Лекции 11-12 - Конспекты (1095380), страница 8

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

Текст из файла (страница 8)

Резонансный дроссель Lр со стороны ключа VT(напряжение на резонансном конденсаторе Cр) "звонит" с полусинусоидальнойформой волны. Затем напряжение на конденсаторе "звонит обратно" поверхвходного напряжения, и через встречно-параллельный диод ключа VTпротекает ток. Опять-таки в продолжение периода "обратного звона" ключ VTможет снова замкнуться, после чего коммутирующий диод VD переходит всостояние проводимости, и ключ отводит импеданс резонансного дросселя Lрна "землю".

Таким образом, наклон волны тока оказывается равным U вх / Lр .Когда сила этого тока превышает силу тока нагрузки, проводимогокоммутирующим диодом VD, этот диод запирается. Затем резонансныйдроссель Lр может войти в состояние насыщения, и наклон пилообразногосигнала тока опять принимает наклонU вх  U вых  / Lф .На этом рабочиеинтервалы квазирезонансного ПН заканчиваются.Способ управления квазирезонансным ПН с переключением при нуленапряжения обратен способу управления ПН с переключением при нуле тока.При малых нагрузках частота управления высока, при больших – количествовыключений уменьшается.

Таким образом, соотношение для управления ПНбудет иметь вид:U вых f р .U вхf054(7.157)Электропитание РЭАГлава 7.2В этом случае также важным оказывается определение верхней и нижнейграниц рабочей частоты ПН.Итак, потери при выключении транзистора в квазирезонансном ПН спереключением при нуле тока всегда равны нулю. Так как включениетранзистора происходит при отсутствии электромагнитной энергии в катушкеиндуктивности, то в этом случае существуют лишь потери, обусловленныеразрядом выходной ёмкости транзистора. Потери при включении транзистора вквазирезонансном ПН с переключением при нуле напряжения также всегдаравны нулю.

При выключении транзистора сохраняются незначительныепотери, определяемые величиной его выходной ёмкости или ёмкостидополнительного конденсатора.В схеме с переключением при нуле тока выходное напряжениерегулируется (или стабилизируется) изменением длительности запертогосостояния транзистора, а в схеме с переключением при нуле напряжения –изменением длительности открытого состояния транзистора. При этомизменяется частота переключения, поскольку интервал времени, в течениекоторого происходит колебательный процесс в РК, практически постоянен.Поскольку РК в квазирезонансных ПН работает только часть периода,реактивная мощность его элементов существенно меньше, чем в резонансных.В качестве РК здесь чаще всего используют индуктивность рассеяниятрансформатора и выходную ёмкость транзистора.Напрактикегальваническойнаиболееразвязкой.частоприменяютРассмотримрезонансныедалееПНсквазирезонансныйобратноходовой ПН, схема которого приведена на рисунке 7.76.Вообщеосновноеотличиемеждутопологиямиклассическогоиквазирезонансного ПН заключается в том, что ШИМ-регулирование вквазирезонансном ПН зависит не только от уровня выходного напряжения, но иот момента времени достижения минимума тока.

Контроллер обратноходового55Электропитание РЭАГлава 7.2ПН имеет фиксированную частоту ШИМ, которая определяет началоследующего рабочего цикла, а в квазирезонансном режиме используетсягенерация свободных колебаний (автогенерация).Рисунок 7.76 – Топология квазирезонансного обратноходового преобразователяКак и в стандартной обратноходовой топологии, ШИМ-контроллерквазирезонансной топологии включает ключ для накопления энергии всердечнике трансформатора, а затем выключает его для того, чтобы передатьнакопленную энергию во вторичную обмотку (рисунок 7.76).

После того какток через диод выходного выпрямителя упал до нуля, обе обмотки – входная ивыходная – оказываются в открытом состоянии. Поэтому любая оставшаяся всердечнике энергия будет отражаться обратно в первичную обмотку, котораяначнёт резонировать на частоте, зависящей от индуктивности первичнойобмотки Lр и суммарной ёмкости стока Cси, состоящей из суммы ёмкостисамого ключа, межвитковой ёмкости обмотки и всеми паразитными ёмкостямив цепи первичной обмотки:fр 1.2 LрСси(7.158)При индуктивности первичной обмотки в 500 мкГн и значении ёмкостиСси в 1 нФ, резонансная частота колебаний в цепи первичной обмотки будетравна примерно 225 кГц.

Напряжение на разомкнутом ключе будет равно56Электропитание РЭАнапряжениюэлектропитанияГлава 7.2сналоженныминанегорезонанснымиколебаниями. Выбирая сброс цикла ШИМ в момент времени, когда этонапряжение становится минимальным (достигает точки минимума), мыприходим к тому, что эффективное напряжение на ключе окажется гораздониже напряжения электропитания ПН. Это означает, что ключ теперь имеетзначительно более низкую нагрузку по напряжению в момент отпирания, аследовательно, и более низкое значение коммутируемого тока.

Оба этиположительные момента дают ощутимое увеличение КПД ПН.Ещё одним преимуществом работы в квазирезонансном режиме являетсято, что в нём период ШИМ в каждом рабочем цикле слегка меняется, этозависит от точности схемы определения точки минимума напряжения. Этотджиттер (дрожание частоты) сглаживает спектр электромагнитных помех и,соответственно, уменьшает их пиковые уровни. Здесь достаточно легкодостижим выигрыш по уровню помех в 10 дБ по сравнению с классическойсхемой обратноходового ПН. Недостатком квазирезонансного ПН является то,что в нём частота ШИМ зависит от нагрузки, так что тут чтобы справиться спроблемами, возникающими в режиме холостого хода, необходимо либоиспользовать ограничение по частоте или схему блокировки по минимумунапряжения.Рассмотрим далее схему мостового ПН с последовательным РК ипоследовательным соединением нагрузки (рисунок 7.77).

