Силовая электроника. Источники питания / школа построения импульсных DC-DC УРОК 1

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (СИЛОВАЯ) ЭЛЕКТРОНИКА

4.

Классические

структуры

ñ

âûõ

расчетах

высокочастотных

Входное напряжение питания Uâõ

ШИМ (широтно-импульсной модуля-

трансформаторов

предписывается

подается на последовательно соеди-

цией), признанные бесперспективны-

использовать

понятие

габаритной

ненные первичную обмотку w1 транс-

ми еще 10 лет назад, сегодня произво-

мощности и зачем задается плот-

форматора Т1 и ключ, реализован-

дятся большинством фирм в массо-

ность тока в проводе. В действитель-

ный на транзисторе VT1. Предполо-

вых масштабах.

ности любой, даже совсем крохот-

жим, что ключ на МОП-транзисторе

5. Резонансные преобразователи,

ный трансформатор не «понимает»,

идеален, он быстро – мгновенно –

казавшиеся верхом «высокочастотно-

что такое мощность, – он «понима-

переключается из включенного состо-

ãî

совершенства»,

занимают

ïîêà

ет», что такое его точка Кюри и все-

яния в выключенное и наоборот. Па-

еще скромные рыночные ниши, в ко-

го лишь чувствует тепло, которое

дение

напряжения

íà

включенном

торых они экономически целесооб-

может быть разным в зависимости

МОП-транзисторе – исчезающе мало.

разны.

от системы его охлаждения. Можно

Источник Uâõ тоже хорош, он ста-

6. Плоские трансформаторы с об-

задаться

оптимальной

плотностью

бильный, высокочастотный, через не-

мотками на печатной плате, где все

òîêà 2...3 À/ìì2 по типовой таблице

го без труда замыкаются высокочас-

сделано «неправильно» (даже сило-

расчетного пособия, а на практике

тотные импульсные токи преобразо-

вые линии, и те идут не туда и не так,

увидеть, как хорошо медный про-

вателя. Для переменного тока можно

да и обмотка почти вся снаружи), –

вод в высокочастотном трансфор-

считать, что клеммы +Uâõ è –Uâõ ýê-

начали

использоваться

â

массовом

маторе работает с плотностью тока

випотенциальны! А вот с элементами

производстве.

20...30 À/ìì2 и более (полвитка,

С2 и w1 не все просто.

7. В противовес желанию повы-

один виток и т.п.).

Немного поучимся

сить надежность за счет нивелирова-

ОДИНОЧНЫЙ ОДНОТАКТНЫЙ

ния теплового профиля в конструк-

Конденсатор С2 представляет со-

ции преобразователя (заливка, общий

ПРЯМОХОДОВОЙ

бой (в некотором приближении) экви-

распределенный

радиатор),

появи-

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

валентную

емкость

âñåõ

емкостей,

лось большое количество открытых

Начнем рассмотрение импульсных

приведенных к первичной обмотке w1

конструкций, в которых высокая на-

преобразователей с одной из очень

трансформатора Т1:

дежность достигается при значитель-

важных для энергетической электро-

– собственной емкости обмотки w1;

ных локальных перегревах полупро-

ники схемы – одиночного однотакт-

– приведенной

емкости

обмотки

водниковых компонентов.

íîãî

прямоходового

преобразова-

w2;

8. Феррит, который и в Африке

теля – далее ОПП (рис. 1). Это –

– выходной емкости

транзистора

феррит, за рубежом оказался совсем

энергетически наиболее эффективная

VT1;

другим – с большой индукцией и

структура источника электропитания,

– емкости монтажа;

меньшими потерями.

своеобразный

Mersedes Benz (åñëè

и т.п., вплоть до емкости, намеренно

9. Электронные корректоры мощ-

кому нравится, то BMW) среди дру-

поставленной разработчиком.

