5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения

Рисунок 5.1

ИППН предназначены для изменения значения постоянного напряжения. Они служат для питания нагрузки постоянным напряжением U_Н, отличающиеся от напряжения источника питания Е. При этом иногда необходимо стабилизировать U_н при изменении Е и тока нагрузки или изменять U_н по определенному закону независимо от Е.

Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью t_и и паузой t_п (рисунок 5.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения U_н.

В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.

5.1. Методы импульсного регулирования постоянного напряжения

Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.

Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов t_и при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:

, (5.1)

где - коэффициент регулирования.

В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (t_и =0; γ=0) до Е (t_и =T; γ=1).

Рисунок 5.2

Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности t_и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением: (5.2)

Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .

Совместное применение ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов t_и и и называется комбинированным.

Рассмотрим наиболее распространенные принципы построения схем ИППН (рисунок 5.2.а). Регулирующий элемент условно покажем в виде ключа, функцию которого обычно выполняет тиристор или силовой транзистор. В выходную цепь входит нагрузка Z_н активно-индуктивного характера и при необходимости сглаживающий дроссель L_ф. Иногда применяются более сложные сглаживающие фильтры, например Г - образный LC фильтр. Диод VD₀ предназначен для создания контура протекания тока нагрузки при разомкнутом ключе К.

Рассмотрим процессы протекающие в таком преобразователе. На интервалах включенного состояния ключа t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆ напряжение подключается ко входу сглаживающего фильтра , U_вых=Е, диод VD₀ закрыт. Через нагрузку протекает ток i_н по цепи (+Е)-К- L_ф-Z_н –(-Е). На интервалах отключенного состояния ключа t₂-t₃, t₄-t₅ связь выходной цепи с источником питания отсутствует, однако ток через нагрузку продолжается. Он поддерживается энергией, накопленной реактивными элементами – дросселем L_ф и индуктивностью нагрузки L_н и замыкается через VD₀ вследствие чего U_вых=0. Без учета падений напряжения на активных сопротивлениях дросселя L_ф и подводящих проводом U_н=U_вых , определяется средним значением U_вых(t) и находится по формулам 4.1 и 4.2. Ток i_н состоит из участков экспонент нарастания и спадания с постоянной времени . Среднее значение тока .

При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.