Преобразовательная техника

При подаче управляющего сигнала к тиристору VS1 конденсатор Cк заряжается с положительной полярностью на верхней обкладке (см. рис. 4.3, а). Процесс заряда происходит по контуру, в состав которого входит индуктивность Lк. Наличие этой индуктивности приводит к тому, что напряжение заряда конденсатора становится больше величины питающего напряжения источника UC > E, так как ток в индуктивности Lк мгновенно измениться не может. Величину индуктивности коммутирующего дросселя Lк выбирают таким образом, что напряжение заряда конденсатора составляет примерно 1,5÷1,8 питающего напряжения источника ͘E.

К нагрузке прикладывается напряжение: uн E .

Через тиристор VS1, кроме тока нагрузки iн, протекает ток заряда конденсатора iС, близкий по форме к полуволне синусоиды (рис. 4.3, б):

iVS1 iн iC .

Для выключения тиристора VS1 в момент времени t1 подается управляющий сигнал на коммутирующий тиристор VSк. При его отпирании к нагрузке прикладывается напряжение uн UC , а к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение:

uVS1 UC E .

Протекание тока через тиристор VS1 прекращается, и ток нагрузки замыкается по цепи Rн Lн Cк VSк . Конденсатор Cк разряжается практически постоянным током, так как Lн > Lк, и напряжение на конденсаторе изменяется по линейному закону. Тиристор VS1 за время tв > tвыкл, где tвыкл – паспортное время выключения тиристора, восстанавливает свои запирающие свойства.

По окончании перезарядки конденсатора Cк на интервале времени t2 < t < T ток iC = 0, а ток нагрузки iн замыкается через шунтирующий диод VD0. Схема готова к формированию следующего импульса.

Обратное напряжение на тиристоре VS1 поддерживается в течение интервала tв, когда конденсатор Cк разряжается током нагрузки от UC0 до E:

и tв Cк UC 0 E , Iн

где UC 0 (1,5 1,8)E .

61

Таким образом, длительность интервала времени tв зависит от величины тока нагрузки Iн. При увеличении тока нагрузки длительность интервала tв уменьшается, что может привести к уменьшению коммутационной устойчивости управляемого ключа (тиристора VS1), т. е. нарушению условия tв > tвыкл, определяемого паспортным временем выключения тиристора выбранного типа.

4.3. Инвертирующие импульсные преобразователи постоянного напряжения

Если в схеме последовательного преобразователя изменить положение индуктивного элемента и включить его параллельно с нагрузкой, то преобразователь может не только изменять величину выходного напряжения, но и изменять полярность (инвертировать) выходного напряжения относительно напряжения источника. Такие преобразователи получили названия инвертирующих преобразователей или buck-boost converter.

Рассмотрим структурную схему такого преобразователя, представленную на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема инвертирующего импульсного преобразователя

Особенность данной схемы заключается в том, что индуктивный элемент L в этой схеме работает не как сглаживающий элемент фильтра, а как накопитель энергии. Работу схемы удобно рассматривать отдельно для замкнутого и разомкнутого состояния управляемого ключа Кл.

Этап накопления энергии соответствует замкнутому состоянию полупроводникового ключа Кл. Схема преобразователя в данном режиме представлена на рис. 4.5, а.

Замкнутое состояние ключа обеспечивает накопление энергии магнитного поля в индуктивном элементе L. При этом источник энергии E оказывается отключенным от нагрузки диодом VD и ток нагрузки в этот

62

момент обеспечивается энергией, запасенной конденсатором фильтра С. На рис. 4.5, б показаны диаграммы напряжения и тока индуктивного элемента.

Ток дросселя нарастает почти по линейному закону, так как элемент L имеет значительную индуктивность и время замкнутого состояния ключа меньше постоянной времени левого контура (рис. 4.5, а):

Рис. 4.5. Работа инвертирующего импульсного преобразователя:

а– схема преобразователя при замкнутом ключе;

б– временные′ диаграммы работы преобразователя;

в– схема преобразователя при разомкнутом ключе

Теперь рассмотрим режим, когда управляемый ключ переводится в разомкнутое состояние. В этом режиме энергия, запасенная в индуктивном элементе, передается в нагрузку. Работа схемы преобразователя показана на рис. 4.5, в. При этом ток индуктивного элемента iL стремится сохранить то же значение и направление, которое он имел в режиме накопления энергии (см. рис. 4.5, а):

iL ULн (T tи ) .

