5.6. Импульсный регулятор с инверсией выходного напряжения.

Импульсный регулятор - инвертор напряжения показан на рисунке 5.7

Импульсный регулятор с инверсией выходного напряжения

Рис. 5.7

6. Импульсные стабилизаторы напряжения

Выполнение функциональных узлов электронной аппаратуры систем телекоммуникаций на полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах существенно снизили габариты и массу основных блоков. Питание этой аппаратуры осуществляется от сети переменного тока промышленной частоты. Использование классических методов построения источников электропитания (низкочастотный силовой трансформатор – выпрямитель со сглаживающим фильтром – линейный стабилизатор) сильно сказывается на массогабаритных показателях аппаратуры в целом. Использование линейных стабилизаторов (из-за низкого КПД) приводит к большим потерям мощности на регулирующем элементе, а это требует специальных мер по отводу выделяемого тепла, причем КПД сильно зависит от пределов изменения напряжения питающей сети.

Улучшить массогабаритные и энергетические показатели источников электропитания можно за счет увеличение рабочей частоты элементов источника питания. Габариты и вес силовых трансформаторов на частотах порядках десятков-сотен килогерц значительно меньше, чем у трансформаторов той же мощности работающих на высоких частотах имеют существенно меньше номинальные значения, а значит, и меньшие габариты и вес. Поясним это на примерах:

Для трансформатора площадь сечения сердечника определяется из выражения ^,

где для катушки индуктивности значение индуктивности

^,

где - реактивное сопротивление катушки, для конденсатора значение емкости:

^,

где - реактивное сопротивление конденсатора.

Из приведенных выражений видно, что с ростом рабочей частоты (она стоит в знаменателе) при одних и тех же значениях реактивных сопротивлений значения индуктивности и емкости уменьшаются обратно пропорционально рабочей частоте, а это приводит к уменьшению габаритов элементов.

Использование импульсного (ключевого) режима работы регулирующих транзисторов позволяет уменьшить потери мощности в стабилизаторе и повысить КПД источника питания до . Высокое значение КПД сохраняется в широком диапазоне изменения напряжения питающей сети. Источники электропитания в которых регулирующие транзисторы работают в импульсном режиме называются импульсными источниками. Схемы импульсных источников питания сложнее, чем традиционных, но высокие показатели удельной мощностиВТ/дм²для стационарной радиоэлектронной аппаратуры (РАЭ) иВТ/кгдля РАЭ подвижных объектов предопределили их широкое применение.

1. Структурные схемы импульсных стабилизаторов напряжения

Основным фактором, позволяющим существенно увеличит удельные показатели импульсного стабилизатора (НСН), является исключением из схемы НСН входного силового низкочастотного трансформатора, работающего на частоте 50 ГЦ. В этом случае напряжение электрической сети промышленной частоты подается непосредственно на выпрямитель с сглаживающим фильтром. Полученное постоянное напряжение с помощью преобразователя напряжения (ПН) преобразуется в импульсное напряжение прямоугольной формы высокой частоты порядка десятков – сотен килогерц. Силовой трансформатор, подключенный к выходу ПН, на таких частотах имеет малые габариты и вес. Необходимое число и величины требуемых напряжений определяются параметрами вторичных обмоток. Полученные напряжения вторичных обмоток выпрямляются высокочастотными выпрямителями и сглаживаются фильтрами. Стабилизация выходного напряжения может осуществляться либо с помощью регулируемого конвертора либо с помощью импульсного стабилизатора выполненного на базе понижающего импульсного регулятора.

На практике широкое распространение получили две структурные схемы построения импульсных стабилизаторов. Первая схема (рис 6.1) состоит из сетевого выпрямителя (СВ) и регулируемого преобразователя напряжения (ПН). В преобразователь напряжения входят конвертор (К) и устройство управления (УУ). Конвертор включает в себя инвертор (И), преобразующий постоянное напряжение от сетевого выпрямителя в переменное прямоугольной формы с паузой на нуле, трансформаторно-выпрямительный узел (ТВУ), работающий на частотах выше 20 кГц и сглаживающего высокочастотного LC–фильтра. Устройство управления УУ ПН обеспечивает мощные ключевые транзисторы инвертора импульсами управления, осуществляет стабилизацию напряжения нагрузки, изменяя коэффициент заполнения импульсов управления можно регулировать напряжение на нагрузке. Для управления инвертором используется одно- или двухканальный каскад.

