Лекции 11-12 - Конспекты

ГЛАВА 7.2ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 7.2СОДЕРЖАНИЕ7.6 Трансформаторные преобразователи напряжения .................................... 37.6.1 Общие сведения............................................................................................... –7.6.2 Обратноходовые преобразователи ................................................................. 47.6.3 Прямоходовые преобразователи .................................................................. 117.6.4 Двухтактные преобразователи......................................................................

207.7 Многофазные преобразователи напряжения ............................................. 277.8 Шинные преобразователи напряжения ...................................................... 347.9 Резонансные схемы преобразования напряжения .................................... 367.9.1 Общие сведения...............................................................................................

–7.9.2 Классификация резонансных схем преобразования .................................... 407.9.3 Квазирезонансные преобразователи ............................................................ 497.9.4 Резонансные преобразователи ...................................................................... 647.9.5 Управление регулирующими элементами ................................................... 677.10 Синхронное выпрямление напряжения ................................................... 737.11 Корректоры коэффициента мощности .....................................................

817.12 Инверторные преобразователи напряжения ........................................... 907.13 Преобразователи частоты ........................................................................... 987.13.1 Общие сведения............................................................................................. –7.13.2 Преобразователи с непосредственной связью ......................................... 1027.13.3 Двухзвенные преобразователи .................................................................

1042Электропитание РЭАГлава 7.27.6 Трансформаторные преобразователи напряжения7.6.1 Общие сведенияТрансформаторныеПН,вотличиеотдроссельных,неимеютгальванической связи с питающей сетью, однако их удельная мощность ниже,чем у дроссельных.Помимо гальванического разделения входа и выхода трансформаторныеПН, в отличие от ранее рассмотренных дроссельных ПН, обеспечивают:- возможность получения выходного напряжения любой величины (каквыше, так и ниже входного);-возможностьодновременногополучениянесколькихвыходныхнапряжений.Трансформаторные ПН делят на однотактные и двухтактные. Воднотактных ПН энергия передаётся на выход только в течение одной частипериода преобразования. Если энергия передаётся при включенном силовомключе, то такой ПН называют прямоходовым (forward).

Если же энергияпередаётсяпривыключенномсиловомключе,тоПНназываютобратноходовым (flyback).Двухтактные ПН делят на двухфазные (push-pull), мостовые (full-bridge)и полумостовые (half-bridge). В двухтактных ПН используются обе частипериода преобразования. В отличие от однотактных двухтактные ПН работаютбез подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.Крометого,выделяютоднонаправленныеидвунаправленныетрансформаторные ПН.Как правило, для электрической развязки вторичной цепи от первичнойиспользуют магнитную цепь трансформатора.

В случае, когда управляющийконтроллер расположен на стороне первичной обмотки трансформатора,требуется,чтобыцепьОСповыходномунапряжениюпересекалаизоляционный барьер. Если контроллер запитывается от изолированного ИЭП,3Электропитание РЭАГлава 7.2то изоляционный барьер должна пересекать цепь управления транзисторнымключом.Едва ли не самым простым способом передачи информации о выходномнапряжении на контроллер через изоляционный барьер является применениеоптопары. Они гораздо дешевле трансформаторов. Однако недостаткомоптопар является большой разброс передаточной функции от экземпляра кэкземпляру, что вносит погрешности в расчёт контура управления.

Другойнедостаток оптопар связан с увеличенной входной ёмкостью.Для устранения указанных недостатков обычно на вторичной сторонетрансформатораустанавливаютдополнительныйусилительи источникопорного напряжения, например, на ИМС TL431.7.6.2 Обратноходовые преобразователиТиповая схема однотактного обратноходового ПН приведена на рисунке7.48.Рисунок 7.48 – Однотактный обратноходовый преобразовательОбратноходовой ПН по принципу работы аналогичен повышающемудроссельному ПН (boost-конвертору): когда ключ VT находится в открытомсостоянии (замкнут), энергия запасается в трансформаторе/индукторе, приразомкнутом ключе энергия передаётся в нагрузку.Силовой трансформатор TV выполняет функцию накопителя энергии4Электропитание РЭАГлава 7.2тока, отбираемого от источника входного напряжения Uвх.

При открытомтранзисторе VT импульс тока длительностью tвкл  DT накапливает энергию виндуктивностиL1первичнойобмоткиw1трансформатораTV.Выпрямительный диод VD при этом закрыт. Ток через транзистор нарастаетлинейно по закону, определяемому значением индуктивности L1 первичнойобмотки трансформатора, а напряжение в нагрузке Uвых на этом этапеподдерживается конденсатором Cф выходного фильтра.После того как транзистор VT выключается, полярность напряжения навторичной обмотке w2 изменяется, а ранее накопленная в L1 энергия поступаетчерез диод VD в нагрузку и заряжает конденсатор Cф.

