О чём не следует забывать

Понижающий преобразователь с накопительным дросселем, полумост и мост - схемы, которые не так просты, как кажутся на первый взгляд, прежде всего потому, что исток транзистора в понижающем преобразователе и истоки верхних по схеме транзисторов в мосте и полумосте находятся под напряжением питания. Как мы знаем, управляющее напряжение на затвор транзистора нужно подавать относительно его истока, для биполярных на базу относительно к эмиттера. Решения: Использование гальванически развязанных источников питания цепей затворов (баз):

Генератор G1 вырабатывает противофазные сигналы и формирует дедтайм, U1 и U2 драйверы полевых транзисторов, оптрон гальванически развязывает входную цепь верхнего драйвера с выходом генератора, который питается от другой обмотки трансформатора. Применение импульсного трансформатора для гальванической развязки цепей затворов (баз):

Гальваническая развязка обеспечивается за счёт введения ещё одного импульсного трансформатора: GDT. Есть и ещё один метод - "бустреп", но и он вам вряд ли понравится, для получения подробностей смотрите документацию к микросхеме IR2153, в частности метод получения напряжения питания для управления верхним по схемам ключевым транзистором. Проектируя преобразователь, необходимо учитывать, что это импульсное устройство по проводникам которого текут значительные токи, которые резко изменяются и это устройство в котором создаются сильные магнитные поля - всё это создаёт благоприятную почву для возникновения целой серии помех в широком спектре. При разводке печатных плат следует стремиться сделать все силовые проводники цепи максимально короткими и прямыми, электролитические конденсаторы шунтировать плёночными или керамическими на ёмкость 0,1 ... 1мкф в непосредственной близости от силовых элементов, для предотвращения просачивания высокочастотных помех в осветительную сеть, если устройство питается от сети, устанавливать по цепи подводки сетевого напряжения LC фильтры нижних частот. Несмотря на множество непростых моментов, импульсные преобразователи напряжения применяются широко, а работающие на высокой частоте (десятки-сотни килогерц) обладают рядом преимуществ, так: Высокий КПД, вплоть до 97%; Малая масса; Малые габариты.

5.1.2. Моделирование понижающего регулятора постоянного напряжения

В силовой электронике широко применяются как регуляторы переменного, так и постоянного напряжения на основе силовых полупроводниковых приборов.

Регуляторами переменного напряжения называют преобразователи переменного напряжения в регулируемое переменное напряжение с той же неизменной частотой. В отличие от громоздких и инерционных трансформаторных и автотрансформаторных современные регуляторы с применением силовых полупроводниковых приборов позволяют быстро и плавно изменять напряжение на нагрузке. Различаются несколько типов регуляторов переменного напряжения. В регуляторах с использованием устройства вольтодобавки последовательно с источником подключают дополнительный трансформатор. При этом с помощью встречно включенных тиристоров регулируется напряжение вольтодобавки. Такой способ регулирования обычно применяется для стабилизации напряжения на нагрузке путем добавления или уменьшения напряжения в небольших пределах. Нередко применяется регулятор с вольтодобавкой на базе автономного инвертора напряжения или тока, который называют регулятором с реактивным напряжением вольтодобавки. Если фазу напряжения на инверторе поддерживать сдвинутой на 90 относительно тока, то инвертор активную мощность от источника практически потреблять не будет.

Наибольшее применение в технике находят широтно-импульсные регуляторы переменного напряжения, которые требуют применения полностью управляемых тиристоров (GTO) или мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Отличительной особенностью регуляторов с широтно-импульсным способом регулирования является импульсный характер входного тока при непрерывном синусоидальном входном напряжении. Поэтому при индуктивном характере входного сопротивления источника необходимо применение входного LC-фильтра. При многократных коммутациях с частотой в несколько килогерц форма тока в нагрузке будет непрерывной и практически синусоидальной. Широтно-импульсные регуляторы не вносят дополнительного сдвига фаз между током и напряжением первой гармоники на его входе. Этот сдвиг определяется только характером нагрузки, поэтому коэффициент мощности таких регуляторов достаточно высок. На переменном токе различают повышающие и повышающе-понижающие регуляторы напряжения [1, 2]. При однократном за половину периода включении и отключении нагрузки от цепи переменного тока такие регуляторы называют выпрямителями с секторным регулированием [13]. В них используются тиристорно-диодные схемы с искусственной коммутацией.

