen toteutusvaihtoehdot

Hyötysuhteen merkitys tehoelektroniikan järjestelmissä kasvaa jatkuvasti kun käytössä olevien järjestelmien määrä lisääntyy ja toisaalta energian hinta kallistuu. Hyötysuhteen lisäksi verkkovirran käyrämuotovaatimukset asettavat omat haasteensa sähköverkkoon liitettävien tehoelektroniikkajärjestelmien suunnittelulle. Tässä työssä tutkitaan häviöiden syntyyn vaikuttavia tekijöitä hakkuriteholähteissä ja pyritään löytämään keinoja hyötysuhteen parantamiseksi. Työssä analysoidaan 300 W – 2 kW tehoalueelle soveltuvat, tehokerroinkorjattujen AC/DC-hakkuriteholähteiden topologiavaihtoehdot ja arvioidaan niiden soveltuvuutta tavanomaisen boost-topologian korvaajaksi. Tarkastelussa otetaan huomioon kustannukset, toimivuus sekä saavutettu hyötysuhteen parantuminen verrattuna perinteisellä topologialla toteutettuun teholähteeseen. Tarkasteltavat topologiat valitaan kirjallisuustutkimuksen perusteella. Valittujen topologioiden häviöt ja hyötysuhde selvitetään analyyttisin menetelmin sekä simuloimalla. Käytännön testausta varten suunnitellaan ja rakennetaan prototyyppi valitusta topologiasta.

Vuotasapainon hallinta kokosiltasyötetyssä muuntajassa

Keskitaajuudella toimivia muuntajia käytetään laajalti tehoelektroniikkasovelluksissa kuten DC/DC-konverttereissa ja muissa hakkuriteholähteissä. Muuntaja on induktiivinen komponentti, jonka magneettisen tasapainon säilyttäminen hakkuriteholähteissä on laitteen virheettömän toiminnan kannalta tärkeää. Muuntajaa syöttävän virtapiirin on muodostettava symmetrinen syöttöjännite, jotta muuntajan vuo ei ajaudu positiiviseen tai negatiiviseen kyllästykseen. Tässä diplomityössä esitetään muuntajan sähkömagneettinen toimintaperiaate, kyllästymisen syyt hakkuriteholähteissä sekä kehitetään aktiivinen ohjaus vuotasapainon säilyttämiseksi. Hakkuriteholähteissä käytettävissä muuntajissa on monesti useampi kuin kaksi käämiä. Tässä työssä tutkittavassa muuntajassa on useita ensiöitä ja useita toisioita ja muuntajaa syötetään keskitaajuudella. Tämä tuo uusia ongelmia verrattuna perinteiseen yksivaiheiseen DC/DC-konvertteriin. Näihin ongelmiin esitetään ratkaisut diplomityön tutkimuksessa.