Диссертация (792772), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Однако этот вид преобразователязначительно уступает по своим рабочим характеристикам другим видампреобразователей. Обратноходовые преобразователи, в плане взаимосвязанностивсех процессов, являются уникальной топологией, и оптимизация преобразователяпрактически невозможна без компромиссных решений. Например, расчеттрансформатора для прямоходового преобразователя (англ. forward) достаточнолинейный, и при однозначно определенном коэффициенте трансформации ВТ18сводится к минимизации потерь. Однако в обратноходовом преобразователе прирасчете параметров выбор коэффициента трансформации ВТ далеко не очевиден иприходится учитывать многие параметры и переменные.Недостатком данной топологии можно считать то, что со снижениемвыходного напряжения появляются большие импульсные токи на выходе, чтоприводит к дополнительным потерям в обмотках ВТ, выпрямителя иконденсаторах фильтра.
Кроме этого появляется проблема выбора сглаживающегофильтра, способного выдерживать такие большие импульсные токи.Принизкихнапряженияхжелательноиспользоватьсинхронныйвыпрямитель, но он эффективен только в преобразователях прямоходовойтопологии. Для обратноходовой топологии реализация такого выпрямителяполучается сложнее и эффективность его намного ниже. К преимуществуобратноходового преобразователя можно отнести формирование несколькихвыходных напряжений, которые практически не добавляют к схеме никакихсложностей.
Данное преимущество особенно практично, когда на нагрузкетребуется несколько источников питания с разным напряжением.Учитывая все вышеуказанное, можно сделать вывод что обратноходовойпреобразователь постоянного напряжения (ППН) целесообразно использовать вдиапазоне мощностей от 30-40 до 150-200 Вт. Что касается выходного напряжения,то используя обратноходовую топологию, можно проектировать ППН с высокимвыходным напряжением, до нескольких киловольт. Однако использование этойтопологии для приводов большой мощности (от 50 – 150 кВт) нецелесообразно попричине низкой эффективности и усложнения схем для преобразователей большихмощностей.1.1.2. Прямоходовой импульсный преобразовательПрямоходовые импульсные преобразователи (англ.
forward converter) восновном используются в автономных источниках и в блоках питания маломощнойэлектроники мощностью ниже 200 Вт. Простота и малое количество элементов19делают преобразователи данной топологии альтернативой обратноходовомупреобразователю.Особенностью преобразователя данной топологии является способностьвыдерживать большие токи на выходе и изоляция входного напряжения отвыходного. На рисунке 1.3 (а) и (б) показана схема прямоходового преобразователяи временные диаграммы параметров ППН.Рисунок 1.3 – Схема (а) и временные диаграммы работы (б) прямоходовогопреобразователяПринципиальноеразличиепрямоходовогопреобразователяотобратноходового заключается в том, что первичный источник подключается кнагрузке через трансформатор Т, и нагрузка получает энергию во время замкнутогосостояния ключа VT.
Отсюда и название прямоходовой преобразователь с прямымвключением диода.Выходное напряжение преобразователя данной топологии связано с входнымнапряжением следующим соотношением:20вых = вх ∗где =1210 +11∗ = вх ∗ ,(1.1)‒ коэффициент трансформации трансформатора, ω1, ω2 ‒ число витковпервичной и вторичной обмотки, τ1, τ0 ‒ время работы и паузы преобразователясоответственно.Такимобразом,засчетвыборакоэффициентатрансформациитрансформатора k можно найти оптимальное соотношение амплитуды тока инапряжения на ключевом устройстве.В отличие от обратноходового преобразователя, энергия, накопившаяся вмагнитном поле сердечника трансформатора прямоходового преобразователя завремя τ1, в нагрузку не поступает. Данная накопленная энергия до началаследующего цикла должна быть выведена из сердечника, в противном случаеэнергия, полученная в следующем цикле, суммируется с предыдущей, и сердечниквойдет в режим насыщения, что является недопустимым.
Для решения даннойпроблемы в прямоходовом ППН используется дополнительная размагничивающаяобмотка ωd и диод VDd. Этот диод отпирается, когда ключ VT закрыт иобеспечиваетпротеканиетоканамагничивания,темсамымвозвращаетнакопленную энергию сердечника в первичный источник. Этот процесс долженпроизойти за время паузы τ0, а для этого должно выполняться неравенство:1ω1<0ω,где ωd – количество витков дополнительной обмотки. Однако это приведет кограничению использования коэффициента заполнения: <11 +.ППН данной топологии является однотактным, т.е. за один период работы внагрузку может поступать только один импульс тока. Также процессыпреобразования и передачи энергии в нагрузку и размагничивания сердечникатрансформатора для следующего цикла происходят последовательно.
При этомпаузы в процессе работы преобразователя являются обязательными, несмотря нато что это приводит к снижению выходной мощности.21К преимуществам преобразователя данной топологии можно отнестиследующие: более эффективный режим работы; простота схемной реализации, поскольку используется только один ключ.К недостаткам данной схемы преобразования можно отнести однополярноенамагничивание сердечника трансформатора, приводящее к недоиспользованиювозможностей магнитного материала.
