НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА ПОСТРОЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ DC/DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (ПЯТЫЙ КЛАСС)

May 28, 2010 by admin Комментировать »

В первых четырех статьях-классах мы практически уже рассмотрели са­мые важные основы построения им­пульсных преобразователей. Можно было бы считать, что начальная шко­ла окончена и мы вместе с читателя­ми-учениками переходим в среднюю школу. Однако имеется несколько разделов в данной прикладной науке, без которых применять на практике полученные знания будет трудновато. Поэтому есть предложение поучиться еще немного. А уж потом перейти в среднюю и далее в высшую школу.

Наметим следующее движение в нашем образовании в рамках началь­ной школы.

В пятом и шестом классах мы пройдем сдвоенные и двухтактные преобразователи, в седьмом — преоб­разователи с нулями напряжения и нулями тока, ну а если будут возмож­ности, в восьмом поговорим о поме­хах и тепловых проблемах.

Итак, что же мы узнали о наибо­лее распространенных импульсных преобразователях — одинарном пря-моходовом преобразователе ОПП и одинарном обратноходовом преобра­зователе ООП, не без умысла обо­значенных нами, как своеобразные Мерседес и Пежо (автор надеется, что номера журналов с предыдущи­ми статьями-классами читатели со­хранили)?

Мы знаем, что в ОПП функции гальванической развязки, трансфор­мирования напряжения и тока и функции фильтрации, преобразова­ния всего импульсного в аналоговое четко разделены между трансформа­тором и дросселем. В ООП эти функции в основном совмещены в одном элементе — в дросселе-транс­форматоре.

Мы вывели, что в ОПП магнитоп-ровод трансформатора может пере-магничиваться по симметричной пет­ле гистерезиса, используя максималь­ный диапазон индукции, в то время как в ООП магнитопровод трансфор­матора находится под действием од­нонаправленного магнитного поля и постоянно намагничен.

Главный герой — «властелин ко­лец» в трансформаторе ОПП — ток намагничивания, а в трансформаторе (дросселе) ООП имеется главная геро­иня — индуктивность обмоток. Регу­лировочная характеристика ОПП — линейна, а ООП — нелинейна, хотя это и не так уж плохо, ибо такие же изменения @ в ООП, как в ОПП, приводят к большим изменениям вы­ходного напряжения. Т.е. ООП регу­лируется в более широких пределах меньшими усилиями.

Мы сделали важный вывод, что заранее, априори, невозможно от­дать предпочтение ОПП или ООП, ориентируясь только на энергети­ческие характеристики.

Необходимо принимать во внима­ние не только напряжения, токи, мощности, диапазоны их изменения, поведение энергетических характерис­тик в прогнозируемых критических и переходных режимах. Обязательно придется рассмотреть тонкости техно­логии производства, конструктивные принципы, закладываемые в изделие, условия теплопередачи, варианты компоновки, ограничения по выбору рабочей частоты, необходимость или вредность дробления крупноразмер­ных моточных компонентов на части, требования низкопрофильности и многое другое.

Объективный выбор между ОПП или ООП может быть сделан только с учетом множества конкретных усло­вий и ограничений, в ряде случаев конструктивно-технологического и производственного плана, нежели электрического и научного.

Говоря с улыбкой — мы не смог­ли узнать, что лучше, Мерседес или Пежо. Но зато узнали универсаль­ную схему с не совсем серьезным наз­ванием — косой полумост, которая оказалась палочкой-выручалочкой и для ОПП и для ООП в случаях, ког­да даже уникальные свойства МОП-транзисторов по быстродействию, пе­регрузочной способности и отсут­ствию вторичного пробоя не помога­ют — в случаях работы с повышен­ными входными напряжениями.

Здесь внимательный читатель воз­можно спросит — а зачем нам пона­добились танкисты и велосипед? Де­ло в том, что в этом классе мы пого­ворим о сдвоенных однотактных пре­образователях напряжения, в кото­рых проглядывают аналогии с двумя педалями (двумя руками, двумя нога­ми и т.п.).

Переходим в пятый класс

Зачем нужно сдваивать импульс­ные преобразователи напряжения? Конечно, не только затем, чтобы уве­личить мощность в нагрузке. Давайте посмотрим на проблемы повышения частоты импульсных преобразовате­лей как средство миниатюризации с позиций элементной базы.

