мости работы транзистора в режиме насыщения получим, что H21э min = 1,5…2,

т. е. ток базы должен быть всего лишь в два раза меньше, чем ток коллектора.

Поэтому в современных ИВЭП в качестве силового ключа применяются только МДП транзисторы.

Временные диаграммы работы силового каскада показаны на рис. 5, а, б.

Силовой каскад ОПНО может работать в двух режимах. Первый из них – ре-

жим непрерывных токов (НТ) – характеризуется тем, что в любой из моментов времени работы преобразователя ток в индуктивности намагничиванияLm

трансформатора, являющийся суммой токов первичной w1 (ток стока iс транзи-

стора VTs) и вторичной w2 (ток iв, протекающий через диод VDв) обмоток транс-

форматора TV, не становится равным нулю. Второй режим – режим прерыви-

стых токов (ПТ) – характеризуется наличием нулевого значения тока в индук-

тивности Lm в конце интервала времени выключенного состояния транзистора

VTs, т. е. в режиме ПТ происходит полный разряд тока, накопленного в преды-

дущем такте работы (при включенном состоянии VTs) преобразователя в индук-

тивности Lm. Каждый из режимов обладает своими достоинствами и недостат-

ками, которые будут рассмотрены далее.

4.1. Работа силового каскада в режиме непрерывных токов

Временные диаграммы работы силового каскада в режиме НТ приведены на рис. 5, а. На них для упрощения и наглядности рассмотрения процессов ра-

боты не показан ток в индуктивности намагничиванияLm трансформатора TV,

однако вид временной диаграммы тока в этой индуктивности может быть полу-

чен путем геометрического суммирования графиков токаiс и iв. На интервале времени tи на затвор транзистора VTs подается управляющий импульс напряже-

ния Uу, что вызывает включение VTs. Вследствие этого первичная обмоткаw1

подключается к источнику напряжения Еп и через неё начинает протекать ток iс

стока VTs.

14

Рис. 5. Временные диаграммы работы силового каскада ОПНО :

а – в режиме НТ, б – в режиме ПТ

15

Силовой каскад ОПНО на этом интервале времени представляется экви-

валентной схемой рис. 6, где ключ S условно отображает транзистор VTs.

Рис. 6. Эквивалентная схема силового каскада на этапе накопления тока в индуктивности

Рассмотрим сначала работу силового каскада в упрощенном виде, б з учета кратковременных коммутационных процессов переключения, опреде-

ляющих электрические параметры показанных на временных диаграммах им-

пульсов тока Iс max и, Iв обр и напряжения Uси max и. Эти кратковременные процессы будут описаны далее.

Предположим, что к начальному моменту времени включенного состоя-

ния VTs (ключ S замкнут) в индуктивности L1 первичной обмотки w1 силового трансформатора TV существовало начальное значение тока стокаIс0 (см. вре-

менные диаграммы iс рис. 5, а). Полярность включения обмоток w1 и w2 транс-

форматора TV такова (см. обозначения начала обмоток точками схемы рис. 4),

что на интервале времени tи диод VDв заперт обратным напряжением. Следова-

тельно, на интервале времени tи вторичная обмотка w2 разомкнута и не влияет на процессы работы силового каскада.

После замыкания ключа S в индуктивности L1 начинается увеличение то-

ка по линейному закону

К концу интервала времени tи увеличивающийся ток стока достигает зна-

чения

16

Следующий этап работы силового каскада начинается после снятия сиг-

нала Uу, т. е. после выключения транзистора VTs. Эквивалентная схема силово-

го каскада для интервала времени tп = Т – tи приведена на рис. 7. Здесь электри-

ческая цепь, состоящая из элементов Сф1, Lф, Сф2, эквивалентно представлена источником напряжения Uн.

Рис. 7. Эквивалентная схема силового каскада на этапе разряда индуктивности в нагрузку

После того как транзистор VTs выключится, увеличение тока в индуктив-

ности намагничивания трансформатораTV прекращается, и в соответствии с законом самоиндукции

напряжения на его обмотках изменяют полярность. Это приводит к открыва-

нию диода VDв и последующему разряду тока, накопленного в индуктивности намагничивания, в нагрузку Uн. Для показанного на временных диаграммах

(см. рис. 5, а) начального значении тока Iв max в индуктивности L2 вторичной обмотки w2 трансформатора TV функция уменьшения тока имеет вид

Из выражения (4.4) может быть определена длительность полного разря-

да индуктивности L2

Как было показано выше, режим НТ характеризуется отсутствием нуле-

вого значения тока на любом из интервалов времени работы силового каскада.

17

В этом случае, исходя из выражения (4.5), условие функционирования силового каскада ОПНО в режиме НТ определяется неравенством

Значение тока Iв0, который будет существовать к концу интервала време-

ни tп, равно

Это выражение определяет также значение токаIс0, который может быть найден при помощи известных из курса ТОЭ формул приведения для транс-

форматора. Следовательно, значение тока Iс0 в индуктивности L1 определяется длительностью интервала времени tп. Одновременно с этим, как видно из (4.7),

увеличение амплитуды импульса Iв max приводит к увеличению тока Iв0.

Далее рассмотрим кратковременные коммутационные процессы пере-

ключения транзистора VTs и диодаVDв, которые определяют энергетические характеристики ОПНО при высоких частотах преобразования постоянного на-

пряжения.

Как известно из курса электроники, полупроводниковый диод с p-n пере-

ходом обладает определенной инерционностью, и время его выключения зави-

сит от длительности рассасывания избыточных зарядов из полупроводниковой структуры [1, 2]. Этот интервал времени, называемый временем рассасывания избыточных носителей зарядов tрасс, показан на временных диаграммах токовiс

и iв (см. рис. 5, а).