Если использовать весь возможный диапазонперемагничивания сердечника трансформатора от -Bmin до Вmax в место 0… Вmax,который используется в ППН прямоходовой топологии, то при определенныхусловиях можно сократить частоту переключения вдвое, что может привести ксокращению динамических потерь на ключевых устройствах.1.1.3. Преобразователи с двухтактным выходомСхема ППН с двухтактным выходом (англ. Push-pull) показана на рисунке1.4.Первичная цепь состоит из источника Е, первичной обмотки трансформатораω11, ω12 и ключей К1, К2. Ключи замыкаются на половину периода, что исключаетвозможность насыщения сердечника трансформатора.Вторичная цепь, как показано на рисунке 1.4, представляет собойдвухполупериодный выпрямитель со встроенным сглаживающим фильтром.Рисунок 1.4 – ППН с двухтактным выходом22Преимуществом преобразователя данной топологии по сравнению соднотактным преобразователем является более эффективное использованиемагнитного материала трансформатора.В двухтактном ППН диапазон изменения магнитной индукции находится вдиапазоне от –Bmax до +Bmax, тогда как изменение магнитной индукции воднотактном преобразователе лежит в диапазоне от 0 до +B max.
По этой причинедля наведения такой же ЭДС, как в однотактном преобразователе, для двухтактногоППНтребуетсямагнитопроводменьшегосечения,чемводнотактномпреобразователе. По этой причине двухтактные ППН по сравнению соднотактными имеют значительно выше КПД и меньшие размеры трансформатораи сглаживающего фильтра. Кроме того, транзисторные ключи в ППН даннойтопологии работают в более легком режиме [82,86].ППН с двухтактным выходом являются эффективными в диапазонемощностей от 100 до 250 Вт.
На практике КПД такого преобразователя достигает80-85%.Регулировочнаяхарактеристикапреобразователяданнойтопологииопределяется следующим соотношением:UН = 2n21γU0(1.2)Для упрощения конструкции и увеличения эффективности преобразователиданной топологии выполняются с пассивным охлаждением, т.е. используетсярадиатор без охлаждающего вентилятора.В преобразователе используется схема обратной связи, активно изменяющаявыходное напряжение и коэффициент заполнения на первичной обмотке приувеличении тока нагрузки, обеспечивая таким образом стабильное напряжение навыходе преобразователя.
Для обеспечения полной изоляции обратная связь имеетоптическую или магнитную связь.23Преимуществом преобразователя данной топологии являются меньшиепомехи по сравнению с обратноходовым преобразователем, так как имеет меньшиепиковые токи.Однако данный тип преобразователя имеет ряд недостатков,которые ограничивают его использование в широких пределах, а именно: сложноеуправление ключевыми элементами (транзисторами), наличие сквозных токов иодностороннее насыщение трансформатора.1.1.4. Преобразователи с полумостовым выходом (half bridge converter)Преобразователь данной топологии используется в устройствах, гденапряжение питания UПИТ более 100 В, а мощность от 100 до 500 Вт.
На рисунке1.5 представлена схема полумостового двухтактного ППН.Рисунок 1.5 – Принципиальная схема двухтактного полумостового ППН: И –инвертор с повышающим высокочастотным трансформатором, УУ – устройствоуправления транзисторными ключами, VD1-VD4 – мостовой выпрямитель и C3, L1– фильтрующие элементы.Примером использования преобразователя данной топологии являютсяисточники питания персональных компьютеров, напряжение питания которыхсоставляет 220 В, а выходное напряжение 5 В и 12 В. Мощность преобразованияэтих источников питания составляет от 150 до 1000 Вт.24Посравнениюсдругимитипамипреобразователеймаксимальноенапряжение между эмиттером и коллектором транзисторов VT1 и VT2 равнонапряжению питания. Данный факт обусловлен тем, что первичная обмоткатрансформатора Т1 посредством транзисторных ключей VT1 и VT2, управляемыхчерез УУ, подключается к разным полюсам источника через конденсаторы С1 и С2.Напряжение питания подается на конденсаторы С1 и С2, которые имеютдостаточно большую емкость и образуют емкостной делитель напряжения.
Такимобразом, на первичной обмотке подается переменное напряжение прямоугольнойформы, амплитуда которого равна половине напряжению питания UПИТ. Это делаетвозможным использование в качестве ключевых элементов транзисторов VT1 иVT2 с меньшим напряжением между коллектором и эмиттером (UКЭ.MAX).На вторичной обмотке трансформатора Т1 напряжение по форме точноповторяет напряжение первичной обмотки и отличается лишь амплитудой этогонапряжения. Величина амплитуды напряжения на вторичной обмотке зависит откоэффициента трансформации трансформатора КТР. Переменное напряжениевторичной обмотки трансформатора Т1 выпрямляется диодным мостом VD1-VD4.Фильтрующие элементы L1 и С3 предназначены для сглаживания пульсациивыходного выпрямленного напряжения.Регулирование выходного напряжения осуществляется путем изменениякоэффициентазаполненияимпульсов.Коэффициентзаполнения—этоотносительная величина времени открытого состояния tVT1 и tVT2 по отношению кпериоду преобразования Т.з =1 +2.(1.3)Устройство управления транзисторными ключами, как правило, выполняетсяна базе микросхем и должно обеспечивать надежное закрывание и открываниеключей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
