Лекции 9-10 - Конспекты (1095378), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 8)

За счёт этого увеличиваетсявеличина минимального достижимого напряжения.В то же время выражение (7.45) указывает на снижение максимальнодостижимого напряжения, а наихудший случай возникает при минимальномвходном напряжении и максимальном токе нагрузки. Максимально возможноевыходное напряжение определяется какU вых _ макс  Dмакс U вх _ мин  I Н _ макс  Rси1  Rси 2    I Н _ макс  Rси 2  RL  .

(7.46)Последнее выражение позволяет сделать вывод, что понижающийнесинхронный ПН при одинаковых условиях позволяет получить ме́ ньшееминимальное и бо́ льшее максимальное значение выходного напряжения, чемсинхронный ПН.7.4.2 Повышающий преобразователь (boost)Повышающие ПН (в зарубежной терминологии boost converter, step-upconverter) используют вместе с нагрузками, напряжение электропитаниякоторых больше, чем входное напряжение ПН.

В ряде отечественныхпубликаций такие ПН называют также импульсными регуляторами напряжениявторого рода (ИРН-2). Схема повышающего ПН, а также временны́ е диаграммыего работы в режиме непрерывных токов дросселя приведены на рисунке 7.29.Регулирующий транзистор VT открыт в течение времени tвкл  DT . Вдросселе L накапливается энергия, а конденсатор C разряжается на нагрузку RН.При запирании транзистора VT в дросселе L наводится ЭДС самоиндукции.

Поддействием этого напряжения открывается диод VD – и конденсатор Cзаряжается. Изменяя скважность сигналов, открывающих регулирующийтранзистор VT, можно изменять значение накапливаемой в дросселе L энергиии, следовательно, выходное напряжение Uвых ПН.Следует отметить, что выходной ток ПН и ток, протекающий черезрегулирующий транзистор, не одинаковые, и максимальный ток нагрузки будетвсегда меньше тока, проходящего через транзистор.52Электропитание РЭАГлава 7.1а)б)Рисунок 7.29 – Схема повышающего преобразователя (а) и временны́ едиаграммы его работы в режиме непрерывных токов дросселя (б)Определим регулировочную характеристику схемы.

Для интервалаоткрытого транзистора tвкл можно записатьu L  U вх ,(7.47)u L  U вх  U вых .(7.48)а для интервала закрытого tвыкл –TТак как  u L dt  0 , то можно записать:053Электропитание РЭАГлава 7.1U вх D  U вх  U вых  1  D   0 .(7.49)Таким образом, напряжение Uвых на выходе ПН определяется какU вых U вх.1 D(7.50)Определим средний ток через дроссель L.

Воспользуемся балансоммощностей на входе и выходе ПН:U вх I вх  U вых I Н ,I вх  I L (7.51)U выхIIН  Н .U вх1 D(7.52)Последнее соотношение показывает, что средний ток через дроссель, также как и средний ток через транзистор и диод, неограниченно возрастает приD  1. Этот факт свидетельствует о чрезмерной нагрузке элементов при D  1,поэтому повышающий ПН в таких режимах не используют.Для определения пульсации тока ΔiL через дроссель выразим напряжениена дросселе во время импульса:uL  U вх  LiL.tвкл(7.53)Приращение тока получим какiL U вхU D U D 1  D tвкл  вх  вых.LLfLf(7.54)За время импульса происходит разряд конденсатора током нагрузки IН.При конечном значении ёмкости C за время импульса напряжение наконденсаторе уменьшится на ΔUC.

Это изменение напряжения связано с токомнагрузки:1U C CU C tвкл10 ic dt   CI Н tвкл I Н D.CfC54tвклIНdt ,(7.55)0(7.56)Электропитание РЭАГлава 7.1Для работы в режиме непрерывных токов необходимо выполнениенеравенства:I L _ мин U D 1  D IН вых0 .1 D2 Lf(7.57)Отсюда можно определить граничное значение индуктивности, прикотором происходит переход от режима непрерывных токов к режимупрерывистых:2Lгр  RН _ максD 1  D .2f(7.58)В режиме прерывистых токов дросселя повышающий ПН работает (как ипонижающий) в трёхинтервальном режиме за период: импульс, пауза и отсечка.При отсечке и транзистор, и диод находятся в запертом состоянии, анапряжение на нагрузке поддерживается разрядом конденсатора. На рисунке7.30 приведены диаграммы тока через дроссель, напряжения на транзисторе идиоде в режиме прерывистых токов, справедливые в общем случае как дляпонижающего, так и повышающего ПН.Рисунок 7.30 – Диаграммы тока через дроссель, напряжений натранзисторе и диоде для преобразователей в режиме прерывистых токов55Электропитание РЭАГлава 7.1Характерным для режима прерывистых токов является интервал отсечкиtx, когда ток дросселя равен нулю.

И если в режиме непрерывных токовотношениевыходногонапряженияквходномуопределялосьтолькокоэффициентом заполнения D, то в режиме прерывистых токов это отношениезависит ещё и от tx, которое есть функция не только от D:U вых txU вх .t x  DT(7.59)Поскольку среднее напряжение за период на дросселе равно нулю, можнозаписать:u L _ вклВ режиме прерывистых токовtвклt u L _ выкл выкл  0 .TT(7.60)tвыкл 1  D , как это было для режимаTнепрерывных токов. Время паузы можно выразить через амплитуду токадросселя IL:tвыкл   LI L _ максu L _ выкл.(7.61)Ток IL_макс определяется из интервала импульса при известном значенииtвкл:I L _ макс u L _ вклtвклL.(7.62)tвкл .(7.63)Отсюда можно записать:tвыкл  u L _ вклu L _ выклВ последнем выражении напряжения на дросселе являются функцияминапряжения Uвх, Uвых или обоих сразу в зависимости от схемы ПН.

В режимепрерывистых токов определение регулировочной характеристики возможнодвумя путями, каждый из которых связан с нахождением максимального тока в56Электропитание РЭАГлава 7.1дросселе IL_макс: непосредственное использование выражения для напряженияна нагрузке и использование баланса мощностей на входе и выходе.Рассмотримвторой способ. Входной токIвх можно определитьследующим образом (для повышающего ПН):I вх  I L .(7.64)В свою очередь ток через дроссель определяется какIL I L _ макс tвыкл D.2 T (7.65)I вх I L _ макс tвыкл D.2 T (7.66)Таким образом,Используя максимальное значение для тока через дроссель, можнопереписать:I вх u L _ вклtвкл2LuD 1  L _ вкл  . u L _ выкл (7.67)Напряжения на дросселе составят для рассматриваемой схемы:uL _ вкл  U вх ; uL _ выкл  U вх  U вых .(7.68)Тогда окончательно можно записать выражение для входного тока: U вх D 2 U выхU вхtвкл U вхI вх D 1 .2L U вх  U вых  2 Lf U вых  U вх(7.69)Подставив значение тока Iвх в уравнение баланса мощностей, получимискомое уравнение относительно Uвых:2U вых1 U вх2 D 2 RН U выхU вх  0 .2Lf(7.70)Важнейшей особенностью повышающего ПН является то, что онпотребляет от источника входного напряжения Uвх не импульсный ток, какпонижающий ПН, а непрерывный.57Электропитание РЭАГлава 7.1Часто используют модифицированную схему повышающего ПН: в нёмдиод заменён на силовой транзистор, за счёт чего повышается КПД ПН.7.4.3 Понижающе-повышающий преобразователь (buck-boost)Понижающе-повышающие ПН (в зарубежной терминологии buck-boostconverter) позволяют стабилизировать выходное напряжение на уровне каквыше, так и ниже входного.

Они находят широкое применение во многихсовременных приложениях.В настоящее время различают два типа понижающе-повышающих ПН:инвертирующие (inverting buck-boost) и неинвертирующие (non-inverting buckboost). В ряде отечественных публикаций такие ПН называют такжеимпульсными регуляторами напряжения третьего рода (ИРН-3).ВсхемеинвертирующегоПНвыходноенапряжениеявляетсяотрицательным по отношению к потенциалу земли.

Поэтому инвертирующиеПН применяют для электропитания нагрузок фиксированным напряжением,полярность которого противоположна полярности входного напряжения.Гальваническая развязка между входом и выходом отсутствует.Типоваясхемаинвертирующегопонижающе-повышающегоПНприведена на рисунке 7.31а. Временны́ е диаграммы работы ПН в режименепрерывных токов дросселя приведены на рисунке 7.31б.При открытом транзисторе VT в течение времени DT напряжение надросселе L становится равным Uвх, что ведёт к линейному росту тока черезкатушку со скоростью, пропорциональной Uвх, иными словами, в нейзапасается энергия. При этом конденсатор С разряжается на нагрузку RН.

Призакрытом транзисторе VT в дросселе L индуцируется ЭДС обратного знака.Конденсатор заряжается от дросселя L через открытый диод VD, то естьдроссель отдаёт запасённую ранее в нём энергию.Определим регулировочную характеристику схемы. Для интервалаоткрытого транзистора tвкл можно записать58Электропитание РЭАГлава 7.1u L  U вх ,(7.71)u L  U вых .(7.72)а для интервала закрытого tвыкл –а)б)Рисунок 7.31 – Схема инвертирующего преобразователя (а) и временны́ едиаграммы его работы в режиме непрерывных токов дросселя (б)TТак как  u L dt  0 , то можно записать:0U вх D  U вых 1  D   0 .(7.73)Таким образом, напряжение Uвых на выходе ПН определяется какU вых  U вх59D.1 D(7.74)Электропитание РЭАГлава 7.1Из уравнения (7.74) видно, что величина выходного напряжения можетбыть либо выше (при D  0,5 ), либо ниже (при D  0,5 ) входного напряжения.Однако выходное напряжение всегда имеет противоположную полярностьотносительно входного напряжения.ИнвертирующиеПНпроектируютдляработыкакврежимепрерывистого, так и непрерывного тока дросселя.Согласно вольт-секундному балансу запишем для режима прерывистоготока дросселя:txDTUвхdt    U вых  dt  0 .(7.75)DT0Тогда решение уравнения (7.75) относительно выходного напряженияUвых будет иметь вид:U вых  U вхDT.t x  DT(7.76)В соответствии с принципом сохранения энергии можно записать:tx2U выхU вых  iL  t  dt T.RНDT(7.77)Тогда время отсечки можно определить из уравнения (7.77) какt х  DT 2 LT.RН(7.78)Определим средний ток через дроссель IL, совпадающий со среднимтоком регулирующего транзистора во время импульса и со средним токомдиода во время паузы.

Характеристики

Список файлов лекций