Знак «минус» в последнем выражении показывает, что выходное напряжение Uн изменило полярность относительно входного напряжения и знак (–) означает инверсию выходного напряжения по сравнению с E . Приравнивая iL iL , получаем:

63

Выражение определяет регулировочную характеристику преобразователя. При γ < 0,5 схема преобразователя работает с понижением напряжения, при γ > 0,5 преобразователь работает с повышением напряжения, а при γ = 0,5 выходное напряжение равно входному и преобразователь осуществляет лишь изменение полярности напряжения.

4.4. Импульсные преобразователи постоянного напряжения параллельного (повышающего) типа

Рассмотрим структурную схему ИППН повышающего типа (рис. 4.6). В современной специальной литературе данные преобразователи получили название бустеров (boost).

Рис. 4.6. Схема повышающего импульсного преобразователя

В этой схеме управляемый ключ Кл подключен параллельно нагрузке Rн. Диод VD отделяет конденсатор фильтра C и нагрузку Rн от дросселя L. Работа данной схемы также разбивается на два этапа. Когда ключ замкнут (фаза накопления энергии), то ток от источника E протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD блокирует нагрузку и не позволяет конденсатору фильтра C разряжаться через замкнутый ключ (рис. 4.7, а).

64

а– схема преобразователя при замкнутом ключе;

б– временные′ диаграммы работы преобразователя;

в– схема преобразователя при разомкнутом ключе

Виндуктивном элементе (дросселе) происходит почти линейное нарастание тока iL от минимального до максимального значения, при этом приращение тока дросселя:

iL EtLи ,

где tи – длительность замкнутого состояния ключа.

Видно, что увеличить приращение тока, а значит, и запасенную в дросселе энергию можно либо за счет увеличения длительности tи, либо за счет соответствующего выбора индуктивности L.

65

Когда ключ размыкается, схема переходит в фазу передачи энергии дросселя в нагрузку (см. рис. 4.7, в). На этом этапе ЭДС eL суммируется с ЭДС источника Е, поэтому uн = E + eL, и энергия, запасенная в дросселе, передается в нагрузку и подзаряжает конденсатор C.

При этом выходное напряжение uн может стать больше входного E. Важно отметить, что дроссель L, так же как и в схеме инвертирующего преобразователя, не является элементом фильтра. Направление разрядного тока iL совпадает с направлением токов iC и iн. Ток в преобразователе изменяется от максимального до минимального значения (рис. 4.7, б). Изменение тока дросселя iL– в данном режиме:

элемента изменяется в фиксированном диапазоне, получим выражение для регулировочной характеристики бустерного (повышающего) преобразователя:

Как видно из выражения для регулировочной характеристики, теоретически выходное напряжение можно увеличивать до бесконечности. Однако максимальное значение повышающего коэффициента преобразователя Uн/E, даже при наличии высококачественных элементов схемы, ограничено: его значение в типовых схемах обычно не превышает Uн/E ≤ (3…6).

4.5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения с гальванической развязкой

ИППН с гальванической (трансформаторной) развязкой входных и выходных цепей позволяют:

1)облегчить согласование уровней входного и выходного напряжения, если эти уровни существенно различны;

2)оптимизировать установленные мощности элементов преобразо-

вателя;

3)обеспечить безопасность обслуживающего персонала.

На практике применяются в основном три вида схем однотактных преобразователей с гальванической развязкой:

прямоходовая однотранзисторная схема (forward single transistor);

прямоходовая двухтранзисторная схема (forward two transistor);

обратноходовая однотранзисторная схема (flyback).

66

Особенность работы схем однотактных преобразователей заключается в том, что передача энергии от источника осуществляется не непрерывно, а только в тот момент, когда управляемый ключ либо замкнут, либо разомкнут, т. е. в течение одного такта работы схемы.

Отличие прямоходовых схем от обратноходовых заключается в особенности передачи энергии от входного источника в нагрузку. Если передача энергии происходит в момент, когда управляемый ключ замкнут, то говорят о прямоходовом преобразователе, а если передача энергии осуществляется в момент, когда ключ разомкнут, говорят об обратноходовом преобразователе.

Общим недостатком схем однотактных преобразователей является возможность одностороннего насыщения трансформатора, что требует принятия дополнительных мер по предотвращению этого явления, таких как введение немагнитного зазора или дополнительной размагничивающей обмотки.

