95
Лекция 10
ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
План
1.Введение
2.Понижающие импульсные регуляторы
3.Повышающие импульсные регуляторы
4.Инвертирующий импульсный регулятор
5.Потери и КПД импульсных регуляторов
6.Выводы
1. Введение
Источники вторичного электропитания, построенные по традиционной схеме (трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор) просты в исполнении, имеют низкий уровень электромагнитного излучения. Однако они рассеивают значительную мощность, имеют большие массу и габариты. Большие габариты таких источников обусловлены тем, что питающее напряжение имеет низкую частоту – 50 Гц. Это приводит к необходимости применения трансформаторов с большим сечением магнитопровода и использованию конденсаторов большой емкости в сглаживающих фильтрах.
Эти недостатки характерны и для линейных стабилизаторов, рассмотренных в ходе предыдущей лекции. В частности, коэффициент полезного действия таких стабилизаторов часто не превышает 50%. Малые значения КПД линейных стабилизаторов обусловлены в первую очередь тем, что мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе, оказывается достаточно большой, особенно при стабилизации малых напряжений.
Значительно больший КПД обеспечивают схемы, в которых регулирующим элементом является коммутатор (ключ), который с определенным периодом повторения Т переключается из замкнутого состояния в разомкнутое и обратно. В качестве коммутаторов используют биполярные или МОП-транзисторы. Отношение времени открытого (замкнутого) состояния ключа к периоду повторения Т может регулироваться. Меняя это отношение, мы можем в широких пределах регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Такой способ регулирования называют широтно-импульсным (широтно-импульсная модуляция – ШИМ). Последовательно с коммутатором включается фильтр нижних частот, сглаживающий пульсации выходного напряжения до допустимой величины. Такие схемы называют импульсными регуляторами.
96
Основными компонентами импульсных источников питания являются дроссели, конденсаторы, управляемые ключи и трансформаторы. Все перечисленные компоненты имеют малые потери, в идеале равные нулю. Если сопротивление ключа в замкнутом состоянии мало, то КПД импульсного источника может достигать 90% и более. Потери энергии в транзисторе, используемом в качестве коммутатора, происходят в основном на интервале переключения и определяются длительностью этого интервала. Поэтому чем лучше частотные свойства транзистора, тем выше КПД импульсного регулятора.
Перечислим основные достоинства импульсных ИВЭП.
1.Высокий коэффициент полезного действия.
2.Малые масса и габариты.
3.Возможность получения выходного напряжения, превышающего входное (повышающие регуляторы).
Импульсные источники вторичного электропитания позволили перейти от преобразования электрической энергии на низких частотах к работе на частотах в десятки и сотни килогерц. Это дало возможность значительно уменьшить размеры и массу трансформаторов и сглаживающих фильтров. Появление мощных высоковольтных транзисторов и материалов с малыми потерями для магнитопроводов высокочастотных трансформаторов дало возможность создания импульсных источников с бестрансформаторным входом. При выходной мощности 100 Вт такие источники могут иметь удельную мощность, превосходящую 200 Вт/дм2, тогда как для традиционных ИВЭП этот показатель не превышает 20 Вт/дм2.
Укажем основные недостатки импульсных источников.
1. Напряжения и токи имеют импульсный характер. Это может привести к появлению высокочастотных помех в нагрузке и внешней сети. Для снижения уровня помех необходимо применение сглаживающих фильтров, тщательное экранирование и т.д.
2. Импульсный регулятор и схема управления коммутатором образуют систему с обратной связью. Необходимы специальные меры по обеспечению устойчивости регулятора.
3. Импульсные источники питания, в том числе и импульсные регуляторы, более дорогостоящи и требуют большего времени на разработку Схемы импульсных источников питания отличаются большим
разнообразием принципов построения. Мы посвятим рассмотрению таких источников несколько лекций.
Рассмотрим сначала основные схемы импульсных регуляторов.
97
2. Понижающий импульсный регулятор
Схема понижающего регулятора показана на рис. 10.1.
Рис. 10.1
Регулирующим элементом является коммутатор, показанный на схеме в виде ключа. Дроссель L и конденсатор C образуют сглаживающий фильтр. Частота переключений коммутатора должна быть большой для того, чтобы обеспечить малые пульсации выходного напряжения. Она может достигать сотен килогерц и единиц мегагерц. Увеличение частоты переключений позволяет значительно уменьшить массу и габариты сглаживающего фильтра.