Вторая структурная схема ( рис 6.2) содержит в своем составе сетевой выпрямитель (СВ), импульсный стабилизатор напряжения (ИСН), как отдельный функциональный блок на базе импульсного регулятора напряжения понижающего типа и конвертор. Конвертор состоит из нерегулируемого инвертора (И), трансформаторно выпрямительного узла (ТВУ) и сглаживающего высокочастотного фильтра (СВФ). Устройство управления (ИОН – источник опорного напряжения, СС и УО – схема сравнения и усиления ошибки, ШИМ - широтноимпульсный модулятор, ГПН – генератор пилообразного напряжения, ВК1 – выходной каскад управления ИРН, ВК» - одно или двухканальный выходной каскад управления ИРН, ВК2 – одно или двухканальный выходной каскад управления инвертором) обеспечивает подачу импульсов управления через ВК1 с коэффициентом заполнения пропорциональным требуемому напряжению на нагрузке на силовой транзистор ИРН и импульсов управления типа меандров на нерегулируемый инвертор И с ТВУ.

Функциональный узел конвертора для обеих структур может быть построен на основе двухтактного или однотактного инвертора с трансформаторным выходом (трансформаторный однотактный конвертор – ТОК).

Достоинством первой структурной схемы является совмещение функции преобразования напряжения и стабилизации напряжения на нагрузке, что позволяет упростить устройство управления.

Одним из достоинств второй структурной схемы построения импульсного стабилизатора напряжения является простота построения источника с несколькими стабилизированными выходными напряжениями при фиксированных токах нагрузки, так как целью обратной связи достаточно охватить один канал. Инвертор в данной схеме подключен к стабилизированному напряжению.

Регулируемый двухтактный конвертор.

Рисунок 6.1

Регулируемый двухтактный конвертор

Рисунок 6.2

2. Силовые полупроводниковые элемент

Тип силовых полупроводниковых элементов (ППЭ) определяет тип полупроводникового преобразователя, а параметры силового ППЭ определяют его статистические и динамические характеристики. Силовые ППЭ в преобразователях как правило работают в ключевом режиме. Благодаря такому режиму работы потери в силовом полупроводниковом элементе очень малы в сравнении с преобразуемой мощностью. Эти потери состоят из потерь при протекании прямого тока через открытый (насыщенный) полупроводниковый элемент и потерь на переход из открытого состояния в закрытый и наоборот.

Существенный скачок в развитии преобразовательной техники произошел с появлением биполярных транзисторов с изолированной базой IGBTи мощных полевых транзисторов с изолированным затворомMOSFET.

Развитие технологии изготовления силовых полупроводниковых элементов привело к созданию модульных силовых элементов. Модули на транзисторах IGBTпоказаны на рис. 6.3.

Модули на транзисторах IGBT

Рисунок 6.3.

В настоящее время силовые IGBT– модули производятся на токи() A и напряжения коммутации ()Ви делятся на обычные и интеллектуальные. Обычные модули выпускаются в одно-, двух-, четырех- и шестиключевом исполнении с обратными диодами быстрого восстановления.

Интеллектуальные модули помимо ключевых элементов содержат в едином корпусе так же датчики, схемы драйверов, защит и диагностики.

3. Регулируемые двухтактные конверторы

Импульсные стабилизаторы в большинстве случаев выполняются на базе регулируемых преобразователей напряжения. Основой регулируемых преобразователей напряжения (РПН) являются двухтактные конверторы с выходными трансформаторами, выпрямительными устройствами и сглаживающими LCD– фильтрами. В регулируемых двухтактных конверторах совмещены функции преобразования постоянного напряжения в переменное и его регулирования с помощью устройства управления (УУ), основанного на принципе широтноимпульсной модуляции. Стабилизация напряжения осуществляется за счет того, что напряжение на вторичной обмотки выходного трансформатора имеет прямоугольную форму с регулируемой по длительности паузой при нулевом значении напряжения, зависящей от изменения дестабилизирующих факторов (изменение напряжения питания, тока нагрузки, температуры).