ности, созданные для уменьшения по-

гих структур DC/DC-преобразовате-

Â

общем, емкость

конденсатора

терь и помех в сети, как оказалось,

лей. Кстати, на удивление мало опи-

С2 существует всегда, и для высоко-

могут занимать много места, генери-

санный в литературе. Очевидно, раз-

частотных

преобразователей пренеб-

ровать много помех, уменьшать об-

работчики – профи, работающие с

регать ею нельзя. Обмотка w1 в пер-

щий КПД источника электропитания

прямоходовыми

преобразователями,

вом приближении – это катушка ин-

и в ряде случаев при тех же габари-

не считают нужным делиться «тон-

дуктивности. Для емкости и индук-

тах заменяются простым и надежным

костями»

(совсем

êàê

разработчики

тивности (рис. 2) самые главные за-

дросселем (конечно,

ñ

«непростым»

«Мерседесов»).

коны выражены в двух легких для за-

сердечником).

Синим цветом выделены элемен-

поминания формулах.

10. При массовом распространении

ты, которые будут рассмотрены при

Для емкости:

источников

бесперебойного

электро-

дальнейшем, более пристальном рас-

питания с синусоидальным выходом,

смотрении ОПП.

i = C du/dt

многие не могут понять – зачем

компьютерной технике

синусоидаль-

ное питающее напряжение?

11.

Появились

полупроводнико-

вые микросхемы в очень маленьких

корпусах с

напряжениями

питания

более 1000 В.

И так далее... Улыбайтесь.

В общем, мир источников электро-

питания стал более

разнообразным.

Поэтому нужно все время изучать

опыт, накапливаемый человечеством, а

иногда и подвергать сомнению наибо-

лее категоричные утверждения. Нако-

нец-то и в России становится ясным,

что образованным можно считать чело-

века, который учится постоянно, а не

просто получившего когда-то диплом.

Кстати, автор давно и безуспеш-

но пытается выяснить, зачем в типо-

Рис. 1. Схема одиночного однотактного прямоходового преобразователя

«Электронные компоненты» ¹6’ 2002

107

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (СИЛОВАЯ) ЭЛЕКТРОНИКА

стоянно, то i{ нарастает линейно по

напряжение в виде разницы ампли-

пилообразному закону.

туды прямоугольного импульса в точ-

Внимание! Если в обычной катуш-

ке А и постоянного напряжения на

ке индуктивности ток не может изме-

нагрузке.

няться скачком, то рабочий ток в лю-

В соответствии с формулой для

бой обмотке трансформатора – мо-

индуктивности, ток

через

дроссель

жет, если в другой обмотке имеется

L1 за время @ линейно возрастает

скачок тока, направленный на сохра-

(рис. 6г). Так как в это время ток

нение общего магнитного потока в

дросселя проходит через обмотку w2,

сердечнике. Другими словами, в ка-

то такой же нарастающий ток сущест-

тушке индуктивности – в трансфор-

вует и в обмотке w1. Иными сло-

маторе – рабочий ток может «перес-

âàìè, за время @ ток транзистора

какивать» из одной обмотки в другую!

VT1 линейно возрастает (рис. 6д,

Самое важное расчетное соот-

6е), и возрастание это в первую

ношение в трансформаторе – это:

очередь

вызвано

нарастанием тока

U1 I1 = U2 I2. Оно следует из того,

дросселя L1 (тонкая синяя линия на

что КПД трансформатора практичес-

ðèñ. 6ä, 6å).

ки равен единице. U2/U1 = I1/I2 =

Кроме того, как указывалось вы-

= w2/w1 = N – коэффициент транс-

øå,

ïðè

приложении

постоянного

формации.

напряжения к первичной обмотке w1

На первый раз достаточно.

трансформатора в ней будет нарас-

Продолжим рассмотрение

ðàáî-

тать ток намагничивания i{, åãî âåëè-

òû ÎÏÏ.

чину можно вычислить по формуле

Схема управления СУ1 подает на

для индуктивности. Поэтому на рис.