На электрической тяге постоянного тока для регулирования напряжения на тяговых двигателях традиционно применялись пусковые реостаты. При реостатном регулировании дополнительные потери достигают 30 % от потребляемой на тягу энергии. Кроме того, переключение пусковых резисторов сопровождается бросками тока. В связи с этим целесообразным является применение более надежного и высокоэффективного тиристорного регулятора. Регулирование, при котором источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с постоянной или изменяемой частотой, называют импульсным регулированием. Благодаря индуктивности самой нагрузки и включению сглаживающего дросселя обеспечивается непрерывный режим протекания тока с допустимой пульсацией.

На постоянном токе, как и переменном, применяются повышающие и понижающие регуляторы напряжения. Преобразователь постоянного напряжения обычно выполняется на основе ШИП, если обеспечить раздельный по времени процесс накопления энергии в индуктивности входной цепи и ее передачи в емкость выходной цепи. В понижающем импульсном регуляторе напряжения последовательно с нагрузкой подключается накопительный дроссель, а для сглаживания пульсаций конденсатор фильтра. В понижающем регуляторе параллельно ключу подсоединяется диод. Для обеспечения непрерывного тока нагрузки индуктивность входного дросселя рассчитывается по формуле

 

,                                      (10.1)

 

где   – период;   – активное сопротивление нагрузки;   – длительность положительного импульса.

Длительность импульса и период определяются системой управления ключа, применяемого в регуляторе. Напряжение на нагрузке определяется напряжением источника и соотношением между длительностью импульса и периодом

,                                           (10.2)

 

где   – напряжение нагрузки;   – напряжение источника питания.

В повышающем регуляторе постоянного напряжения энергия от источника запасается в индуктивности при открытом ключе, а нагрузка получает энергию, запасенную в конденсаторе. При закрытом ключе энергия от реактора через диод передается в нагрузку и параллельно в конденсатор, восполняя ее потерю в процессе разряда. Так как среднее напряжение на индуктивности за период должно быть равно нулю, то напряжение на нагрузке повышающего регулятора можно определить по следующей формуле

.                                     (10.3)

 

Рис. 10.1. Понижающий регулятор постоянного напряжения

5.2. Повышающий и инвертирующий регуляторы, режимы их работы и характеристики.

Повышающий регулятор постоянного напряжения

В схеме повышающего регулятора напряжения дроссель моделируется в виде активно-индуктивного сопротивления, подключенного последовательно с источником. Нагрузка носит такой же характер, что и в понижающем регуляторе. Модель повышающего регулятора постоянного напряжения изображена на рис. 10.3.

 

 

Рис. 10.3. Повышающий регулятор постоянного напряжения

 

Как видно из показаний приборов, напряжение на нагрузке значительно превышает напряжение источника питания.

Напряжение на нагрузке можно изменять путем изменения напряжения источника, либо с помощью системы управления. Система управления так же, как и в понижающем регуляторе напряжения, изменяет длительность подачи управляющих импульсов на транзисторы силовой схемы, изменяя соотношение между длительностью периода и импульса, и следовательно, напряжение на нагрузке. Аналогично понижающему регулятору по показаниям приборов строится характеристики регулятора: внешняя, регулировочная и энергетические.

Осциллограммы на характерных участках схемы, в частности, токов на входе и выходе повышающего регулятора и напряжения на нагрузке изображены на рис. 10.4.

 

Рис. 10.4. Временные диаграммы повышающего регулятора напряжения

 

Осциллограммы на нагрузке показывают, что после окончания переходного процесса, несмотря на прерывистый характер тока, напряжение нагрузки имеет незначительные пульсации и по величине превышает напряжение источника. Ток источника носит непрерывный характер и практически не изменяется по значению.

Характерной для повышающего регулятора является зависимость напряжения нагрузки от напряжения источника. Данные результатов моделирования для построения этой зависимости приведены в табл. 10.2.

 

Таблица 10.2