Исследование влияния коэффициента заполнения импульсов коммутации
Рисунок 3.2.1-Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.1
Рисунок 3.2.2 -Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.25
Рисунок 3.2.3 -Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.5
Рисунок 3.2.4 -Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.75
Обратите внимание, что выходное напряжение при больших значениях заполнения не растет, а уменьшается. Это уменьшение обусловлено конечным сопротивлением ключа. Такое же явление наблюдается в реальных импульсных блоках питания и является серьезной проблемой для разработчиков схем.
Схемы автоматического регулирования выходного напряжения строятся таким образом, что уменьшение выходного напряжения увеличивает заполнение, а увеличение напряжения уменьшает заполнение.
При слишком больших значениях заполнения транзистор не успевает закрываться, и вся коммутируемая мощность рассеивается на этом транзисторе. Транзистор разогревается и перегорает. По этой причине всовременных ШИМ-контроллеров импульсных блоков питания, как правило, предусматривается ограничение на максимальное заполнение импульсов коммутации.
Увеличение напряжения на ключевых элементах преобразователя
Рисунок 3.3.1 -Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.1
Рисунок 3.3.2 -Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.25
Рисунок 3.3.3 -Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.5
Рисунок 3.3.4 -Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.75
Увеличение напряжений на элементах коммутации следует обязательно учитывать при выборе ключевого транзистора и диода для импульсного преобразователя.
4 Исследование процессов в ключевых элементах импульсных преобразователей
Осцилляции тока и напряжения возникают в контуре, образованном индуктивностью обмотки дросселя и паразитных емкостей элементов схемы. Поскольку напряжение на индуктивности определяется не величиной, а скоростью изменения тока, изменения небольшого тока могут приводить к значительным осцилляциям напряжения. Величина этого напряжения ограничивается элементами схемы и зависит от конструкции и параметров конкретных элементов.
Рассмотрим осцилляции токов и напряжений в конкретных схемах преобразователей.
4.1.Импульсный повышающий преобразователь
Исходные данные:
Транзистор n-p-n.
Диод 30BQ060 (Диод Шоттки).
На рисунке 4.1.1 приведена схема повышающего преобразователя для режима разрывного тока
Рисунок 4.1.1 -Схема повышающего преобразователя для режима разрывного тока
Рисунок 4.1.2 -Изменение напряжений на выходе преобразователя V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) в разрывном режиме повышающего преобразователя
Так как на обратном ходу транзистор закрыт и не оказывает заметного влияния на работу схемы, рассмотрим упрощенную схему преобразователя, которая представлена на рисунке 4.1.3.
Рисунок 4.1.3 -Упрощенная схема преобразователя для обратного хода
Рисунок 4.1.4 -Изменение напряжений на выходе V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) упрощенной схемы повышающего преобразователя на интервале обратного хода 10 мкс
На рисунке 4.1.5 показано изменение напряжений на выходе V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) упрощенной схемы повышающего преобразователя на интервале обратного хода 3 мс.
Рисунок 4.1.5 -Изменение напряжений на выходе V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) упрощенной схемы повышающего преобразователя на интервале обратного хода 3 мс
Выясним, какие элементы приводят к осцилляции.
На рисунке 4.1.6 представлена упрощенная схема преобразователя для обратного хода без диода, на рисунке 4.1.7 - колебательный процесс в схеме без диода.
Источники высокочастотных осцилляций
Рисунок 4.1.6 -Упрощенная схема преобразователя для обратного хода без диода
Рисунок 4.1.7 -Колебательный процесс в схеме без диода
В данной схеме колебания возникают в контуре, образованном индуктивностью L1 и конденсатором фильтра С1. Соответствующая частота fLCопределяется формулой:
Низкочастотные колебания, соответствующие резонансным процессам в контуре индуктивности и конденсатора, действительно могут иметь место в реальных схемах. С ними часто приходиться бороться, учитывая затухающие в схеме, т.е. уменьшая сопротивление нагрузки. По формуле:
Рисунок 4.1.8 -Пример сопоставления работы двух схем в общем окне симулятора
Рисунок 4.1.9 -Переходные процессы в схеме замещения диода в разных фазах обратного хода: открытый диод; IL(0) = 370 мА; Rd = 0,1Ом; Cp = 63 пФ
Рисунок 4.1.10 -Переходные процессы в схеме замещения диода в разных фазах обратного хода: частично закрытый диод; IL(0) = 2 мА; Rd = 10 кОм; Cp = 63 пФ
В реальных схемах дополнительная емкость может образовываться межвитковой емкостью обмоток индуктивности, емкостью транзистора, емкостью закрытого перехода диода, емкостью других элементов схемы и паразитной емкостью монтажа. Все эти емкости могут оказывать влияние на частоту высокочастотных колебаний в схеме.