затвор МОП-транзистора VT1 управ-

6д, 6е показан более крутой «скос»

ляющие импульсы (рис. 6а), величи-

вершины импульса, чем это обуслов-

на которых достаточна для надежно-

лено нарастанием тока дросселя L1.

го открывания транзистора VT1. Пе-

При выключении транзистора VT1

риод следования импульсов – Т. Дли-

во время @ происходят мгновенные

тельность

каждого

импульса

равна

(в первом приближении) и плавные

tÈ = @Т, где @ – это коэффициент

процессы.

заполнения импульсов. В относитель-

Выключение и спад тока транзис-

ных единицах, приняв период рав-

òîðà

VT1 происходит

«мгновенно».

Рис. 6. Управляющие импульсы со схемы

ным единице, Т = 1, @ станет относи-

Условно

мгновенно

(правильно

–

управления

тельной

длительностью

импульса.

очень быстро) разряжается до нуля

заряжать конденсатор С2, отчего по-

Кстати,

почему

автор

обозначил

конденсатор С2, так как в этот мо-

длительность импульса «собакой», а

мент времени он отдает большой ра-

лярность напряжения на конденсато-

не общепринятой

«гаммой», будет

бочий ток обмотке w1 (т.е. кратковре-

ре С2 и на обмотке w1 меняет свой

объяснено в следующем журнале.

менно

выполняет

ðîëü

источника

знак. В это время прямой диод VD1

Ïðè

открытом

транзисторе

VT1

входного напряжения). Мгновенным

закрыт, и в результате вся выходная

первичная

обмотка трансформатора

можно считать и закрывание прямого

часть ОПП отключена от трансфор-

w1 подключена к источнику входного

диода VD1 вследствие снятия сигнала

матора (транзистор VT1 отключился

напряжения Uâõ. Типичная осцилло-

с обмотки трансформатора w2 и «пе-

еще раньше). Трансформатор стано-

грамма на стоке транзистора VT1

репрыгивания» рабочего тока (он же

вится

«свободным» и

представляет

приведена на рис. 6б. В течение вре-

ток дросселя L1) из вторичной обмот-

собой

высокодобротную

колебатель-

мени @ на обмотке w1 и конденсато-

ки w2 в обводной диод VD2. Дальше

ную систему. Представим трансфор-

ре С2 существует постоянное напря-

по времени ток дросселя будет замы-

матор в виде резонансного колеба-

жение Uвх (рис. 6в). Полярность

каться через VD2.

тельного контура

из индуктивности

напряжения на обмотках трансфор-

Плавным является и процесс про-

первичной обмотки L и емкости кон-

матора и на конденсаторе С2 приве-

текания тока через дроссель L1 – ток

денсатора С2. Поскольку в индуктив-

äåíà íà ðèñ. 1.

просто не изменяется. И самое глав-

ности обмотки L на момент времени

На вторичной обмотке трансфор-

ное – неизменным в этот момент бу-

@ задан ток Im, этот ток формирует

матора w2 в течение @ существует та-

дет и ток намагничивания трансфор-

половину синусоиды (рис. 6в), пере-

кое же по форме напряжение Uw2,

матора i{, который протекает через

заряжая конденсатор С2. Длитель-

имеющее величину в соответствии с

первичную обмотку

трансформатора

ность

основания

ýòîé

«половинки»

коэффициентом трансформации.

w1 как через «чистую» индуктив-

синусоиды всегда

будет постоянна,

В течение @ в точке А, куда про-

ность Lm и скачком измениться не

поскольку это половина периода час-

ходит только

положительная

часть

может. Поэтому на рис. 6е показано,

тоты резонансного контура L–C2.

напряжения, имеются прямоугольные

÷òî в момент времени @ òîê â w1

Естественно, такая же, но отрица-

импульсы. Предположим, что ем-

скачком

спадает до

положительной

тельная по знаку половина синусои-

кость конденсатора С1 достаточно ве-

величины +Im.

