Лекции 11-12 - Конспекты, страница 10

Таким образом, стабилизациюпостоянного выходного напряжения можно реализовать с помощью ЧИМ.Слишком высокая добротность РК будет препятствовать выделению мощности,а очень низкая вызовет чрезмерно большие пиковые значения тока в МОПтранзисторе.На сегодняшний день основным недостатком квазирезонансных ПН посравнению с классическими ПН с ШИМ остаётся непостоянство частотыпреобразования при регулировании выходного напряжения. Это происходит изза необходимости использования ЧИМ, так как длительность импульса вквазирезонансных ПН жёстко привязана к параметрам РК, которые нелегкоизменять оперативно. Однако этот недостаток может быть преодолён за счётприменения ШИМ.Рассмотрим подробнее такой ПН.

Временны́ е диаграммы работы ПН сактивно-индуктивной нагрузкой приведены на рисунке 7.84.Рисунок 7.84 – Временны́ е диаграммы работы квазирезонансного ПН с ЧИМНа рисунке 7.84 показан n-ый и начало (n+1)-го периода установившейсяработы квазирезонансного ПН. Для упрощения отдельно не отмечен интервал69Электропитание РЭАГлава 7.2времени в начале периода переключения, на котором ток ключа iVT ещё недостиг уровня тока нагрузки iН. На этом интервале продолжает проводить токдиод VD, а напряжение на нагрузке Uвых остаётся равным нулю.

Ток ключаимеет колебательную форму, так как является суммой токов нагрузки и РК. Изусловия работы ПН параметры РК выбираются таким образом, чтобыпадающая полуволна тока обязательно достигла нуля (иначе будет нарушенрежим переключения силового ключа при нулевом токе). Это условиеудовлетворяется,есливолновоесопротивлениеРКбудетменьшесопротивления нагрузки:LрCр RН .(7.171)Длительность импульса тока ключа t1  t0 постоянна и определяетсяпараметрами резонансного РК:t1  t0  2 L рC р .(7.172)В приведённых выражениях не учитывается влияние паразитныхпараметров реальных элементов схемы.

Выражения используются для расчётаиндуктивности и ёмкости РК.Регулирование выходного напряжения классического квазирезонансногоПН осуществляется путём ЧИМ (изменяется интервал времени t0  t3 , чтосоответствует периоду работы Т). Перевод работы квазирезонансного ПН изрежима ЧИМ в ШИМ возможен при условии нахождения приемлемых путейоперативного изменения длительности импульса тока t1  t0 или длительностиимпульса выходного напряжения t2  t0 . Регулирование первого интервала, каквидно из выражения (7.172), возможно путём изменения индуктивности илиёмкости РК.

Второй интервал состоит из двух подынтервалов: t1  t0 и t2  t1 . НапромежуткеИзменитьt2  t1 происходит разряд конденсатора РК через нагрузку.егодлительностьможно70путёмизменениярезонансногоЭлектропитание РЭАГлава 7.2конденсатора или параметров нагрузки.Проанализируемподробнеевозможныевариантырегулирования.Механическое изменение параметров РК (конденсаторы переменной ёмкости,вариометры, электромеханические реле и т. д.) не применимо по причиненизкого быстродействия.Рассмотрим электрические способы оперативного изменения частоты РК.Нежелательно применение методов, основанных на внесении потерь в РК, таккак это уменьшает КПД ПН.

Идеальным решением поставленной задачи былбыэлементсизменяющейсяподдействиемэлектрическогосигналаиндуктивностью или ёмкостью. Необходимо учитывать, что в РК циркулируетреактивная мощность, сравнимая с мощностью нагрузки, поэтому элементы РКдолжны надёжно работать при высоких мощностях.Индуктивность классической катушки подстраивается изменением еегеометрических размеров или магнитных свойств сердечника. Электрическимметодам доступно лишь изменение магнитных свойств сердечника путемвведения постоянного подмагничивания. Недостаток такого метода – снижениеКПД ПН, к тому же в квазирезонансных ПН в основном используются катушкибез сердечников и даже паразитные индуктивности монтажа и элементовсхемы.Предпочтительнее изменять частоту РК при помощи ёмкости, а неиндуктивности.

Для увеличения длительности импульса тока ключа (например,чтобы скомпенсировать возросшую нагрузку ПН), ёмкость необходимоувеличивать, что приведёт, исходя из выражения (7.171), к уменьшениюволнового сопротивления РК. Следовательно, ПН сможет отработать бо́ льшийдиапазон изменения нагрузки без выхода из режима переключения при нулевомтоке.Элементы, изменяющие свою ёмкость под действием напряжения,известны – это варикапы.

Однако они работоспособны при условии, что71Электропитание РЭАГлава 7.2постоянная составляющая на них значительно больше переменной, так как вних отсутствует отдельный управляющий вывод. Также варикапы нерассчитаны на большую реактивную мощность. В связи с этим прямоеиспользование варикапов в РК для управления его частотой не представляетсявозможным.Актуальной становится задача разработки варикапов, способных работатьпри больших реактивных мощностях и имеющих независимый вход управленияёмкостью. Решение этой задачи позволит построить квазирезонансный ПН сШИМ.Возможно использование комбинированных схем преобразователей.Например, ПН, работающий с ЧИМ, но имеющий несколько фиксированныхчастот РК.

Частоты переключаются с помощью транзисторных ключей путёмкоммутированиядополнительныхёмкостей.Переключатьпоследниенеобходимо на интервале работы ПН с отсутствием напряжения нарезонансном конденсаторе (интервал t2  t3 ). Это позволит осуществитьбыструю коммутацию с низкими потерями.Следует отметить ещё один способ регулирования выходного напряженияквазирезонансным ПН – фазоимпульсное управление (ФИУ).

Его можнореализовать в мостовых квазирезонансных ПН как с непосредственнымвключением нагрузки в диагональ моста, так и с включением последней черезтрансформатор.В традиционных полномостовых топологиях ПН с ШИМ ключи напротивоположных углах переключаются одновременно. Это полностьюосвобождает первичную обмотку от любого заземления переменного тока снизким импедансом, что приводит к большим всплескам напряжения,обусловленным индуктивностью утечки первичной обмотки и индуктивностьюостаточного намагничивания.При изменении стратегии управления ключом таким образом, чтобы72Электропитание РЭАГлава 7.2только один угловой ключ вначале размыкался, противоположный конецпервичной обмотки остаётся соединённым с цепью заземления переменноготока.

Это позволяет отрегулировать ненагруженный конец первичной обмоткис помощью резонансной ёмкости и обеспечить контролируемое соотношениеdu / dt . Значение индуктивности рассеивания и выходной ёмкости мощногополевого транзистора вносятся в цепь резонанса.Преимущества этого способа управления проявляются на большихмощностях, когда трудно, а, чаще всего, невозможно реализовать ШИМ из-заотсутствия регулировочных элементов с необходимыми параметрами.

ПриФИУ в квазирезонансном мосту одновременно работают оба плеча спостоянной частотой и длительностью импульсов. Выходное напряжениеизменяется благодаря фазовому сдвигу между импульсами обоих плеч.7.10 Синхронное выпрямление напряженияПостоянноеэнергосбережениюужесточениетребованийпреобразователейкудельнойэлектрическоймощностиэнергииитребуетувеличения энергетической эффективности всех ступеней преобразования.Основным видом потерь во вторичных цепях (то есть на стороневторичной обмотки трансформатора) ПН с гальванической развязкой являютсяпотери проводимости выпрямительных диодов, которые можно уменьшить,используя синхронное выпрямление (рисунок 7.85).

Иными словами, заменитьдиоды на МОП-транзисторы.Кпримеру,диодныйвыпрямительпрямоугольногонапряжения,выполненный на идеальных диодах, не может иметь КПД выше 94,6%, еслинапряжение на нагрузке равно 5 В. Такой же выпрямитель на реальных диодахс падением напряжения 0,8 В не позволяет получить КПД выше 86,2%.

ДиодыШоттки с падением напряжения 0,5 В позволяют получить КПД 90,9%. В то жевремя применение синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах с падениемнапряжения 0,1...0,2 В повышает КПД до 96,2% и более.73Электропитание РЭАГлава 7.2Рисунок 7.85 – Переход от диодного к синхронному выпрямлениюОсновныетребованиякМОП-транзисторамдляприменениявсинхронных выпрямителях:- прибор должен быть полностью закрыт при нулевом потенциале затвораили при подаче на затвор запирающего потенциала;- сток и исток прибора должны быть взаимозаменяемыми, т.е.

прибордолжен отпираться в обратном направлении так же хорошо, как и в прямом.ЗаменаввыпрямителедиоданаМОП-транзисторсмалымсопротивлением во включенном состоянии требует соответствующего сигналауправления затвором. Ключевым пунктом в проектировании контроллерауправления затвором является временно́ е положение управляющих сигналов.Управление синхронным выпрямителем имеет следующие особенности:- выпрямитель на МОП-транзисторах в целом не должен проводить ток влюбой заметный период времени, в особенности перед подачей обратногонапряжения, чтобы избежать передачи обратного восстановления;- управление затвором осуществляется в период времени, когда вовторичной обмотке трансформатора отсутствует напряжение размагничиваниясердечника;- управление затвором переключает ток от одного МОП-транзистора кдругому за минимальное время.Для правильного выборатранзисторов синхронного выпрямителя74Электропитание РЭАГлава 7.2необходимо чёткое понимание механизма возникновения потерь.