При этом напряжение назакрытом транзисторе VT определяется выражениемU си  U вх w1U вых .w2(7.114)Обратноходовой ПН может работать как в режиме непрерывного тока втрансформаторе, так и в прерывистом режиме. Соответствующие временны́ едиаграммы приведены на рисунке 7.49. Следует отметить, что в непрерывномрежиме схема очень нестабильна и склонна к автогенерации, поэтому ПН этоготипа в основном проектируют для работы в прерывистом режиме.Регулировочную характеристику обратноходового ПН получим длярежима непрерывных токов. Для этого рассмотрим контур w2-VD-Cф.Применяя второй закон Кирхгофа, получимU w2  UVD _ T  U Cф  0 .(7.115)Поскольку U w2  0 , а U Cф  U вых , то получимUVD _ T  U вых .(7.116)Знак минус в полученном выражении соответствует запертому состояниюдиода.

Среднее за период напряжение на диоде связано с его минимальнымзначением на интервале паузы как5Электропитание РЭАГлава 7.2UVD _ T  UVD D .(7.117)В свою очередь, напряжение UVD определяется на интервале импульса какUVD  U w2  U вых  nU вх  U вых ,где n (7.118)w2.w1Подставив UVD из выражения (7.118) и используя соотношение (7.117),окончательно получимU вых DnU вх .1 D(7.119)Однотактные обратноходовые ПН используют преимущественно привыходной мощности от единиц до сотен ватт.а)б)Рисунок 7.49 – Диаграммы напряжений и токов в непрерывном (а) ипрерывистом режимах (б)Достоинствами обратноходовых ПН являются:- наличие одного регулирующего транзистора;- отсутствие разрушения компонентов ПН при перегрузке по току.6Электропитание РЭАГлава 7.2К недостаткам следует отнести:- подмагничивание сердечника трансформатора;- бо́ льшие габариты магнитопровода трансформатора по сравнению соднотактным прямоходовым ПН.Отметим, что при работе обратноходовых ПН на регулирующемтранзисторе возникают перенапряжения, обусловленные как коммутационнымипроцессами, так и процессами, связанными с перемагничиванием сердечникатрансформатора.

Эти перенапряжения могут привести к выходу из строяполупроводниковых приборов, а также увеличивают уровень помех на входеПН.По этой причине фундаментальную роль в рассматриваемой топологииПН играют высоковольтные МОП-транзисторы, используемые как ключи.Типоваяформанапряжениянарегулирующемтранзисторесетевогообратноходового ПН при его выключении приведена на рисунке 7.50.Рисунок 7.50 – Форма напряжения на транзисторе при его выключенииКак легко увидеть из рисунка 7.50, при допустимом рабочем напряженииот питающей сети 230 В переменного тока на стоке транзистора мы имеем не7Электропитание РЭАГлава 7.2максимальное напряжение 374 В, полученное в результате выпрямления, идаже не 504 В, которое является суммой входного и выходного напряжений, авсе 650 В (и даже более), что связано с особенностями функционирования ПН.Именно поэтому для обеспечения надёжности и создания приемлемоготехнологического запаса по напряжению сток-исток необходимо выбиратьтранзисторы с рабочим напряжением до 700-800 В (например, семействаCoolMOS P7).ОсновнымобратноходовомспособомПНограниченияявляетсянапряженияприменениенатранзисторедемпфирующейвRCD-цепи,позволяющей ограничить коммутационный выброс напряжения.

Основныесхемы широко применяемых демпфирующих цепей приведены на рисунке 7.51.Рисунок 7.51 – Демпфирующие RCD-цепиОбратноходовыеПНблагодарясвоейпростотенашлиширокоеприменение в AC/DC и DC/DC преобразователях телекоммуникационногооборудования и компьютерной техники. Однако они имеют не очень высокиепоказатели удельной мощности.Для примера рассчитаем сетевой обратноходовой ПН с широкимдиапазоном изменения входного напряжения. Исходными данными для расчётаявляются:- входное напряжение Uвх_rms: 85…264 В / 50…400 Гц;- выходное напряжение Uвых: 5 В;- выходной ток IН: 1…10 А;8Электропитание РЭАГлава 7.2- пульсации выходного напряжения ΔUвых~: <1%.1. Находим максимальную и минимальную выходные мощности ПН:Pвых _ макс  U вых I н _ макс  5  10  50 Вт(7.120)Pвых _ мин  U вых I н _ мин  5  1  5 Вт .(7.121)и2.