ды будет на вторичной обмотке w2. В

лика, чтобы можно было пренебречь

После отрезка времени @ напря-

это время к дросселю L1 приложено

пульсациями

напряжения

íà

íåì,

жение на обмотке w1 меняет свой

постоянное напряжение, равное вы-

следовательно, напряжение на на-

знак (рис. 6в). Это происходит пото-

ходному напряжению ОПП (падени-

грузке стабильно и неизменно. Оче-

му, что ток намагничивания транс-

ем напряжения на обводном диоде

видно, что к дросселю L1 приложено

форматора i{ плавно начинает пере-

VD2 пренебрегаем). В соответствии с

«Электронные компоненты» ¹6’ 2002

109

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ (СИЛОВАЯ) ЭЛЕКТРОНИКА

лец» (автор имеет в виду замкнутую

можный диапазон индукции (ðèñ. 4).

конфигурацию магнитопровода) – то-

Конечно – при принятых выше допу-

ком намагничивания i{?

щениях

è

определенном намерении

Как уже указывалось, он порожда-

строителя

импульсного преобразова-

ет резонансный процесс после отрезка

теля. А пока что давайте запишем

времени @. Òîê i{ перезаряжает кон-

этот вывод в число наших парадоксов

денсатор С2 до максимального значе-

(во многих

учебниках утверждается

ния – амплитуды синусоиды – и да-

другое).

лее, благодаря тому, что конденсатор

В точке А (рис. 1) присутствуют

С2 начинает отдавать заряд в индук-

прямоугольные импульсы

(ðèñ. 6ç),

тивность обмотки w1, и этот ток начи-

каждый из которых – это фактически

нает протекать через w1 в обратную

напряжение питания на входе Uâõ,

сторону. Такое изменчивое поведение

переданное

через

трансформатор

è

i{ легко объяснить формулой для ин-

прямой диод VD1, имеющий очень

дуктивности – если напряжение на ка-

малое дифференциальное

сопротив-

тушке индуктивности – синусоида, то

ление. Учитывая, что обводной диод

ток – косинусоида (рис. 6ж). Ток i{

VD2 (открытый на этапе паузы рабо-

проходит через ноль, когда синусоида

ты VT1) также имеет очень малое

напряжения имеет производную, рав-

дифференциальное

сопротивление,

ную нулю. Легко предположить, что

можно утверждать, что точка А –

ïðè

большой

добротности

контура

«условный» выход генератора напря-

Рис. 7. Диаграммы токов и напряжений в

L–C2 (или, как говорят, при малом

жения.

Â

ýòîì

случае

выходной

декременте

затухания)

начальный

фильтр L1, С1 можно считать интег-

элементах ОПП с неразрывным током

ток +Im равен конечному току –Im

ратором, выделяющим среднюю со-

дросселя

формулой для индуктивности, ток в

(ðèñ. 6æ)

(производные

напряжения

ставляющую из импульсного напря-

равны и противоположны по знаку).

жения. Так

формируется

выходное

L1 линейно спадает (рис. 6г). Видно,

Далее, когда благодаря вышеука-

напряжение

íà

нагрузке

Uâûõ

=

что в результате периодического по-

занному короткому замыканию об-

= @UâõN (это, кстати, называется ре-

вторения процессов ток дросселя L1

мотки w1

синусоида «окончилась»,

гулировочной характеристикой). Лег-

непрерывен

и имеет пилообразную

происходит «консервация» тока –Im

ко заметить, что при постоянных

форму. Поскольку при стационарном

до момента времени Т = 1. Что такое

входном напряжении и коэффициен-

процессе постоянный ток через кон-

«консервация»?

Вспомните,

÷òî äëÿ

те трансформации N можно менять

денсатор С2 протекать не может

LR-цепи постоянная времени – это не

выходное напряжение, изменяя коэф-

(правило ¹3), делаем вывод – сред-

привычная τ = RC (как для конденса-

фициент заполнения импульсов @.