Рассмотрим электромагнитные процессы в схеме на рис. 10.1, которые происходят на интервале Т. Когда ключ замкнут, ток дросселя растет, и происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя. Когда ключ разомкнут, ток дросселя замыкается через открытый диод VD1. Энергия, накопленная в магнитном поле дросселя, расходуется на поддержание неизменного выходного напряжения.
Рассмотрим, как изменяется ток дросселя в течение интервала переключения коммутатора Т. Будем считать, что емкость сглаживающего конденсатора очень велика, так что выходное напряжение постоянно.
Режим работы схемы зависит от состояния ключа. Обозначим tи – время, в течение которого ключ замкнут. Рассмотрим следующие интервалы времени.
1.Интервал 0 ÷tи . Ключ замкнут. К диоду приложено обратное напряжение, и он закрыт. Приращение тока на этом интервале
i1 |
= |
Uвх −Uвых |
tи . |
|
|||
|
|
L |
|
2.Интервал tи ÷T . Ключ разомкнут. Диод открыт, и ток дросселя замыкается через диод и сопротивление нагрузки Rн . Приращение тока
i2 |
= −Uвых (T − tи ) . |
|
L |
Временные диаграммы напряжений и токов импульсного регулятора показаны на рис. 10.2.
98
Рис. 10.2
Поскольку коммутация происходит периодически, суммарное изменение тока на интервале времени T равно нулю:
i = i1 |
+ i1 |
= |
Uвх tи −UвыхT |
= 0 . |
|
L |
|||||
|
|
|
|
Из этого соотношения следует, что выходное напряжение
99
Uвых = |
tи |
Uвх = DU вх . |
(10.1) |
|
|||
|
T |
|
|
Здесь D = Ttи – коэффициент заполнения импульсов.
Равенство (10.1) называют регулировочной характеристикой импульсного регулятора.
Таким образом, выходное напряжение импульсного регулятора пропорционально коэффициенту заполнения импульсов коммутатора. Поскольку D <1, выходное напряжение всегда меньше входного. Поэтому такой регулятор называют понижающим. Величиной выходного напряжения можно управлять, изменяя коэффициент заполнения импульсов D . Такой процесс управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Она широко применяется не только в импульсных источниках питания, но и в других устройствах.
Формула (10.1) справедлива, если ток на интервале 0 ÷T не обращается в нуль. Такой режим называют режимом непрерывного тока. Если ток дросселя в течение какого-либо промежутка времени на интервале 0 ÷T обращается в нуль, то имеет место режим прерывистого тока.
Поскольку емкость конденсатора конечна, выходное напряжение будет пульсирующим. Определим, как влияют на амплитуду пульсаций значения индуктивности и емкости сглаживающего фильтра.
При оценке величины пульсаций выходного напряжения для упрощения анализа примем, что индуктивность дросселя L → ∞ ; ток дросселя при этом имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 10.3). Среднее значение тока
Iср =(1 − D)I1 .
Рис. 10.3
Если емкость конденсатора достаточно велика, его сопротивление на частоте первой и высших гармоник значительно меньше сопротивления нагрузки:
ω
1C <Rн .
1
100
При этом можно считать, что переменная составляющая тока замыкается через конденсатор. Приближенные формы кривых напряжения uС (t) и тока iС (t ) показаны на рис. 10.4.
|
|
|
|
Рис. 10.4 |
|
|
Приращение напряжения uС |
1 ò(1 − D)I1dt = (1 − D)DT I1 . |
|||||
uС = |
1 ò Iср dt = |
|||||
|
|
DT |
|
DT |
|
|
|
C |
0 |
C |
0 |
C |
|
Из полученного выражения следует, что амплитуда пульсаций выходного напряжения не зависит от его среднего значения.
Для уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения необходимо, чтобы выполнялось условие
C ³ (1 − D)DT I .
DuС 1
Аналогичным образом можно показать, что амплитуда пульсаций тока уменьшается, если индуктивность дросселя
L ³ (1 − D)DT U .
DiL Н
101
В установившемся режиме величина пульсаций тока не зависит от его среднего значения.