Рассмотрим работу схем однотактных преобразователей. Начнем с рассмотрения схемы прямоходового преобразователя, представленной на рис. 4.8. Схема содержит импульсный трансформатор Т, первичная обмотка которого включена через управляемый ключ Кл, чаще всего выполненный на любом типе силовых транзисторов, вторичная обмотка включена в цепь нагрузки.

Рис. 4.8. Схема прямоходового однотранзисторного импульсного преобразователя с гальванической развязкой

Напряжение вторичной обмотки выпрямляется диодом VD2 и поступает на LC-фильтр, который обеспечивает необходимое качество постоянного напряжения в нагрузке uн. Диод VD3 обеспечивает пропуск тока iL в момент времени, когда управляемый ключ разомкнут. Третья обмотка

67

трансформатора включена через диод VD1 и обеспечивает размагничивание магнитопровода при разомкнутом состоянии ключа.

При замкнутом состоянии Кл ток iвх индуктирует напряжения во всех обмотках трансформатора, причем во второй обмотке полярность напряжения такова, что диод VD2 включается в прямом направлении, обеспечивая передачу энергии, что показано на рис. 4.9.

Кл

Рис. 4.9. Схема прямоходового однотранзисторного импульсного преобразователя с гальванической развязкой при замкнутом ключе

Необходимая полярность напряжений в обмотках трансформатора достигается их фазировкой (на схеме начала обмоток обозначены точками). Полярность напряжения на третьей обмотке такова, что диод VD1 включен в обратном направлении и ток в ней равен нулю (см. рис. 4.8).

В момент размыкания управляемого ключа индуктируемые в обмотках напряжения изменяют свою полярность на противоположную. При этом диод VD2 оказывается включенным в обратном направлении и ток нагрузки iн поддерживается энергией, запасенной в дросселе L и выходном конденсаторе фильтра Свых (рис. 4.10).

При размыкании ключа Кл энергия, накопленная в магнитопроводе трансформатора Т, может привести к возникновению опасных перенапряжений на выводах ключа. Для устранения перенапряжений в схеме предусмотрена третья обмотка трансформатора W3 с обратным диодом VD1. Ток i3 индуктирует в обмотках трансформатора напряжения, которые при равенстве витков в обмотках W3 и W1 приведут к возникновению удвоенного напряжения 2Uвх на выводах разомкнутого ключа. Обмотка W2 оказывается отключенной.

68

Режим разомкнутого ключа обеспечивает процесс размагничивания трансформатора, который должен окончиться до очередного замыкания ключа.

W3

VD1

Рис. 4.10. Схема прямоходового однотранзисторного импульсного преобразователя с гальванической развязкой при разомкнутом ключе

Выходное напряжение преобразователя определяется выражением:

где γ – коэффициент заполнения, который выбирается из условия γ ≤ 0,5. Рассмотрим схему прямоходового двухтранзисторного преобразова-

теля, представленную на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Схема прямоходового двухтранзисторного импульсного преобразователя с гальванической развязкой

Работа схемы преобразователя включает в себя два режима работы ключевых элементов: первый – когда ключи Кл1 и Кл2 замкнуты, и второй – когда они разомкнуты. В режиме замкнутого состояния ключей про-

69

исходит передача энергии от источника питания в нагрузку, при этом диоды VD1 и VD2 находятся под действием обратного напряжения и ток, протекающий через них, равен нулю.

При размыкании ключей Кл1 и Кл2 изменяется полярность напряжений, индуктируемых в обмотках трансформатора так, что диоды VD1 и VD2 пропускают ток, обеспечивающий размагничивание трансформатора, но при этом величина напряжения на разомкнутых ключах не может быть выше питающего напряжения Uвх. Диод VD3 закрыт и ток нагрузки iн обеспечивается энергией, запасенной в LC-фильтре. Соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора можно найти из условия:

при этом преобразователь должен работать с коэффициентом заполнения не более 0,5.

В заключение данной главы рассмотрим схему обратноходового преобразователя, представленную на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Схема обратноходового импульсного преобразователя с гальванической развязкой

Схема содержит управляемый ключ Кл, импульсный трансформатор Т, у которого первичная и вторичная обмотки включены так, что полярность индуктируемых в них напряжений противоположна (об этом свидетельствуют точки, обозначающие одноименные выводы обмоток). Работа схемы разбивается на два этапа, соответствующие двум состояниям ключа Кл. При замкнутом состоянии ключа ток первичной обмотки i1 индуктирует напряжения U1 в первичной обмотке и напряжение U2 во вторичной обмотке, причем полярность напряжения U2 такова, что диод VD закрыт и

70