ний ток дросселя L1 – это всегда ток

тора), а τ = L/R. То есть при стремя-

Так как в данном интеграторе

нагрузки Iâûõ. Если w1 равно w2, то

щемся к нулю R постоянная времени

почти нет потерь, видно, что ОПП

можно мысленно нанести ток дрос-

резко возрастает, стремясь к беско-

обладает замечательным свойством –

селя с его истинной величиной на

нечности. Это означает, что åñëè êà-

он даже без всяких стабилизирую-

графики – рис. 6д, 6е (пунктирная

тушку индуктивности, по которой

щих обратных связей имеет очень не-

линия).

протекал ток, замкнуть накорот-

большое

выходное

сопротивление,

Вернемся к синусоиде. Если больше

ко, то ток будет сохраняться в

т.е. по отношению к нагрузке облада-

не включать транзистор VT1 после мо-

катушке очень долго – законсерви-

ет очень полезными свойствами гене-

мента @, то синусоида (резонансный

руется!

ратора напряжения (поэтому и «Мер-

процесс) продолжалась бы достаточно

Таким образом, уважаемый чита-

седес»).

долго, медленно затухая, т.к. потери в

тель, мы шаг за шагом доказали, что

Все вышесказанное относительно

обмотках, конденсаторе С2 и сердечни-

к началу включения транзистора ток

выходного напряжения справедливо,

ке трансформатора Т1 невелики. Одна-

намагничивания

имеет

отрицатель-

пока ток дросселя L1 неразрывен.

ко, «попытка» синусоиды (как будто

ную величину, равную по абсолютно-

Обратите внимание на рис. 6г. Если

она живая!) пересечь ось абсцисс и

му значению положительной величи-

уменьшать ток нагрузки Iâûõ, пилооб-

«проявить»

положительную

поляр-

не Im на момент окончания импульса

разная кривая тока дросселя L1, не

ность приводит к тому, что на обмотке

открытого

состояния

транзистора

изменяясь по форме, будет опускать-

w2 появляется положительное напря-

VT1. А это уже серьезно. Происхо-

ся все ниже и ниже, пока не коснет-

жение (как на рис. 1), и прямой диод

дит замечательное, новое для нас яв-

ся нижними вершинками оси абс-

VD1 начинает открываться. В резуль-

ление – какой бы ни была длитель-

цисс, т.е. ток дросселя L1 в нижних

тате откроются оба диода – VD1 и

ность рабочего импульса, ток намаг-

вершинках будет равен нулю. Этот

VD2, своими небольшими дифферен-

ничивания сам найдет середину им-

режим дросселя L1, да и всего ОПП

циальными

сопротивлениями

факти-

пульса и именно в этом волшебном

называется граничным, до этого мо-

чески зашунтируют обмотку w2 и даль-

месте пересечет ноль (ðèñ. 6æ) –

мента выполняется условие Uâûõ =

ше – через магнитную связь в транс-

открытие!

= @UâõN. Дальнейшее уменьшение

форматоре Т1 – и обмотку w1. Поэто-

Для более серьезных (в смысле

тока нагрузки приведет к тому, что

му после прохождения первой полувол-

возраста)

читателей

будет интересен

на кривой тока дросселя L1 появятся

ны синусоиды на графике напряжения

вывод автора.

участки с нулевым током – «разры-

на обмотках w1 и w2 появляется свое-

Магнитопровод

трансформатора

вы» (рис. 7а). На рис. 7б, 7в приве-

образная горизонтальная

«полочка»,

в приведенном однотактном преобра-

дены диаграммы токов через тран-

длящаяся до момента времени Т.

зователе

напряжения перемагничи-

зистор VT1 и через обмотку w1. В

Ну а что же происходит с нашим

вается по симметричной петле гисте-

результате

разрыва

òîêà

дросселя

главным героем, «властелином ко-

резиса, используя максимально воз-

L1, т.е. начиная с момента, когда ток

110

Òåë.: (095) 925-6047

http://www.elcp.ru