3. Повышающий импульсный регулятор
Схема повышающего импульсного регулятора показана на рис. 10.5. Когда ключ замкнут, диод закрыт, и к дросселю приложено входное напряжение. Используя допущения, принятые в предыдущем параграфе, определим изменение тока дросселя на интервале 0 ÷tи
i1 |
= |
Uвх |
tи . |
(10.2) |
|
||||
|
|
L |
|
|
После размыкания ключа диод откроется, и образуется последовательная цепь. Энергия, накопленная в дросселе, передается на выход схемы. При этом ток дросселя уменьшается. Изменение тока на интервале tи ÷T
i1 |
= |
(Uвых − Uвх )(T − tи ) |
. |
(10.3) |
|
||||
|
|
L |
|
|
Рис. 10.5
Поскольку среднее значение тока остается неизменным, суммарное изменение тока на интервале T равно нулю:
i1 + i2 = 0 .
Подставляя в последнее равенство формулы (10.2) и (10.3), получим регулировочную характеристика схемы, показанной на рис. 10.5:
Uвых = |
|
|
1 |
Uвх . |
|
1 |
− D |
||||
|
|
||||
102
При D > 0.5 выходное напряжение превышает входное. Поэтому регулятор на рис. 10.5 называют повышающим. Величиной выходного напряжения можно управлять, изменяя коэффициент заполнения импульса D .
Как и в понижающем преобразователе, амплитуда пульсаций тока в схеме на рис. 10.3 не зависит от его среднего значения.
4. Инвертирующий импульсный регулятор
Схема инвертирующего регулятора изображена на рис. 10.6.
Разобъем цикл преобразования на два такта. В течение первого такта, при замкнутом ключе ток циркулирует в контуре, образованном источником входного напряжения, ключом и дросселем. При этом в дросселе происходит запасание энергии.
При размыкании ключа энергия, накопленная в дросселе, передается в конденсатор и сопротивление нагрузки.
Рис. 10.6
Определим регулировочную характеристику схемы на рис. 10.6. Примем, что в течение каждого такта напряжение постоянно, а ток дросселя изменяется линейно. При замкнутом ключе
Uвх = L
Здесь tи – интервал, в течение приращение тока на этом интервале.
При разомкнутом ключе
i tи1 .
которого ключ замкнут, i1 –
Uвых = L T −i2tи .
Здесь i2 – изменение тока на интервале T −tи .
Среднее значение тока за цикл преобразования должно остаться неизменным. Поэтому суммарное изменение тока на интервале T i1 + i2 = 0 . Регулировочная характеристика инвертирующего импульсного регулятора
103
Uвых =1 −DD Uвх .
5.Потери и КПД импульсных регуляторов
Ключ является одним из основных источников потерь в импульсных источниках питания. В зависимости от топологии преобразователя на ключ приходятся от 40 до 50 % общей суммы потерь. Кривые напряжения и тока в ключе понижающего импульсного преобразователя показаны на рис. 10.7. В качестве ключа используется МОП-транзистор.
Рис. 10.7
Римской цифрой I обозначены интервалы времени, соответствующие замыканию и размыканию ключа. Цифрой II обозначен интервал, соответствующий замкнутому состоянию ключа. Как следует из рис. 10.7, основную часть потерь в ключе составляют потери на электропроводность и потери на переключение. Для уменьшения потерь на электропроводность стараются минимизировать напряжение на замкнутом ключе.
Другим элементом, вносящим значительный вклад в общую сумму потерь, является диод. График тока диода на интервале коммутации показан на рис. 10.8.
104
Рис. 10.8
Основную долю потерь в диоде составляют потери на электропроводность и обратное восстановление. Потери, связанные с прохождением обратного тока через диод на интервале обратного восстановления, могут достигать значительной величины. Обратный ток диода может вызывать бросок тока в ключе, что приведет к дополнительным потерям. Для уменьшения потерь используют диоды Шоттки, имеющие меньшее прямое напряжение.
Другой путь уменьшения потерь – замена диода МОП-транзистором. Эффект от замены заключается в том, что сопротивление открытого канала МОП-транзистора очень мало. Управляющие импульсы на затворы МОПтранзисторов подаются так, что нижний транзистор открывается только после того, как полностью закроется верхний транзистор. Такое управление МОП-ключами имитирует работу диода и называется синхронным управлением.
Определим приближенно потери в понижающем импульсном регуляторе, показанном на рис. 10.1. Это даст возможность оценить влияние параметров регулятора на величину потерь КПД рассматриваемой схемы. Для упрощения выкладок примем следующие допущения.
1.Вольт-амперную характеристику ключа будем считать кусочно-линейной (рис. 10.9). В закрытом состоянии ток ключа равен нулю, а в открытом
состоянии ключ имеет сопротивление, равное Rвкл . Сопротивление ключа в открытом состоянии не зависит от тока через него.
Рис. 10.9 |
Рис. 10.10 |