3.2. Работа двухтактного преобразователя.

Двухтактные преобразователи отличаются от однотактных лучшим использованием полупроводниковых приборов и электромагнитных аппаратов (в первую очередь трансформатора). В структуру таких преобразователей входят двухтактный инвертор, выходной выпрямитель и фильтр. Улучшение свойств преобразователя достигается тем, что в двухтактном преобразователе на каждом такте работы обеспечивается передача энергии от источника в нагрузку. Таким образом, двухтактный преобразователь может быть представлен совокупностью двух однотактных с передачей энергии на прямом такте, но работающий со сдвигом во времени на половину периода. Следствиями такой работы являются увеличение выходной мощности, снижение импульсов тока, увеличение частоты пульсаций выходного напряжения, перемагничивание магнитопровода силового трансформатора по частному симметричному циклу.

В качестве примера на рис.2 приведены три варианта распространенных схем двухтактных регулируемых преобразователей: схема со средней точкой трансформатора, мостовая и полумостовая.

В данной лабораторной работе предполагается исследование работы классического двухтактного преобразователя напряжения с выводом нейтральной (средней) точки первичной обмотки трансформатора. Схема силовой части этого преобразователя приведена ниже на рис. 3-1.

Рассмотрим работу данного преобразователя в предположении идеальности всех его элементов и в предположении безразрывности тока дросселя L. Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя в установившемся режиме при широтно- импульсном управлении транзисторами VT1, VT2 представлены на рис.3-2 (в обозначениях осей ординат указаны контрольные точки КТ, соответствующие гнездам стенда).

На рис.3-2 в и рис. 3-2г представлены временные диаграммы напряжений затвор-исток транзисторов VT1 и VT2, уровень которых превышает пороговые напряжения транзисторов так, что на временном интервале t=0…t_И транзистор VT1, а на временном интервале t=0.5T…(0.5T+t_И) транзистор VT2 находятся в режиме насыщения.

. Рис. 3-1. Схема двухтактного преобразователя (преобразователя типа push-pull).

Рис. 3-2. Временные диаграммы, поясняющие работу двухтактного преобразователя.

Состояния транзисторов VT1, VT2 и диодов VD1, VD2 (On или Off) на всех четырех временных интервалах за период Т преобразования энергии (рис. 3-2в) представлены в табл. 1. На первом временном интервале полярности напряжений на обмотках трансформатора показаны на рис. 3-1. Напряжение сток –исток закрытого транзистора VT2, равное сумме напряжения источника питания U_ИП и ЭДС на зажимах первичной полуобмотки W₁₂, также равная для идеального преобразователя U_ИП, оказывается равным удвоенному значению напряжения питания (см. рис.1-2 д).

Таблица 1.

Если обозначить W₁₁= W₁₂ через W₁, а W₂₁= W₂₂ через W₂ , то выражение для коэффициента трансформации трансформатора n₂₁ примет следующий вид:

n₂₁= W₂/ W₁. Напряжение на входе фильтра нижних частот u_a (рис. 1-2з) окажется равным на этом временном интервале U_ИП* n₂₁. Напряжение, приложенное к обмотке дросселя L (u_L), равное разности напряжения u_a и напряжения на выходе преобразователя U_H будет на первом временном интервале определять скорость нарастания тока дросселя, а, следовательно, тока диода VD1 (рис.1-2ж) и тока транзистораVT1 (эта кривая не приведена на рис. 3-2)

На втором временном интервале t = t _И…0.5Т. Оба транзистора закрыты (Off) а за счет энергии запасенной дросселем L оба диода VD1, VD2 будут открыты и через каждый из диодов будет протекать ток равный половине тока дросселя., т.е на этом временном интервале трансформатор оказывается в режиме короткого замыкания. Поэтому напряжения сток-исток закрытых транзисторов оказывается равным U_ИП (рис. 3-2д). При этом скорость убывания тока через диоды и вторичные полуобмотки трансформатора будет определяться напряжением, приложенным к обмотке дросселя, равным выходному напряжению U_H преобразователя.

На третьем временном интервале t=(0.5T…0.5T+t_И ) будут открыты транзистор VT2 и диод VD2. Кривая тока стока транзистора VT2 приведена на рис. 3-2 е. На четвертом временном интервале трансформатор снова оказывается в режиме короткого замыкания (при условии безразрывности тока дросселя).

Из кривой напряжения u_a(t) (рис 3-2 з ) следует, что период изменения этого напряжения оказывается в два раза меньше периода коммутации каждого из транзисторов. Следует отметить, что в рассматриваемом преобразователе вместо данной схемы выпрямления (двухполупериодной с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) могут применяться однофазная мостовая или схема с удвоителем тока, но в любом случае период напряжения u_a(t) будет в два раза меньше периода коммутации транзисторов. Среднее значение напряжения u_a(t) равно для идеального преобразователя напряжению на нагрузке. Если обозначить через γ относительную длительность включенного состояния ( t_И) отдельно взятого транзистора, т.е. γ= t_И/Т., то регулировочная характеристика преобразователя примет следующий вид:

U_H= t_И *U _ИП*n₂₁/0.5T = 2* γ* U _ИП*n₂₁.

Следует иметь в виду, что в литературе достаточно часто вместо γ применяют D= t_И/0.5Т. В этом случае регулировочная характеристика принимает следущий вид:

U_H= t_И *U _ИП*n₂₁/0.5T = D* U _ИП*n₂₁.

К достоинствам двухтактных преобразователей по отношению к однотактным преобразователям следует отнести меньшие габариты фильтра нижних частот, так как в двухтактных ФНЧ работает на удвоенной частоте. На практике находят применение двухфазные однотактные преобразователи (с прямым включением диода), представляющие собой два отдельных модуля, работающих со сдвигом по фазе на половину периода, на общий ФНЧ, так что частота изменения напряжения на входе ФНЧ такая же как и в двухтактных преобразователях. . Но при этом вместо одного трансформатора, как это имеет место в двухтактных преобразователях, требуется установка двух трансформаторов с большей суммарной габаритной мощностью. Однако следует иметь в виду, что в рассматриваемом двухтактном преобразователе принципиально возможно появление одностороннего намагничивания материала магнитопровода трансформатора, для исключения которого приходится существенно усложнять схему управления.

В реальных преобразователей существенное влияние на работу оказывают индуктивности рассеяния трансформатора и задержки переключения диодов выпрямителя. Другой особенностью реального полупроводникового преобразователя является необходимость шунтирования ключевых элементов обратными диодами и введения защитных RC – цепей, не показанных в рассматриваемых схемах.