В такой схемевыключение силового транзистора всегда происходит при нулевом токе.Следовательно, потери мощности при этом равны нулю.В каждой половине полупериода замкнуты диагонально расположенныеключи моста, каждый ключ изменяет своё состояние через половину периода.Ток транзистора при включении определяется режимом работы схемы, ив режиме непрерывного тока РК зависит от изменения входного напряжения итока нагрузки. В этом случае необходимо применять высокочастотные57Электропитание РЭАГлава 7.2обратные диоды или дополнительные цепи, устраняющие режим "сквозных"токов.Рисунок 7.77 – Схема ПН с последовательным РК и последовательнымсоединением нагрузкиГраничный режим работы, а также режим разрывного тока РКобеспечивают бестоковую коммутацию силового транзистора, но при этомувеличивается реактивная мощность элементов РК и номинальная мощностьактивных элементов схемы.

Эти и другие особенности рассматриваемой схемы(в частности, возможность стабилизации тока нагрузки и, как следствие,возможность параллельной работы) определяют область применения данногопреобразователя: сетевые ИЭП при мощности в нагрузке до несколькихкиловатт.При частоте переключения ω0, отличной от резонансной ωр, комплексноесопротивление последовательного LC-контура может быть записано как:11 2 2 1Z  j0   j0 L  j0 L,j0C j0C2где  (7.159)0.рСоотношение (7.159) подтверждает известное положение о том, что при58Электропитание РЭАГлава 7.20   р сопротивление последовательного LC-контура является емкостным, апри 0   р – индуктивным.Из(7.159)определимэквивалентныеёмкостьииндуктивность,соответствующие двум частотным диапазонам работы преобразователя:Cэ Lэ Сдля   1 ,1 2L   2  12(7.160)для   1 .(7.161)Если частота коммутации ключей намного меньше резонансной частотыконтура (   1), ток в контуре CэRН будет определяться большим количествомгармоник напряжения и мгновенный ток в контуре будет отличаться отсинусоидального.

Однако при ограничении нижней границы ω0, выполняя ω0минне слишком удалённой от ωр, кривая тока будет определяться первойгармоникой напряжения и содержание высших гармоник в токе будетнезначительным. Полагая ток контура i примерно равным току первойгармоники, получим:i  I1 sin  t    ,(7.162)гдеI1 4U вх RН11,R  С Нр1э 1  arctg .RС Н 0 эПри   1 амплитуда тока равна2(7.163)(7.164)4U вх, а при уменьшении μ амплитуда RНтока также уменьшается. Возрастание μ соответствует увеличению частотыкоммутации и определяет ток близкий к синусоидальному, поскольку высшие59Электропитание РЭАГлава 7.2гармоники тока убывают как из-за уменьшения напряжения данной гармоники,так и вследствие возрастания соответствующего индуктивного сопротивления.Опять принимая i  i1 , имеемi  I1 sin  t    ,(7.165)гдеI1 4U вх RН12,(7.166) 0 Lэ  1 RН  L   arctg  р э  . RН (7.167)И в данном случае при резонансе ток в РК равен максимальному.Амплитуда тока снижается при возрастании μ.

Соотношения (7.163) и (7.166)показываютвозможностьуправлениявыходнымтоком(ивыходноймощностью) при изменении частоты коммутации. Скорость спада тока вконтуре и, следовательно, напряжение на нагрузке зависят ещё и от параметра1L 0 , называемого добротностью контура Q. Чем выше добротность0 RН C RНконтура, тем меньше требуется кратность изменения частоты ωр по отношениюк частоте ω0.Покажем, что возрастание Q приводит к увеличению размеров дросселя иконденсатора РК.ПосколькуQ0 L1,RНRН С(7.168)бо́ льшее значение Q означает применение дросселя с большей индуктивностьюи конденсатора с меньшей ёмкостью при одном и том же значении частоты ω0.Сохраняя один и тот же максимальный ток контура при разных значениях Q,получим:60Электропитание РЭАГлава 7.2211  4U WL  LI12макс  L  вх  ,22   RН (7.169)22 1  4U  111 IWС  U C2 _ макс  C  1 макс    вх  2 .22  0C  2   RН  0 С(7.170)Полученные выражения показывают увеличение энергии как дросселя,так и конденсатора при возрастании Q.

Следовательно, возрастание Q ведёт кувеличению размеров, а также стоимости элементов.Отметим также, что работа ключей в рассматриваемой схеме требует,чтобы они обладали двухсторонней проводимостью для прохождения тока какв прямом, так и в обратном направлениях. Если ключ выполнен на полевомтранзисторе, данное требование автоматически выполняется; более того, вобратномнаправлении ток можетпроходить черезвнутренний диодтранзистора, что позволяет на данном интервале не подавать отпирающеенапряжение на затвор. При выполнении ключа на основе биполярного илинекоторых типов IGBT транзисторов потребуется блокирующий диод,включаемый параллельно выводам коллектора и эмиттера.В схеме ПН с последовательным РК и параллельным включениемнагрузки(рисунок7.78)минимальнаячастотакоммутациисиловыхтранзисторов, соответствующая максимальному току нагрузки и минимальномувходномунапряжению,выбираетсявышерезонанснойчастотыРК.Сопротивление контура при этом носит индуктивный характер, и ток в нёмотстаёт по фазе от напряжения.Потери мощности в транзисторах при включении равны нулю.

Характеристики

Список файлов лекций