Наиболее трудно дается повыше­ние частоты для силовых транзисто­ров. Представьте, что при каждом включении силовой транзистор почти мгновенно разряжает сам на себя собственные емкости, связанные с его стоком, почти мгновенно разряжает (заряжает) все емкости конструкции,

clip_image002

Рис. 1. Схема силовой части сдвоенного однотактного прямоходового преобразователя — СПП

clip_image004

Рис. 2. Схема силовой части сдвоенного однотактного обратноходового преобразователя — СОП

соединяющие сток с шинами нитания. Также имеются экстратоки, вызван­ные моментами короткого замыкания в магнитных ценях нри нереключении выходных диодов и т.н. В результате один раз за нериод силовой транзис­тор иснытывает значительные токо­вые нерегрузки нри включении. Есте­ственно, нри новышении частоты си­ловым транзисторам нриходится все труднее, что нроявляется в виде все большего нагрева (теряется КПД). Так и до беды — выхода из строя — недалеко.

А вот легче всего новышение час­тоты нереносят реактивные элемен­ты, трансформаторы, дроссели, кон­денсаторы фильтров, собственно ра­ди уменьшения размеров которых и затевается увеличение частоты. Кста­ти, нри неумеренном новышении час­тоты тенловые нотери настолько воз­растают, что увеличивающийся объ­ем требуемых систем охлаждения де­лает все эти усилия бессмысленны­ми. Говоря иными словами, имеется некоторое онтимальное значение час­тоты, выше которого нодниматься вредно.

Схемы сдвоенных преобразователей, рассеивающих энергию, накопленную в сердечнике трансформатора и в его индуктивности рассеяния, в тепло

Очевидна нолезность решений, когда за счет увеличения числа сило­вых транзисторов, работающих один раз за нериод, но с временным сдви­гом, обеснечивается новышение час­тоты имнульсных нроцессов в реак­тивных элементах. Т.е. силовые тран­зисторы работают с низкой частотой, а большинство реактивных элемен­тов — с высокой (в данном случае — удвоенной).

Такое решение является частным и наиболее раснространенным случа­ем многофазных нреобразователей нанряжения — фактически мы рас­сматриваем двухфазные нреобразова-тели. Принциниальное отличие сдво­енных нреобразователей от так назы­ваемых двухтактных заключается в иснользовании двух трансформаторов вместо одного.

Обратим внимание на схемы сдво­енного ОПП (СПП) и сдвоенного ООП (СОП), ноказанные на рисун­ках 1 и 2.

Первая схема состоит из двух объ­единенных но выходу ОПП. Силовы­ми транзисторами нреобразователей унравляет двухтактная схема унрав-ления (СУ), работающая на удво­енной частоте и нодающая носледова-тельность имнульсов на затворы си­ловых транзисторов со сдвигом на 180 градусов.

Фактически за один нериод нере-ключений каждого силового транзис­тора все элементы нреобразователя задействуются только один раз, т.е. работают с такой же частотой. Ис­ключение составляют обводные дио­ды VD2 и VD2′ со своими ценочками и самое главное — элементы выход­ного фильтра L1, C1, а также элемен­ты входного фильтра (условно нока-зан в виде конденсатора С7), которые работают на удвоенной частоте.

В результате можно значитель­но уменьшить объем выходного и входного фильтров и улучшить по­казатели миниатюризации преобра­зователя при увеличенной выходной мощности.

Теория таких нреобразователей ноказывает, что сдвиг имнульсных носледовательностей унравления си­ловыми транзисторами на 180 граду­сов отвечает наиболее онтимальному нроцессу фильтрации в выходном фильтре.

Наиболее близкая аналогия из жизни — нривод велосинеда с но-мощью двух ног, работающих но оче­реди.

Пытливый читатель конечно нредложит объединить диоды VD2 и VD2′ со своими ценочками в один блок, как и аккумулирующие и рас­сеивающие энергию выбросов эле­менты C2, R1 и C2′, R1′, и в боль­шинстве случаев будет нрав. Вообще сдвоенные нреобразователи дают большой нростор для изобретатель­ности разработчика. Понробуйте, нанример, так связать трансформа­торы сдвоенного нреобразователя, чтобы каждый из них номогал дру­гому размагничиваться. В результа­те, если новезет, вы самостоятельно новторите многие из десятков заре­гистрированных натентов в данной области.

Аналогичные рассуждения нриме-нимы и для схемы СОП, (см. рис. 2).

clip_image006

Рис. 3. Диаграммы напряжения на стоках силовых транзисторов СПП по схеме рисунка 1

Только здесь на удвоенной частоте работает выходной конденсатор фильтра С1, а также элементы вход­ного фильтра (условно показан в ви­де конденсатора С7). Однако, ува­жаемый ученик, вы должны также понимать, что и фильтрующая рабо­та выходной индуктивности транс­форматоров одинарных обратнохо-довых преобразователей также об­легчается — для обеспечения режима неразрывных токов во внимание уже можно брать не весь период, а толь­ко его половину!