Схема двухтактного полумостового конвертора и временные диаграммы поясняющие его принцип работы показан на рис 6.4.

а) Схема двухтактного конвертора, б) форма импульсов

Рисунок 6.4.

Принцип действия полумостового двухтактного конвертора заключается в следующем: транзисторы VT1иVT2под действием импульсов управленияU_y1 иU_y2 имеющих форму прямоугольных импульсов длительностями с частотой коммутации поочередно переключаются. Когда транзисторVT1открыт конденсаторC1разряжается по цепи: верхняя обкладаC1, открытый транзисторVT1, первичная обмотка трансформатора, нижняя обкладкаC1. Энергия накопленная в емкостиC1 трансформируется в нагрузку. Одновременно происходит заряд емкостиC2 по цепи: +U₀, открытыйVT1, первичная обмотка трансформатора, верхняя обкладкаC2, нижняя обкладка и- U₀. Во время паузы, когда оба транзистора закрыты энергия накапливается в дросселеL1через диодVD5сбрасывается в нагрузку. Через полпериода транзисторVT открывается на время, и процесс повторяется для емкостиC2, емкостьC1заряжается. ЕмкостиC1и C2образуют емкостной делитель (U_С1= U_С2= U₀/2).

Мостовая схема двухтактного конвертора и ее временные диаграммы приведены на рис.6.5.

а) Мостовая схема двухтактного конвертора, б) форма импульсов

Рисунок 6.5

В мостовой двухтактной схеме конвертора, когда открыты транзисторы VT1, VT3 с длительностью первичная обмотка трансформатораT1(точкиаиб) подключается соответственно к +U₀и- U₀источнику. В следующий полупериод (длительность) точкибиабудут подключены соответственно к +U₀и- U₀. Таким образом, к трансформатору будет приложено переменное напряжение с амплитудойU₀и рабочей частотойf_к. Мостовые схемы конверторов используются при мощностях свыше 0,5кВт. Процесс преобразования напряжения в мостовой схеме протекает аналогично процессам в двухтактной схеме. Отличие заключается в том, что последовательно с первичной обмоткой трансформатора включены два транзистора.

Напряжение на нагрузки для обеих схем

,

где - напряжение на выходе выпрямителяVD1÷ VD4, -коэффициент заполнения.

В режиме стабилизации выходного напряжения необходимо задаться величиной , большие значения выбираются из расчета меньшего отклонения выпрямленного сетевым выпрямителем напряжения , меньшие значения – большего отклонения, и расчет производится в следующем порядке:

,

где - относительное отклонение напряжения питающей сети

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора для трех случаев:

где -прямое падение напряжения на диодах выпрямителя VD1÷ VD4.

Величина индуктивности дросселя выходного фильтра рассчитывается из условия непрерывного тока I_L

где максимальное значение сопротивления нагрузки, - частота коммутации ПН.

Пульсация тока через дроссель

Максимальное значение тока дросселя

Емкость сглаживающего фильтра

где - коэффициент пульсации напряжения нагрузки.

Среднее значение тока через диод VD5 и обратное напряжение:

,

,

Среднее значение токов и обратное напряжение диодов VD1÷ VD4 выпрямительного моста:

Максимальный ток вторичной обмотки

Токи коллекторов силовых транзисторов преобразователя напряжения

где - коэффициент пульсации (мостовая схема , полумостова ) .

Максимальное напряжкение закрытого транзистора инвертного напряжения

Значение емкостей конденсаторов входного делителя полумостовой схемы конвертора рассчитывается из выражения

где - напряжение первичной обмотки трансформатора , - кпд преобразователя .

Значение конденсаторов емкостного делителя