При включении VTs на диод VDв поступает напряжение обратной(запи-

рающей) полярности. Однако в силу инерционности, т. е. наличия у диода ин-

тервала времени tрасс, он продолжает оставаться открытым, что определяет по-

явление в стоковой цепи транзистораVTs импульса тока значительной ампли-

туды Iс max и, показанного на графике iс временных диаграмм (см. рис. 5, а). Оче-

18

видно, что для уменьшения длительности интервала времениtрасс необходимо применение быстродействующих диодов.

Причина появления этого импульса тока может быть проиллюстрирована эквивалентной схемой (рис. 8), определяющей процессы работы силового кас-

када на рассматриваемом этапе времени tрасс.

Рис. 8. Эквивалентная схема силового каскада на этапе времени рассасывания tрасс

Здесь в комплексное сопротивлениеZпар входят паразитные параметры первичной и вторичной цепей силового каскада ОПНО: активные сопротивле-

ния и индуктивности рассеяния обмотокTV, реактивные и активные сопротив-

ления проводников и .т п. Напряжение Uн* пересчитано при помощи формул приведения из вторичной обмотки TV в первичную. Это же относится и к пара-

метрам выпрямительного диода VDв*.

Как видно из схемы рис. 8, источники напряжения включены последова-

тельно и согласно, так что в цепи действует сумма напряженийEп + Uн*. Вели-

чина сопротивления Zпар обычно мала, так как силовой каскад должен обладать высоким КПД. Это приводит к большой амплитуде импульса токаIс max и в ре-

альных схемах ОПНО. При недостаточном быстродействии диода VDв, т. е. при большой длительности промежутка времени tрасс может выполняться соотноше-

ние Iс mаx и ³ Iс mаx. Это снижает надежность работы силового каскада из-за зна-

чительной перегрузки транзистора VTs по току стока, что в значительной степе-

ни сказывается при высоких частотах преобразования энергии постоянного на-

пряжения в ОПНО: fпр = 1 ¤Т. Появление импульса тока Iс max и уменьшает КПД силового каскада.

19

Импульс тока Iс mаx и обусловлен протеканием через диодVDв обратного

(рассасывающего) тока. Амплитуда импульса обратного тока Iв обр (см. времен-

ные диаграммы рис. 5, а) определяется теми же параметрами, что и импульс то-

ка стока, и количественно находится путем пересчетаIс mакс и по известным из курса ТОЭ формулам приведения трансформатора.

Таким образом, наличие инерционности диода VDв вызывает появление кратковременных импульсных токов значительной амплитуды через транзи-

сторный ключ и выпрямительный диод, что обусловливает снижение надежно-

сти работы и уменьшение КПД преобразователя.

Очевидно, что наиболее рационально применение в ИВЭП в качестве вы-

прямителей диодов Шоттки, у которых tрасс = 0.

Рассмотрим работу демпфирующей цепи ДЦ(см. рис. 2). Она состоит из резистора Rд, конденсатора Сд и диода VDд, (см. рис. 4). Необходимость введе-

ния такой цепи обусловлена следующими характерными процессами работы силового каскада.

Трансформатор TV практически всегда обладает индуктивностью рассея-

ния Ls обмоток. Перед выключением транзистора VTs ( в конце интервала вре-

мени tи) ток его стока был равен Iс mах (см. рис. 5, а). Этот же ток протекал и че-

рез индуктивность Ls. Упрощенная эквивалентная схема преобразователя на интервале времени запирания VTs, т. е. после размыкания ключа S приведена на рис. 9.

Рис. 9. Эквивалентная схема силового каскада на этапе демпфирования импульса напряжения сток-исток

20

Здесь полярность напряжения на индуктивностиLs, которая указана без скобок, соответствует замкнутому состоянию ключа S. После размыкания клю-

ча S увеличение тока стокаIс прекращается, в соответствии с законом самоин-

дукции (4.3) полярность напряжения на индуктивностиLs меняется на обрат-

ную. Это показано на рис. 9 знаками полярности в скобках. Если в схеме пре-

образователя отсутствует демпфирующая цепь, то в момент времени запирания транзистора на ключе образуется импульс напряжения, амплитуда которого в идеальном случае, когда в схеме ключа паразитные шунтирующие сопротивле-

ния будут равны бесконечности, будет также равна бесконечности. Это обусло-

вит отказ транзистора по причине превышения максимально допустимого -на пряжения коллектор-эмиттер.

После смены полярности напряжения на индуктивностиLs открывается диод VDд (схема рис. 9), накопленная в ней энергия тока поглощается конден-

сатором Сд , обеспечивая снижение амплитуды импульса напряженияUси max и

(см. рис. 5, а) на переходе сток-исток транзистора VTs. В зависимости от вели-

чины емкости и напряжения Uд0, которое существовало на конденсаторе Сд до момента времени размыкания ключаS, амплитуда импульса может быть раз-

личной. Очевидно, что чем больше емкостьСд и меньше напряжениеUд0, тем меньше будет амплитуда импульса напряженияUси max и. Для повышения на-

дежности работы преобразователя необходимо реализовать меры по сущест-

венному снижению амплитуды этого импульса, однако это требует определен-

ных энергетических затрат, что снижает КПД ИВЭП.

По окончании процесса разряда индуктивностиLs диод VDд запирается,

так как напряжение на обмотке w1 становится равным Uн*. После этого величи-

на напряжения сток-исток VTs изменяется и принимает значение, определяемое выражением

Так как в последующем напряжение на конденсатореСд меньше, чем на обмотке w1, то он разряжается на резистор Rд. Для наиболее эффективной рабо-

21