Специфические проблемы преобразователей напряжения с использованием трансформаторов

Явления, о которых необходимо помнить при конструировании преобразователей напряжения (и импульсных устройств вообще)

Насыщение сердечника (магнитопровода) - момент когда магнитопроводящий материал сердечника дросселя или трансформатора уже настолько намагничен, что более уже не оказывает влияние на процессы протекающие в дросселе или трансформаторе. При насыщении сердечника индуктивность обмоток расположенных на нём стремительно падает, а ток через первичные обмотки начинает увеличиваться, при этом максимальный ток ограничен только сопротивлением проволоки обмотки, а оно выбирается как можно меньшим, соответственно насыщение как минимум приводит к нагреву и обмоток дросселя и силового транзистора, как максимум к разрушению силового транзистора.

Сопротивление проводов обмоток - вносит в процесс потери, так как препятствует запасанию и высвобождению энергии в магнитном поле, вызывает нагрев провода обмотки дросселя.
Решение: использование провода с минимальным сопротивлением (более толстый провод, провод из материалов обладающих малым удельным сопротивлением).

Работа силовых транзисторов в линейном режиме - в случае если генератор сигналов используемый для управления транзисторами выдаёт не прямоугольные импульсы, а импульсы с медленным нарастанием и спадом напряжения, что может быть если ёмкость затвора силовых транзисторов велика, а драйвер (специальный усилитель) не способен выдавать значительный ток для зарядки этой ёмкости, появляются моменты, когда транзистор находится в линейном режиме, то есть обладает неким сопротивлением отличным от нуля и бесконечно большого, в связи с чем через него течёт ток и на нём выделяется тепло ухудшая КПД преобразователя.

Впрочем, эти проблемы присущи любым устройствам с мощным двухтактным выходным каскадом.

Сквозной ток
Рассмотрим на примере схемы полумоста - если по какой то причине транзистор T2 откроется ранее чем полностью успел закрыться T1, то возникнет сквозной ток от +ПИТ на общий провод, которые будет протекать через оба транзистора приводя к бесполезному выделению тепла на них.
Решение: создание задержки между тем как снизился до нуля потенциал на входе Г1 (см. схему полумоста) и возрос потенциал на входе Г2.
Такое время задержки называют дедтайм (dead time) и графически это можно проиллюстрировать осциллограммой:

Эффект Миллера
Опять же, рассмотрим на примере полумоста - когда транзистор T1 открывается то к транзистору T2 прикладывается напряжение, которое быстро возрастает (со скоростью открывания T1), так как это напряжение велико, то даже незначительная внутренняя ёмкость между затвором и истоком заряжаясь создаёт значительный потенциал на затворе, который открывает T2, пусть и на короткое время, но создавая сквозной ток, даже при наличии дедтайма.
Решение: применение мощных драйверов транзисторов, способных не только отдавать, но и принимать большие токи.

О чём не следует забывать

Понижающий преобразователь с накопительным дросселем, полумост и мост - схемы, которые не так просты, как кажутся на первый взгляд, прежде всего потому, что исток транзистора в понижающем преобразователе и истоки верхних по схеме транзисторов в мосте и полумосте находятся под напряжением питания.
Как мы знаем, управляющее напряжение на затвор транзистора нужно подавать относительно его истока, для биполярных на базу относительно к эмиттера.
Решения:
Использование гальванически развязанных источников питания цепей затворов (баз):

Генератор G1 вырабатывает противофазные сигналы и формирует дедтайм, U1 и U2 драйверы полевых транзисторов, оптрон гальванически развязывает входную цепь верхнего драйвера с выходом генератора, который питается от другой обмотки трансформатора.

Применение импульсного трансформатора для гальванической развязки цепей затворов (баз):

Гальваническая развязка обеспечивается за счёт введения ещё одного импульсного трансформатора: GDT.

Есть и ещё один метод - "бустреп", но и он вам вряд ли понравится, для получения подробностей смотрите документацию к микросхеме IR2153, в частности метод получения напряжения питания для управления верхним по схемам ключевым транзистором.

Проектируя преобразователь, необходимо учитывать, что это импульсное устройство по проводникам которого текут значительные токи, которые резко изменяются и это устройство в котором создаются сильные магнитные поля - всё это создаёт благоприятную почву для возникновения целой серии помех в широком спектре.
При разводке печатных плат следует стремиться сделать все силовые проводники цепи максимально короткими и прямыми, электролитические конденсаторы шунтировать плёночными или керамическими на ёмкость 0,1... 1мкф в непосредственной близости от силовых элементов, для предотвращения просачивания высокочастотных помех в осветительную сеть, если устройство питается от сети, устанавливать по цепи подводки сетевого напряжения LC фильтры нижних частот.

Несмотря на множество непростых моментов, импульсные преобразователи напряжения применяются широко, а работающие на высокой частоте (десятки-сотни килогерц) обладают рядом преимуществ, так:
Высокий КПД, вплоть до 97%;
Малая масса;
Малые габариты.

5.1.2. Моделирование понижающего регулятора постоянного напряжения

В силовой электронике широко применяются как регуляторы переменного, так и постоянного напряжения на основе силовых полупроводниковых приборов.

Регуляторами переменного напряжения называют преобразователи переменного напряжения в регулируемое переменное напряжение с той же неизменной частотой. В отличие от громоздких и инерционных трансформаторных и автотрансформаторных современные регуляторы с применением силовых полупроводниковых приборов позволяют быстро и плавно изменять напряжение на нагрузке. Различаются несколько типов регуляторов переменного напряжения. В регуляторах с использованием устройства вольтодобавки последовательно с источником подключают дополнительный трансформатор. При этом с помощью встречно включенных тиристоров регулируется напряжение вольтодобавки. Такой способ регулирования обычно применяется для стабилизации напряжения на нагрузке путем добавления или уменьшения напряжения в небольших пределах. Нередко применяется регулятор с вольтодобавкой на базе автономного инвертора напряжения или тока, который называют регулятором с реактивным напряжением вольтодобавки. Если фазу напряжения на инверторе поддерживать сдвинутой на 90° относительно тока, то инвертор активную мощность от источника практически потреблять не будет.

Наибольшее применение в технике находят широтно-импульсные регуляторы переменного напряжения, которые требуют применения полностью управляемых тиристоров (GTO) или мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Отличительной особенностью регуляторов с широтно-импульсным способом регулирования является импульсный характер входного тока при непрерывном синусоидальном входном напряжении. Поэтому при индуктивном характере входного сопротивления источника необходимо применение входного LC-фильтра. При многократных коммутациях с частотой в несколько килогерц форма тока в нагрузке будет непрерывной и практически синусоидальной. Широтно-импульсные регуляторы не вносят дополнительного сдвига фаз между током и напряжением первой гармоники на его входе. Этот сдвиг определяется только характером нагрузки, поэтому коэффициент мощности таких регуляторов достаточно высок. На переменном токе различают повышающие и повышающе-понижающие регуляторы напряжения [1, 2]. При однократном за половину периода включении и отключении нагрузки от цепи переменного тока такие регуляторы называют выпрямителями с секторным регулированием [13]. В них используются тиристорно-диодные схемы с искусственной коммутацией.

На электрической тяге постоянного тока для регулирования напряжения на тяговых двигателях традиционно применялись пусковые реостаты. При реостатном регулировании дополнительные потери достигают 30 % от потребляемой на тягу энергии. Кроме того, переключение пусковых резисторов сопровождается бросками тока. В связи с этим целесообразным является применение более надежного и высокоэффективного тиристорного регулятора. Регулирование, при котором источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с постоянной или изменяемой частотой, называют импульсным регулированием. Благодаря индуктивности самой нагрузки и включению сглаживающего дросселя обеспечивается непрерывный режим протекания тока с допустимой пульсацией.

На постоянном токе, как и переменном, применяются повышающие и понижающие регуляторы напряжения. Преобразователь постоянного напряжения обычно выполняется на основе ШИП, если обеспечить раздельный по времени процесс накопления энергии в индуктивности входной цепи и ее передачи в емкость выходной цепи. В понижающем импульсном регуляторе напряжения последовательно с нагрузкой подключается накопительный дроссель, а для сглаживания пульсаций конденсатор фильтра. В понижающем регуляторе параллельно ключу подсоединяется диод. Для обеспечения непрерывного тока нагрузки индуктивность входного дросселя рассчитывается по формуле

, (10.1)

где – период; – активное сопротивление нагрузки; – длительность положительного импульса.

Длительность импульса и период определяются системой управления ключа, применяемого в регуляторе. Напряжение на нагрузке определяется напряжением источника и соотношением между длительностью импульса и периодом

, (10.2)

где – напряжение нагрузки; – напряжение источника питания.

В повышающем регуляторе постоянного напряжения энергия от источника запасается в индуктивности при открытом ключе, а нагрузка получает энергию, запасенную в конденсаторе. При закрытом ключе энергия от реактора через диод передается в нагрузку и параллельно в конденсатор, восполняя ее потерю в процессе разряда. Так как среднее напряжение на индуктивности за период должно быть равно нулю, то напряжение на нагрузке повышающего регулятора можно определить по следующей формуле

. (10.3)

Рис. 10.1. Понижающий регулятор постоянного напряжения

5.2. Повышающий и инвертирующий регуляторы, режимы их работы и характеристики.

Дата добавления: 2015-05-06