Силовая электроника №2'2004

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

Слободан Кук
Сергей Ненахов


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.

Рис. 1. 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).

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:

Отсюда

Следовательно,

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:

(1)

(2)

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

— индуктивность обмотки;

µ — магнитная проницаемость материала магнитопровода;

w — число витков обмотки;

S и  l — соответственно площадь сечения

и длина средней линии сердечника;

— взаимная индуктивность  обмоток; k — коэффициент магнитной связи обмоток;

— 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:

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

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].

Рис. 5

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.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_02_62.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо