Лекции 11-12 - Конспекты, страница 6

Собственную частоту fр РК можно найти по формуле Томпсона:38Электропитание РЭАГлава 7.2fр 1.2 C р L р(7.155)где Ср и Lр – ёмкость и индуктивность контура соответственно.Структура типового ПН с РК приведена на рисунке 7.68.Рисунок 7.68 – Структура резонансного DC-DC преобразователяИ – инвертор; РК – резонансный контур; ИТ – импульсный трансформатор;В – выпрямитель; Ф – фильтрВ ПН с РК на вход последнего поступает симметричное прямоугольноенапряжение(или ток), формируемое силовыми ключами.Импульсноенапряжение содержит спектр нечётных гармоник, начиная с первой (основной).ЭлементыРКнастраиваютсяврезонансспервойгармоникойдляопределённого режима работы ПН. В результате РК отфильтровывает высшиегармоники напряжения (тока), причём делает это тем лучше, чем вышедобротность контура.Обычно для регулирования выходного напряжения силовой транзисторрезонансного ПН управляется импульсами постоянной длительности, но разнойчастоты (ЧИМ-регулирование).

Длительность импульсов должна равнятьсяполовине периода резонансной частоты. При выполнении этого условияпереключение транзистора происходит при пересечении нулевого уровня еготоком или напряжением.Надо отметить, что использование РК в устройствах силовой электроникиначалось ещё до эры широкого применения полупроводников. Например, впервых телевизорах необходимые высокие напряжения для кинескопа получали39Электропитание РЭАГлава 7.2с помощью так называемого "радиочастотного" ИЭП. Это был работающий начастоте от 150 до 300 кГц генератор синусоидальных колебаний наэлектроннойлампе,вкоторомповышениепеременногонапряжениядостигалось в резонансном радиочастотном трансформаторе.

По существуподобные схемы всё ещё используют для создания напряжений, по крайнеймере, несколько сотен тысяч вольт для различных промышленных и научноисследовательских целей. Более высокие напряжения часто достигаютсяблагодаря совместному применению резонансного режима работы и диодногоумножителя напряжения.Вместе с тем не все РК находят применение в ПН с резонанснымрежимом работы: возможность использования того или иного РК определяетсякомбинацией реактивных элементов, его составляющих.

В общем случае все РКдля ПН должны обладать следующими особенностями:- РК должен иметь передаточную характеристику такую же, как унизкочастотного или полосового фильтра, чтобы изолировать вход и выход начастоте преобразования ПН;- форма отклика РК (напряжения или тока) должна быть синусоидальнойили приближенной к ней.7.9.2 Классификация резонансных схем преобразованияПН с РК делят на четыре класса: резонансные, квазирезонансные, классаЕ и с резонансным ("мягким") переключением (в иностранной научнотехнической литературе деление на классы несколько иное – далеерассматривается только классификация, принятая в отечественной научнотехнической литературе).ПН называют резонансным, если РК, обеспечивающий коммутациюключей при нулевом токе (zero current switching – ZCS) или напряжении (zerovoltage switching – ZVS), обладает резонансной частотой, равной частотепреобразования.40Электропитание РЭАГлава 7.2Коммутация ключей при нулевом токе или напряжении была впервыепредложена 1959 г.

при разработке усилителей класса D. Особенностью этихрежимов работы ключа является то, что ключ переходит в открытое состояниепри нулевом напряжении на нём, а в закрытое – при нулевом токе. Этопозволяет значительно снизить потери мощности на переключение.Рассмотрим более подробно режим переключения регулирующеготранзистора при нулевом напряжении, проиллюстрированный на рисунке 7.69а.а)б)Рисунок 7.69 – Переключение транзистора при нуле напряжения (а) и тока (б)Вначале, до поступления импульса с выхода ШИМ-контроллера,разряжается ёмкость перехода сток-исток транзистора. Затем ШИМ-контроллерформирует импульс, разрешающий протекание тока через транзистор.

КогдаШИМ-контроллер перестаёт формировать импульс, напряжение перехода сток41Электропитание РЭАГлава 7.2исток начинает расти, однако ток всё ещё продолжает течь через транзистор.Очевидно, что при включении транзистора потери в нём практическиравны нулю, потому что напряжение на нём тоже равно нулю. В то же времяпри выключении из-за ненулевых тока и напряжения потери коммутации будутиметьместо.Обычноданныйрежимпереключенияиспользуютввысоковольтных и высокомощных приложениях.Рассмотрим более подробно режим переключения регулирующеготранзистора при нулевом токе, проиллюстрированный на рисунке 7.69б.Вначале ШИМ-контроллер формирует импульс и начинает расти токчерез транзистор, в то время как напряжение сток-исток падает.

Как только токчерез транзистор становится равным нулю, он выключается. В этот моментвремени напряжение на транзисторе начинает расти. Это и есть точка, вкоторой происходит переключение при нулевом токе.Очевидно, что при выключении транзистора потери равны нулю, так какток и напряжение равны нулю. В то же время при включении имеют местокоммутационные потери из-за наличия и тока, и напряжения. Отметим, однако,что режим переключения при нулевом токе может быть реализован как привключении, так и выключении транзистора.Отметим, что рассмотренные режимы переключения транзистора могутбыть реализованы лишь при определённых фазовых соотношениях процессов вРК.

Поэтому наиболее часто в стабилизирующих резонансных ПН используютЧИМ-регулирование с постоянной длительностью управляющего импульса илипаузы, а не ШИМ-регулирование.Резонансные ПН, в свою очередь, делят на преобразователи споследовательным РК и нагрузкой, включенной последовательно с элементамиРК; преобразователи с последовательным РК и нагрузкой, включеннойпараллельно элементам РК; преобразователи с параллельным РК.ОднакорезонансныеПНнадёжно42работаюттольковрежимеЭлектропитание РЭАавтогенератора,неГлава 7.2допускаютвозможностирегулированиявыходногонапряжения и значительного отклонения сопротивления нагрузки от расчётногозначения.ПН называют квазирезонансным (Quasi-Resonant, QR-converter), еслирезонансная частота РК не соответствует частоте преобразования.

После того,как через РК квазирезонансного ПН пропустят ток или приложат к немунапряжение, в нём возникнет резонанс на собственной частоте. Её обычновыбирают более высокой, чем частота преобразования, поскольку при этомсиловые компоненты функционируют на повышенных частотах и их можновыбрать с небольшими габаритами и номиналами. Благодаря этому можнорегулировать выходное напряжение изменением частоты преобразования иреализовывать стабилизацию этого напряжения.В отличие от квазирезонансных ПН в ПН класса Е неизменная часть РКнаходится под воздействием переменного тока, замыкающегося на нагрузку.Номинальная мощность полупроводниковых приборов и реактивная мощностьэлементов РК в них больше, чем в резонансных ПН.ПН, в которых РК работает только во время переключения силовыхключей, называют ПН с резонансным ("мягким") переключением. Коммутациясиловых ключей в них происходит при нуле напряжения. Такие ПН позволяютсочетать низкие потери при переключении, характерные для резонансных иквазирезонансных ПН, с экономичностью процесса передачи мощности всхемах с ШИМ, так как в данном случае колебания напряжения и тока во времяпередачи мощности в нагрузку имеют прямоугольную форму.В отличие от резонансных и квазирезонансных ПН с резонанснымпереключением не требуют применения силовых полупроводниковых приборовс предельными импульсными напряжениями и токами, в два-три разапревышающими аналогичные параметры в обычных схемах с ШИМ.Поскольку время действия РК ограничено временем фронтов тока и43Электропитание РЭАГлава 7.2напряжения, реактивная мощность их элементов невелика.

Как правило, рольРКвнихиграютиндуктивностьрассеянияилинамагничиваниятрансформатора и выходная ёмкость транзистора. Действие РК в этихпреобразователях очень схоже с действием формирующих цепей. Но мощностькоммутационных потерь не рассеивается, а рекуперируется в ИЭП.Таким образом, в схемах ПН с резонансным переключением очень удачноиспользуются паразитные параметры элементов путём введения специальногоалгоритма управления, что значительно снижает потери при переключенииполупроводниковых приборов.В общем случае схемы резонансных ПН могут иметь гальваническуюразвязку (трансформаторные) либо не иметь (дроссельные).По числу реактивных элементов, составляющих РК, все ПН делят на РК сдвумя, тремя и более элементами. Соответствующие варианты РК приведенына рисунках 7.70-7-72.Кроме того, ПН с резонансным режимом работы классифицируют поспособу включения РК.

Так, выделяют ПН с последовательным РК,параллельным и последовательно-параллельным (рисунок 7.73).Последовательный РК составляют индуктивность Lр и ёмкость Ср. ТакойРК называют последовательным, потому что его элементы соединеныпоследовательно с нагрузкой (рисунок 7.73а). В этом случае РК и нагрузкапредставляют собой по сути делитель напряжения и поэтому усиление РКменьше или равно единице.а)б)в)Рисунок 7.70 – Варианты РК с двумя элементами44г)Электропитание РЭАГлава 7.2а)б)г)в)д)ж)е)з)и)Рисунок 7.71 – Варианты РК с тремя элементамиа)б)г)в)д)ж)е)з)Рисунок 7.72 – Варианты РК с четырьмя элементами45Электропитание РЭАГлава 7.2В случае параллельного РК его ёмкость Cр соединена параллельнонагрузке (рисунок 7.73б). В отличие от ПН с последовательным РКрассматриваемый ПН может работать в отсутствии нагрузки.

Одним изнедостатков параллельного резонансного ПН является то, что он будет работатьс высокими токами, даже при отсутствии нагрузок.а)б)в)Рисунок 7.73 – Резонансные преобразователи с последовательным (а),параллельным (б) и последовательно-параллельным (в) РКПоследовательно-параллельный РК (LLC-преобразователь) представляетсобой соединение последовательного и параллельного РК (рисунок 7.73в).Основные преимущества LLC-преобразователей:- они могут работать в резонансном режиме при номинальном входномнапряжении;- они могут работать при отсутствии нагрузки;- они имеют ме́ ньший сквозной ток по сравнению с параллельным РК.46Электропитание РЭАГлава 7.2В реальном РК всегда присутствуют потери, поэтому возникающиесвободные колебания будут затухающими.

Часть запасённой в контуре энергиирасходуется на нагрев изоляции и металла проводов и обкладок, а также наизлучение в окружающее пространство.Во время резонанса последовательного РК затраты энергии станутминимальны, а амплитуда тока через компоненты будет максимальна.Амплитуда тока зависит от добротности реактивных компонентов: чем вышедобротность, тем больше сила тока. При равенстве частоты преобразования исобственной частоты контура на катушке индуктивности и на конденсаторевозрастает напряжение, то есть наблюдается резонанс напряжений.При резонансе в параллельном РК токи через конденсатор и катушкуиндуктивности минимальны, а потребляемая контуром энергия минимальна.При равенстве собственной частоты контура и частоты преобразования токчерез компоненты контура будет максимальным, то есть наблюдается резонанстоков.В ПН с гальванической развязкой РК размещают обычно либопоследовательно с первичной обмоткой трансформатора, либо между еговторичной обмоткой и выпрямителем.