Новый DC/DC-конверторов с нулевыми пульсациями и интегрированными магнитопроводами. Часть 1

№ 2’2004
PDF версия
Идея интеграции магнитных компонентов в силовой части DC/DC-конвертора открывает перед импульсными устройствами новые перспективы. Для питания основной массы радиоэлектронной аппаратуры требуется в какой-либо форме энергия постоянного тока разных уровней напряжения и мощности. Физически невозможно реализовать управляемый трансформатор постоянного напряжения, но именно он был бы идеальным конечным результатом при проектировании DC/DC-конверторов.

Нетрудно заметить, что ни одна из классических схем DC/DC-конверторов (рис.1) не обладает главной отличительной чертой идеального трансформатора постоянного напряжения, то есть — не обеспечивает непрерывности (постоянства) потребления энергии и передачи ее в нагрузку. Разрывность токов (входного, выходного или обоих одновременно) вызывает электромагнитные помехи и ухудшает качество электроэнергии, в результате чего существенно ограничивает область применения импульсных источников питания.

Классическая схема конвертера

Рис. 1. Классическая схема DC/DC-конвертора

Отказ от традиционных методов проектирования DC/DC-конверторов [1] означает поиск новых импульсных схем с непрерывным характером потребления и передачи энергии. Причем сразу ясно, что стремление сохранить высокий КПД неизбежно ведет к насыщению силовой части DC/DC-конвертора реактивными элементами. Но именно это обстоятельство способствовало появлению революционной идеи интеграции магнитных компонентов, открывающей перед импульсными устройствами новые перспективы.

Рассмотрим схему DC/DC-конвертора [2], в котором осуществляется непрерывная передача энергии от первичного источника в нагрузку (рис.2).

Конвертор, в котором осуществляется непрерывная передача энергии от первичного источника в нагрузку

Рис. 2. DC/DC-конвертор, в котором осуществляется непрерывная передача энергии от первичного источника в нагрузку

На интервале времени tn, когда транзистор T1 заперт, конденсатор С1 заряжается входным током i1 дросселя L1 через диод D1, а ток дросселя L2  замыкается через тот же диод  и нагрузку.

На интервале tu, когда транзистор Т1 открыт, конденсатор С1 разряжается на нагрузку током i2, а ток i1 дросселя L1 замыкается через транзистор и источник питания.

Пренебрегая пульсациями напряжений на конденсаторах, запишем баланс вольт-секундных интегралов для каждого дросселя:

Формула

Отсюда

Формула

Следовательно,

Формула

а эпюры напряжений на дросселях (рис. 2б) полностью совпадают.

Последнее обстоятельство является предпосылкой для выполнения обоих дросселей на едином магнитопроводе (рис. 3).

Рис. 3.

Для каждой обмотки связанного дросселя:

Формула             (1)
Формула            (2)

где Us — напряжение на обмотках: Us = Un на интервале tu, Us = Uн на интервале tn;

Формула     — индуктивность обмотки;

µ — магнитная проницаемость материала магнитопровода;

w — число витков обмотки;

S и  l — соответственно площадь сечения

и длина средней линии сердечника;

Формула    — взаимная индуктивность  обмоток; k — коэффициент магнитной связи обмоток;
Формула    — отношение чисел витков  обмоток.

Представляет интерес рассмотрение трех частных случаев.

1. Получение одинаковых пульсаций входного и выходного токов, то есть di1/dt = di2/dt.

Разделив (1) на (2), получим:

Формула

 Отсюда n = 1. Таким образом, при L1 = L2(w1 = w2) пульсации входного и выходного токов одинаковы:

Формула

Анализ этого выражения показывает, что по сравнению с исходной схемой пульсации токов уменьшены в (1 + k) раз, а в предельном случае (k = 1) в два раза при прочих равных условиях.

2. Получение нулевых пульсаций входного тока, то есть di1/dt = 0. Разделив (1) на (2), получим:

M/L2 = 1 или кn = 1.

Отсюда n=1/k

Пульсации выходного тока при этом остаются на прежнем уровне:

di2/dt = Us/L2.

3. Получение нулевых пульсаций выходного тока, то есть di1/dt = 0. Разделив (1) на (2), получим: L1/M = 1 или n/k = 1 Отсюда n = k.

Пульсации выходного тока при этом остаются на прежнем уровне:

Таким образом, относительным изменением n и k можно регулировать пульсации токов i1 и i2 вплоть до полного устранения их по входу или выходу. Причем условие получения нулевой пульсации не зависит от режима работы DC/DC-конвертора, то есть скважности, частоты переключений, напряжения питания и тока нагрузки.

Объединение дросселей возможно и в других импульсных структурах при условии, что напряжения на объединяемых дросселях пропорциональны друг другу [3]. Форма напряжений несущественна. Например, если коэффициент трансформации введенного в DC/DC-конвертор развязывающего трансформатора [4] (рис. 4а) равен nmp, то напряжение на дросселе L2 отличается от напряжения на дросселе L1 в nmp раз. Во столько же раз должны отличаться числа витков связанного дросселя (рис. 4б) для получения одинаковых пульсаций входного и выходного токов.

Рис. 4.

Возможность для объединения дросселей имеется и в многоканальном DC-DC конверторе (рис.5). Причем дроссели можно объединять группами, например, входной и один из выходных дросселей объединены с целью получения нулевой пульсации входного тока, тогда как другой связанный дроссель обеспечивает нулевую пульсацию на одном из выходов [5, 6].

Литература
  1. P. Wood. General Theory of Switching Power Converters. — IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1979. (IEEE Publication 79CH1461-3AES).
  2. S. Cuk and R.D. Midlebrook. A New Optimum Topology Switching DC-to-DC Converter. — IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1977. (IEEE Publication 77CH1213-8AES).
  3. S. Cuk. Switching DC-to-DC Converter with Zero Input or Output Current Ripple. — IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. — 1978. (IEEE 78CH1346-61A).
  4. R. D. Midlebrook, S. Cuk. Isolation and Multiple Output Extensions of a New Optimum Topology Switching DC-to-DC Converter. — IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1978. (IEEE Publication 78CH1337-5AES).
  5. G. E. Bloom, A. Eris. Practical Design Considerations of Multi-Output Cuk Converter. — IEEE Power Electronics Specialists Conference. — 1979. (IEEE Publication 79CH1461-3AES).
  6. G.E. Bloom, A. Eris and R. Ruble. Modelling, Analysis and Design of a Multi-Output Cuk Converter. — Proc. Seventh National Solid-State Power Conversion Conference, March 1980.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *