Лекции 11-12 - Конспекты, страница 4

Благодаря этому частная петлягистерезиса близка к предельной петле гистерезиса и наиболее по́ лноиспользованы магнитные свойства сердечника трансформатора.Напряжение на первичной обмотке трансформатора можно найти какU1  U вх  2U нас .(7.151)Мостовые схемы применяют в ИЭП мощностью от 500 Вт до десятковкиловатт и в отдельных случаях – даже бо́ льшую. Они самые сложные из всехПН и поэтому самые дорогие.

Мостовой режим работы выбирается, только есливходной ток слишком велик, чтобы управление им осуществлялось лишь двумяключами.К достоинствам следует отнести:- высокий КПД;- возможность функционирования при очень большой мощностинагрузки;24Электропитание РЭАГлава 7.2- к закрытым силовым транзисторам приложено обратное напряжение,равное постоянному входному напряжению.Мостовые ПН можно использовать при высоком входном напряжении идопустимо включать без нагрузки, не прибегая к каким-либо ухищрениям.Подмагничивание сердечника трансформатора возникает при применениинеидентичных силовых транзисторов, различии в потреблении нагрузкой тока втечение полупериодов и от многих других причин.Для снижения последствия кратковременного подмагничиваниявсердечники трансформаторов мостового, полумостового и пушпульного ПНчастовводятнемагнитныезазоры.Этоувеличиваеттреугольнуюсоставляющую тока первичной обмотки (ток холостого хода), однако позволяетнагружать ПН на динамичную нагрузку.

Кроме этого, для уменьшенияподмагничивания последовательно с трансформатором включают неполярныйконденсатор ёмкостьюCI с.и .,3 fU C(7.152)где UС – пульсации напряжения на конденсаторе; Iс.и. – импульсный ток стокатранзистора.Для двухтактных ПН в настоящее время разработаны эффективныеэлектронные системы симметрирования перемагничивания. Их актуальностьпроявляется при больших мощностях нагрузки от нескольких киловатт,сопротивление которых изменяется в широких пределах.К недостаткам мостовых ПН относят наличие четырёх транзисторов и,если отсутствует система защиты от перегрузки, выход из строя компонентовПН при коротком замыкании нагрузки.Рассмотрим далее двухтактный преобразователь с отводом отсередины обмотки трансформатора.

Такие ПН в иностранной техническойлитературе называют "push-pull". Его схема приведена на рисунке 7.61.25Электропитание РЭАГлава 7.2Рисунок 7.61 – Двухтактный пушпульный преобразовательПусть на затвор силового транзистора VT1 подано отпирающеенапряжение, а транзистор VT2 в это время находится в режиме отсечки. Тогдапотечёт ток по цепи +Uвх, средняя точка первичной обмотки трансформатораTV1, транзистор VT1, -Uвх. На вторичной обмотке трансформатора TV1возникнет напряжение, поступающее на выпрямитель с конденсаторомсглаживающего фильтра, а с него – в нагрузку.Снимем напряжение с затвора транзистора VT1, а между затвором иистоком транзистора VT2 приложим отпирающее напряжение. Ток потечёт поцепи +Uвх, средняя точка первичной обмотки трансформатора TV1, транзисторVT2, -Uвх.

На вторичной обмотке трансформатора TV1 появится напряжение,которое после выпрямителя и ёмкостного фильтра поступит на нагрузку.Частота пульсации выпрямленного напряжения в два раза превышаетчастоту преобразования. Частная петля гистерезиса близка к предельной петле,благодаря чему рационально используют магнитные параметры сердечникатрансформатора.Величину напряжения на первичной обмотке трансформатора находяткакU1  2U вх  2U нас .(7.153)Пушпульные ПН используют обычно при низком входном напряжении и26Электропитание РЭАГлава 7.2выходной мощности примерно от десятков ватт до киловатта.К достоинствам пушпульных ПН следует отнести:- высокий КПД;- возможность функционирования при большой мощности нагрузки.Следует отметить, что пушпульный ПН допустимо включать, ненагружая выход.К недостатку пушпульных ПН следует отнести высокое напряжение назакрытых силовых транзисторах (примерно составляет удвоенное входноенапряжение плюс напряжение индуктивного выброса).

Кроме того, так какнапряжение насыщения высоковольтных транзисторов составляет 3…12 В, тоКПД сетевого пушпульного ПН ниже, чем у других двухтактных ПН.Симметрирование перемагничивания трансформаторов в данном ПНосуществить не просто. При коротком замыкании в нагрузке, если отсутствуетустройство защиты по току, компоненты ПН выйдут из строя.В заключение в таблице 7.3 приведены диапазоны мощностей исложность для каждого из рассмотренных выше типов ПН. Любой из нихможет также применяться и за пределами указанных диапазонов, но в этомслучае возрастают трудности при их проектировании.Таблица 7.3 – Сравнение основных типов преобразователейСхемаДиапазон мощностейОтносительная сложностьОбратноходовая1…100 ВтНизкаяПрямоходовая1…200 ВтСредняяДвухтактная пушпульная200…500 ВтСредняяПолумостовая200…1000 ВтВысокаяМостовая500…10000 ВтОчень высокая7.7 Многофазные преобразователи напряженияМногофазным ПН (polyphase, multiphase converter) называют систему изряда идентичных преобразовательных ячеек, каждая из которых включаетсяциклично на небольшой промежуток времени по сравнению с периодом и27Электропитание РЭАГлава 7.2отдаёт энергию в нагрузку, единую для всех ячеек.

Наложение фаз работыячеек недопустимо.Сигналы управления, поступающие на все преобразовательные ячейки,вырабатывает общий задающий генератор, а включение каждой ячейкипроисходит после выключения предыдущей. При этом величина импульсовтока, которые потребляет от сети многофазный ПН, примерно постоянна втечение периода, и нагрузка между ячейка распределена равномерно.Частота пульсации выпрямленного напряжения многофазного ПНзначительно превышает частоту пульсации однофазного ПН, благодаря чемуможно использовать малогабаритные компоненты в выходном сглаживающемфильтре.Повышенное внимание к многофазным ПН обусловлено главным образомпотребностью разработки ИЭП с малым выходным напряжением и высокимивыходными токами преимущественно для вычислительных устройств.Как известно, переход на более высокие скорости переключения впроцессорах для увеличения вычислительной мощности привёл к тому, чтотиповое напряжение электропитания ядра микропроцессора снизилось с 5 В до3,3 В, а затем уменьшилось уже до 1 В, а рост числа вентилей на кристаллепривёл к росту потребляемой мощности от ИЭП, требуя всё бо́ льших ибо́ льших токов.Ещё одна причина, по которой многофазные ПН пользуются всё бо́ льшимспросом, отчасти, связана с ограничениями на массогабаритные характеристикивыходных фильтров.

Уменьшить выходные пульсации до требуемого уровняпри более высоких токах нагрузки технически трудновыполнимо, так какноминальные значения параметров компонентов фильтра не могут бытьпроизвольно сколь угодно увеличены. Кроме того, здесь имеют место иэкономические факторы.Чтобы проиллюстрировать преимущества многофазовых ПН, достаточнопросто беглого взгляда на форму выходного напряжения однофазного buck28Электропитание РЭАГлава 7.2конвертора, приведённую на рисунке 7.62.Рисунок 7.62 – Выходное напряжение однофазного DC-DC преобразователяЕсли ток нагрузки возрастёт, то возрастёт и разрядный ток конденсатора,а ток заряда автоматически увеличится.

Это означает, что увеличится ток черезключевые транзисторы, дроссель и конденсатор. Для того чтобы удерживатьуровень пульсации выходного напряжения на приемлемом малом уровне,необходимо либо увеличить рабочую частоту ПН, либо номинальные значенияиндуктивности дросселя и ёмкости конденсатора, либо и то и другое вместе. Ночтобы сохранить высокую энергетическую эффективность ПН, и транзисторы,и катушки индуктивности, и конденсаторы должны иметь низкое собственноесопротивление, что приведёт не только к увеличению габаритов компонентов, аи к проблемам ЭМС, что, в свою очередь, устанавливает предел длямаксимальной рабочей частоты ПН.Многофазные же ПН решают эту проблему путём распределения токанагрузки между несколькими преобразовательными ячейками.

На рисунке 7.63показан принцип работы двухфазного понижающего ПН.Примечательно, что в случае D  0,5 пульсации тока дросселя становятсянулевыми.Одним из недостатков многофазных ПН является высокая стоимостькомпонентов, так как для каждой фазы необходимы два дополнительных ключаи свой дроссель. Кроме того, ИМС управления, для того чтобы генерироватьуправляющие сигналы с фазовым сдвигом для нескольких выходов, должнаиметь соответствующее этому требованию решение. Но, как упоминалось29Электропитание РЭАГлава 7.2ранее, значения индуктивности дросселей можно выбрать меньше, чтоприведёт к более компактной конструкции.

Значение ёмкости конденсаторатакже может быть уменьшено.а)б)Рисунок 7.63 – Схема двухфазного DC-DC преобразователя (а) и временныедиаграммы его работы (б)30Электропитание РЭАГлава 7.2Но преимущества на этом не заканчиваются. Учитывая, что каждыйвыход включается в своей определённой фазе, максимальная амплитудаобъединённого выходного напряжения снижается, протекание тока становитсяболее однородным и, таким образом, уровень генерируемых электромагнитныхпомех уменьшается.