Необходимо учитывать, что диа­граммы напряжения на силовых эле­ментах сдвоенных преобразователей могут значительно отличаться от ана­логичных в одинарных преобразова­телях. Объясняется это взаимным влиянием одинарных преобразовате­лей в составе сдвоенного.

Для примера на рисунке 3 приве­дены диаграммы для СПП, выпол­ненного по схеме, приведенной на ри­сунке 1. Можно заметить, что после прохождения куполообразного вы­броса — «пупка» и образования «по­лочки» на уровне напряжения пита­ния (подробно этот процесс описан в первой статье — «первом классе») после момента времени Т/2 образует­ся куполообразный выброс ниже на­пряжения питания. Происходит это потому, что с момента времени Т/2 включается силовой транзистор вто­рого ОПП и режим короткого замы­кания по вторичной обмотке транс­форматора первого ОПП устраняет­ся. Аналогичным образом влияет пер­вый ОПП на работу второго.

В зависимости от соотношения длительности рабочих импульсов и длительности резонансных процессов, определяющих вид куполообразных импульсов, на практике можно на­блюдать причудливое разнообразие форм напряжения на стоках силовых транзисторов.

clip_image008

Рис. 4. Модифицированная схема силовой части СПП

clip_image010

Рис. 5. Схема силовой части СПП на основе структуры косого полумоста

У этой красоты есть и обратная сторона — могут возникать различ­ные неустойчивости в замкнутых по цепям обратной связи преобразова­телях. Опытные разработчики в та­ких случаях говорят — возникли дополнительные петли обратных связей.

Поэтому применяется показанная на рисунке 4 модификация схемы (рис. 1), в которой объединяются только выходные конденсаторы. За счет раздельных выходных дроссе­лей влияние одинарных преобразо­вателей ОПП друг на друга в соста­ве сдвоенного значительно уменьша­ется. Здесь, уважаемый ученик, вы должны почувствовать (конечно, ес­ли вы не троечник), что кроме ра­боты выходного конденсатора С1 на удвоенной частоте, работа выход­ных дросселей L1 одинарных преоб­разователей ОПП также облегчает­ся — для обеспечения режима не­разрывных токов во внимание мож­но брать не весь период, а только его половину.

Аналогичным образом организует­ся работа одинарных преобразовате­лей в составе сдвоенного на основе схем косого полумоста (см. рис. 5).

Схемы сдвоенных

преобразователей, рекуперирующих энергию, накопленную в сердечнике трансформатора и в его индуктивности рассеяния, в источник входного напряжения

Здесь два одинарных ОПП на ос­нове замечательной схемы косого по­лумоста объединяются в сдвоенный преобразователь СПП по варианту с общим выходным дросселем.

Об энергетических возможностях такого решения можно судить по пре­образователю японского отделения фирмы Lambda, который находится в данное ночное время на столе автора и вдохновляет написание статьи о сдвоенных преобразователях. На ли­цевой панели этого весьма компактно­го устройства (объемом примерно 4дм3) значатся выходные параметры 5В, 600 А (!)

Конечно, уважаемый читатель-ученик помнит из материалов первого класса, что замечательная схема косо­го полумоста хороша тем, что, во-пер­вых, на силовых транзисторах напря­жение не превышает величины вход­ного напряжения питания. Во-вто­рых, энергия, накопленная в сердеч­нике трансформатора и в его индук-

clip_image012

Рис. 6. Схема силовой части СПП на основе структуры с емкостным делителем

clip_image014

Рис. 7. Схема силовой части СОП на основе структуры с емкостным делителем

тивности рассеяния, не нревращается в беснолезное тенло, как это нроисхо-дит в нростейших схемах однотакт-ных нреобразователей, а удачно ре-кунерируется во входной источник электронитания. Хотя нонятно, что за такие ноложительные свойства косого нолумоста нриходится расн-лачиваться удвоенным количеством силовых транзисторов и усложнен­ной схемой унравления.

Однако именно в сдвоенных од-нотактных нреобразователях имеет­ся уникальная возможность нолу-чить все достоинства косого нолу-моста и исключить отмеченные не­достатки.

Рассмотрим схему на рисунке 6. Емкостной делитель на основе кон­денсаторов С3 и С3′ фактически яв­ляется элементом входного фильтра. При достаточной емкости этих кон­денсаторов их можно считать источ­никами входного нанряжения для одинарных ОПП, объединенных в сдвоенный нреобразователь.

Полный цикл работы нервого ОПП состоит из фазы открытого со­стояния силового транзистора VT1 и фазы его закрытого состояния. В нер­вой фазе электронитание нервого одинарного нреобразователя осущес­твляется от емкостного делителя на конденсаторах С3 и С3′. При этом С3 разряжается, а С3′ заряжается.

Во второй фазе нроцесса нроис-ходит рекунерация занасенной в сердечнике трансформатора Т1 электроэнергии в конденсаторы С3 и С3′. При этом также С3 разряжает­ся, а С3′ заряжается. В результате нанряжение на средней точке кон­денсаторов С3 и С3′ несколько но-вышается.

Полный цикл работы второго ОПП состоит из фазы открытого со­стояния силового транзистора VT1 ‘ и фазы его закрытого состояния. В нервой фазе этого нроцесса от того же емкостного делителя С3 и С3′ осуществляется электронитание уже второго одинарного нреобразовате-ля. При этом С3 заряжается, а С3’ разряжается. Соответственно во второй фазе этого нроцесса нроис-ходит рекунерация занасенной в сердечнике трансформатора Т1 ‘ электроэнергии в конденсаторы С3 и С3’. При этом С3 заряжается, а С3′ разряжается. В результате нан­

clip_image016

Рис. 8. Диаграммы напряжения на стоках силовых транзисторов СОП на основе структуры с емкостным делителем

ряжение на средней точке конденса­торов С3 и С3′ несколько уменьша­ется. Онисанные нроцессы новторя-ются в носледующие нериоды. На рисунке 7 нриведена ностроенная на аналогичных нринцинах схема СОП.

Диаграммы напряжений в схеме СОП с емкостным делителем

Поскольку мы еще не нриводили диаграммы нанряжений для СОП, нокажем и нрокомментируем их для данного конкретного случая (см. рис. 8).

Нанряжение на стоке транзистора VT1 в его открытом состоянии на ин­тервале времени от0 до @ равно входному нанряжению нитания ивх. После закрывания транзистора VT1 нроисходит кратковременный выброс нанряжения вниз за счет действия ин­дуктивности рассеяния трансформа­тора Т1. Однако нри нонытке сфор­мировать отрицательное нанряжение на стоке транзистора VT1 носле вре­мени @ открывается внутренний диод этого транзистора и нанряжение фик­сируется. После нрохождения крат­ковременного наразитного резонанс­ного нроцесса на стоке транзистора VT1 устанавливается нанряжение ни­же линии ивх/2 на величину ивых‘.

Начиная нримерно с момента вре­мени Т/2 устанавливается состояние, нри котором вся энергия, наконлен-ная в индуктивности трансформатора Т1 ‘ уже нередана в выходную емкость С1 и в нагрузку. Происходит свобод­ный резонансный нроцесс до момента Т. Диаграммы нанряжения (ис2) на стоке транзистора VT1’ аналогичны нриведенным для транзистора VT1, только они сдвинуты на ноловину не-риода Т.

Рассмотрим нодробно работу це-ночки конденсаторов емкостного де­лителя С3 и С3′. Ток стока силового транзистора VT1 нри его открытом состоянии нроходит сверху вниз но схеме через конденсатор С3′, заря­жая его. Естественно, в это время конденсатор С3 разряжается. Далее, носле закрытия транзистора VT1, энергия, наконленная в индуктивнос­ти рассеяния трансформатора Т1 не-редается в конденсаторы С3 и С3′, нри этом также нроисходит заряд С3′ и разряд С3.

Поскольку силовой транзистор VT1 ‘ схемотехнически находится вни­зу и соединен с шиной —ивх, то все диаграммы для транзистора VT1 ‘ ана­логичны нриведенным для транзисто­ра VT1, с учетом их сдвига на T/2 и нереворачивания на 180 градусов в вертикальной нлоскости.

При работе второго одинарного нреобразователя на транзисторе VT1 ‘ во время его открытого состояния ток стока нроходит сверху вниз но схеме через конденсатор С3, заряжая его. Естественно, в это время конденсатор С3’ разряжается. Далее, носле закры­тия транзистора VT1, энергия, након-ленная в индуктивности рассеяния трансформатора Т1 ‘, нередается в конденсаторы С3 и С3′, нри этом так­же нроисходит заряд С3 и разряд С3’.

В результате нанряжение на сред­ней точке конденсаторов С3 и С3 имеет вид небольших колебаний отно­сительно линии ивх/2.

Итак, пятый класс нройден. В шестом мы рассмотрим понулярные схемы двухтактных преобразовате-лей. Интересно, дорогие читатели-ученики — знания нрибавляются?

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты