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

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

Текст из файла (страница 9)

Воспользуемся балансом мощностей на входе и выходеПН:U вх I вх  U вых I Н ,I вх  I НU выхD IН.U вх1 DПри этом средний ток через регулирующий транзистор составит:60(7.79)(7.80)Электропитание РЭАГлава 7.1IVT  I L I вхI Н .D 1 D(7.81)Таким образом, работа такого ПН при D  1 затруднительна.Приращение тока через дроссель определяется какiL U вхU D U 1  D tвкл  вх  вых,LLfLf(7.82)а переменная составляющая выходного напряжения –U вых ~ IН D.fC(7.83)Работа в режиме непрерывных токов происходит при выполнениинеравенства:I L _ мин U 1  D IН вых 0.1 D2 Lf(7.84)Граничное значение индуктивности, при которой режим непрерывныхтоков переходит в режим прерывистых, определяется как22RU 1  D 1  D Lгр  вых Н _ макс.2 fI Н _ мин2f(7.85)Отметим, что схема инвертирующего понижающе-повышающего ПНзаметно уступает как понижающему, так и повышающему ПН, требуя ключей идиодов с бо́ льшими допустимыми напряжениями и токами, установкидросселей и конденсаторов бо́ льших размеров, более дорогих, чем этонеобходимо в других ПН.Вместе с тем ни одна из классических схем ПН, рассмотренных выше, необладаетглавнойотличительнойчертойидеальноготрансформаторапостоянного напряжения, а именно – не обеспечивает непрерывности(постоянства) потребления энергии и передачи её в нагрузку.

Разрывностьтоков(входного,выходногоили61обоиходновременно)вызываетЭлектропитание РЭАГлава 7.1электромагнитные помехи и ухудшает качество электроэнергии, в результатечего существенно ограничена область применения импульсных ИЭП.Рассмотрим схему ПН, в котором осуществляется непрерывная передачаэнергии от первичного источника в нагрузку (рисунок 7.32а). Во всём мире этасхема ПН известна как схема С. Кука (S. Cuk).

Однако в нашей стране онаизвестна как схема А.Г. Поликарпова, который предложил её раньше С. Кука.Временные диаграммы работы ПН приведены на рисунке 7.32б.а)б)Рисунок 7.32 – Схема преобразователя Поликарпова-Кука (а) и временны́ едиаграммы её работы (б)62Электропитание РЭАГлава 7.1На интервале времени tвыкл, когда транзистор VT1 заперт, конденсатор С1заряжается входным током i1 дросселя L1 через диод VD1, а ток дросселя L2замыкается через тот же диод и нагрузку RН. На интервале tвкл, когда транзисторVТ1 открыт, конденсатор С1 разряжается на нагрузку током i2, а ток i1 дросселяL1 замыкается через транзистор и источник входного напряжения Uвх.Пренебрегая пульсациями напряжений на конденсаторах, запишем балансвольт-секундных интегралов для каждого дросселя:U вхtвкл  U вх  U С1  tвыкл ,(7.86)U вх  U С1  tвкл  U выхtвыкл ,(7.87)где UС1 – напряжение на конденсаторе С1.Отсюда t t U С 1  U вх 1  вкл   U вых 1  выкл  .tвкл  tвыкл (7.88)Следовательно,U вых  U вхtвкл,tвыклU С 1  U вх  U вых ,(7.89)(7.90)а эпюры напряжений на дросселях полностью совпадают.

Последнееобстоятельство является предпосылкой для выполнения обоих дросселей наедином магнитопроводе, как это показано на рисунке 7.33.Рисунок 7.33 – Схема преобразователя Поликарпова-Кука со сдвоеннымдросселем63Электропитание РЭАГлава 7.1Выполнение обоих дросселей на одном сердечнике выгодно для ПН иявляется его достоинством. Однако технологический и температурныйразбросы коэффициента связи между обмотками значительно снижают данныйполезный эффект и практически делают его трудно используемым на практике.Для каждой обмотки связанного дросселя можно записать:U L  L1di1diM 2,dtdt(7.91)di2diM 1,dtdt(7.92)U L  L2где UL – напряжение на обмотках:U L  U вх на интервале tвкл,U L  U вых на интервале tвыкл,w2 SL– индуктивность обмотки; μ – магнитная проницаемость материала;lw – число витков обмотки; S и l – соответственно площадь сечения и длинасредней линии сердечника;MkL1  knL 2n– взаимная индуктивностьобмоток; k – коэффициент магнитной связи обмоток; n w1w2L1L2–отношение чисел витков обмоток.Для получения нулевых пульсаций входного тока необходимо, чтобывыполнялось условиеdi1 0 .

Разделив (7.92) на (7.91), получимdtM 1 или kn  1 .L2Отсюда n (7.93)1. Пульсации выходного тока при этом остаются на прежнемkуровне:di2 U L.dt L 264(7.94)Электропитание РЭАГлава 7.1Для получения нулевых пульсаций выходного тока необходимо, чтобывыполнялось условиеdi2 0 . Разделив (7.91) на (7.92), получимdtL1n 1 или  1 .Mk(7.95)Отсюда n  k . Пульсации входного тока при этом остаются на прежнемуровне:di1 U L.dt L1(7.96)Таким образом, относительным изменением n и k можно регулироватьпульсации токов i1 и i2 вплоть до полного их устранения по входу или выходу.Причём условие получения нулевой пульсации не зависит от режима работыПН, то есть скважности, частоты переключения, напряжения входногоисточника и тока нагрузки.НеинвертирующиеПН,всвоюочередь,имеютнесколькоразновидностей, среди которых ПН с топологией SEPIC (Single Ended PrimaryInductance Converter), ПН с топологией ZETA и двухключевые ПН.На рисунке 7.34 показана схема SEPIC-преобразователя.

Выходноенапряжение такого ПН определяется какU вых U вх D.1 D(7.97)Рисунок 7.34 – Схема SEPIC-преобразователяИз уравнения (7.97) очевидна способность ПН как к повышению, так ипонижению входного напряжения и следует то, что его выходное напряжениевсегда положительно.65Электропитание РЭАГлава 7.1Отметим, что в состав SEPIC-преобразователя входят дополнительныедроссель L2 и разделительный конденсатор Сp.В SEPIC-преобразователе средний ток через дроссель L1 равен входномутоку Iвх, в то время как средний ток через катушку L2 равен выходному токуIвых.

Тогда как средний ток через единственный дроссель в инвертирующем ПНравен I вх  I вых . Разделительный конденсатор Cp имеет дело со значительнымидействующими значениями как входного, так и выходного токов, что ведёт кпоявлениюдополнительныхпотерьмощностииснижениюобщейэлементыSEPIC-эффективности ПН.Диаграммытоков,проходящихчерезвсепреобразователя, аналогичны по форме и величине токам в схеме ПоликарповаКука. Следовательно, дроссели L1 и L2 могут быть выполнены на одномсердечникеZETA-преобразователь также позволяет изменять выходное напряжение вшироких пределах и создать полярность напряжения на выходе такую же, как ина входе.

Е го схема приведена на рисунке 7.35.ZETA-преобразователь,такженазываемыеинверсионнымSEPIC-преобразователем, очень похож на сам SEPIC-преобразователь, но менеераспространён, поскольку требует применения драйвера затвора верхнегоключа, что существенно усложняет схему.Рисунок 7.35 – Схема ZETA-преобразователяКак и в предыдущих двух случаях, в данной схеме можно выполнитьдроссели L1 и L2 на одном сердечнике, поскольку на обмотках дросселейодинаковые напряжения как в интервале импульса, так и в интервале паузы.66Электропитание РЭАГлава 7.1В интервале импульса накапливается энергия в дросселях L1 и L2.Постоянное напряжение UC конденсатора равно выходному напряжению Uвых.Конденсатор С в интервале импульса разряжается и заряжается в интервалепаузы.

Напряжение на обмотках дросселей L1 и L2 в интервалах импульса ипаузы такие же, как в двух предыдущих схемах:U L1  U L 2  U вх (интервалимпульса) и U L1  U L 2  U вх (интервал паузы). Поэтому и регулировочнаяхарактеристикатаже,чтоивдвухпредыдущихсхемах.Однакорассматриваемый ПН имеет преимущество перед SEPIC-преобразователем,если требуется получить малые пульсации на нагрузке при меньшей ёмкостивыходного конденсатора.Схемы понижающе-повышающих ПН, рассмотренных выше, имеютположительное свойство, недостижимое понижающими и повышающими ПН:они дают возможность получения выходного напряжения как ме́ ньшего, так ибо́ льшего по отношению ко входному.

Кроме того, последние две схемыобеспечивают также одинаковую полярность входа и выхода относительнообщего провода – ценное и часто востребованное на практике свойство.Тем не менее эти два ПН имеют серьёзные недостатки, заключающиеся вбольших установленных мощностях электронных компонентов, что приводит кнеоправданному увеличению размеров ПН, возрастанию потерь и стоимости.Вместе с тем объединение в одном устройстве двух ПН позволяет длярядапримененийпостроитьустройства,свободныеотупомянутыхнедостатков.На рисунке 7.36 приведена схема двухключевого ПН, объединяющего всебе понижающую и повышающую топологии.Возможны два различных алгоритма работы такого ПН.При одновременном открытии и закрытии транзисторов VT1 и VT2 ПНработает либо в повышающем, либо в понижающем режиме, при этом еговыходное напряжение определяется из регулировочной характеристикиклассического понижающе-повышающего ПН, однако полярность напряжениясохраняется.67Электропитание РЭАГлава 7.1Рисунок 7.36 – Схема двухключевого неинвертирующего преобразователяНа транзистор VT1, так же как и на диод VD1 подаётся напряжение Uвх, вто время как транзистор VT2 и диод VD2 находятся под воздействиемнапряжения Uвых.

Через VT1, VD1, VT2, VD2 и L1 течёт ток I вх  I вых (если неучитывать пульсации тока на катушке индуктивности). Данный тип ПН неотличается высокой эффективностью ввиду высоких токовых нагрузок идовольно большого числа силовых компонентов. При этом в любой моментвремени проводят ток одновременно два транзистора, что отражается напотерях ПН.При другом алгоритме управления транзистор VT1 постоянно включен, атранзистор VT2 работает с ШИМ-управлением, когда U вх _ мин  U вх  U вых . Еслиже U вых  U вх  U вх. макс , то в режиме ШИМ управления работает транзистор VT1,а VT2 постоянно выключен. Таким образом, второй алгоритм управления нетолько позволяет получить ту же самую регулировочную характеристику, но исущественно снижает расчётные мощности всех элементов: как активных, так ипассивных.Ещё один вариант двухключевого ПН рассмотрим на примере схемы,приведённой на рисунке 7.37.В данной схеме, в отличие от предыдущей, используются все элементы,требующиеся для работы понижающего и повышающего ПН.

Характеристики

Список файлов лекций