Силовая электроника №3'2005

Однотактный комбинированный преобразователь напряжения

Константин Матвеев
Виталий Скворцов


Известно, что для каждого ряда мощностей зарядных устройств (ЗУ) существует свое наиболее оптимальное схемотехническое решение. При мощностях нагрузки в диапазоне 50-500 Вт по соотношению «цена — качество» предпочтительно использование однотактных преобразователей напряжения. Ранее авторами было предложено в устройствах заряда данного диапазона мощностей использовать однотактный комбинированный преобразователь напряжения [1] по патенту № 2242073 РФ [2].

Для однотактного обратноходового преобразователя напряжения характерно наличие на выходе импульсного тока с крутым фронтом, что приводит к импульсу перенапряжения при выключении ключа. Это приводит к потерям мощности на ключевом элементе. Кроме того, при обеспечении высокого напряжения изоляции между входом и выходом (это обязательное требование к ЗУ) потери увеличиваются из-за возрастающей индуктивности рассеяния силового трансформатора. Пульсирующий выходной ток заставляет применять при сравнительно низких выходных напряжениях (типично для аккумуляторов 6 и 12 В) выходную фильтрующую емкость значительных габаритов, что, соответственно, отражается на стоимости преобразователя напряжения. За счет разделенной передачи энергии от первичного источника к нагрузке (аккумулятору или конденсатору) силовой трансформатор и ключевой элемент имеют завышенную габаритную мощность.

Предложенные авторами структура преобразователя напряжения и алгоритм работы [1] позволяют поддерживать постоянный по величине зарядный ток без цепи обратной связи. Причем за счет непрерывной формы тока уменьшена суммарная габаритная мощность элементов схемы.

Рис. 1. Комбинированный однотактный преобразователь
Рис. 1. Комбинированный однотактный преобразователь напряжения

На рис. 1 представлена схема однотактного комбинированного преобразователя напряжения, который представляет собой обратноходовый преобразователь напряжения с двумя ключами, дополненный прямоходовым силовым трансформатором (TV1) и выпрямительным диодом (VD4). За счет введения в схему дополнительного прямоходового силового трансформатора (TV1) устранена пауза и крутой фронт тока на выходе преобразователя напряжения. Для ограничения импульса перенапряжения на ключевых элементах использована схема двухключевого однотактного инвертора (VT1, VT2, VD1, VD2). При этом энергия, накапливаемая в индуктивностях рассеяния силовых трансформаторов TV1, TV2, не рассеивается на элементах схемы, а возвращается во входной конденсатор. Кроме того, за счет прямоходового силового трансформатора TV1 энергия в аккумуляторную батарею передается не только при выключении ключевых элементов VT1, VT2, но и при их включенном состоянии, поэтому амплитуда тока в них меньше, чем в обратноходовом преобразователе напряжения (а значит, и их суммарная габаритная мощность тоже меньше). Выходная мощность двух силовых трансформаторов соответствует выходной мощности одного силового трансформатора обратноходового преобразователя напряжения, однако за счет уменьшения амплитуды тока и, соответственно, действующего его значения, уменьшена их габаритная мощность. Габаритная мощность выходного конденсатора снижается за счет уменьшения переменной составляющей выходного тока — отсутствуют паузы в выходном токе и уменьшена его амплитуда.

Рис. 2. Эквивалентная схема силовой части
Рис. 2. Эквивалентная схема силовой части

Идеализированная схема силовой части преобразователя напряжения, в которой исключены элементы, не оказывающие влияния на основные процессы, изображена на рис. 2. Период работы однотактного комбинированного преобразователя напряжения состоит из следующих этапов (рис. 3):

  • включение ключей К1 и К2 происходит при нулевых начальных условиях (токи в обмотках равны нулю) — момент времени t0;
  • первичный ток I 1 нарастает за счет напряжения E, приложенного к первичным обмоткам (промежуток времени t0t 1);
  • выключение ключей происходит по достижении током I 1 заданной величины — момент времени t1;
  • накопленная в индуктивности намагничивания прямоходового силового трансформатора TVП Х энергия возвращается в источник питания — промежуток времени t 1t 2 ПХ ;
  • накопленная в обратноходовом силового трансформаторе TVОХ энергия передается в нагрузку — промежуток времени t1t2ОХ ;
  • по окончании обоих промежутков времени t1t2ПХ , t1t2ОХ сразу же начинается новый период работы преобразователя напряжения.

Функционирование преобразователя напряжения в граничном режиме позволяет обеспечивать стабилизацию среднего значения выходного тока I2СР только за счет задания максимальной величины первичного тока I 1 MAX. Нет необходимости в реализации ОС по выходному току, поэтому схема управления комбинированным преобразователем напряжения в граничном режиме отличается простотой реализации и лишь обеспечивает:

а) отключение ключей К1 и К2 по достижении первичным током заданного значения,

б) включение ключей через промежуток времени, обеспечивающий размагничивание магнитопроводов обоих силовых трансформаторов. Ввиду отмеченных положительных свойств,

граничный режим работы выбран как основной режим работы однотактного комбинированного преобразователя напряжения. В этом режиме преобразователь напряжения функционирует как автогенераторная система.

Длительность импульса тока в первичной обмотке, определяемая требуемой амплитудой тока, равна

Длительность сброса накопленной энергии будет, соответственно, зависеть от времени ее накопления

Длительность размагничивания прямоходового силового трансформатора TVПХ равна

В зависимости от соотношения входного напряжения E и выходного напряжения UН возможны три режима работы комбинированного преобразователя напряжения.

Режим работы 1 — номинальный режим работы. В этом режиме работы преобразователя напряжения при E > 2Ч UHxKTP длительность сброса энергии из силового трансформатора TVОХ больше длительности размагничивания силового трансформатора TVПХ tСБР > tИ , tРАЗМ < tИ .

Данный режим работы для комбинированного преобразователя напряжения является основным. Среднее значение выходного тока за период преобразования всегда остается постоянной величиной.

Режим работы 2 — режим неполной мощности. В случае уменьшения напряжения пи-

тания Е или увеличения напряжения нагрузки UН, когда выполняется условие E ≤ 2UHxKTP, сброс энергии из TVОХ происходит быстрее, чем размагничивается TVПХ tСБР < tРА З М. Длительность этапа размагничивания TVПХ при этом равна tРА З М = tИ. В выходном токе I2 присутствует пауза t2ПХ t2ОХ, приводящая к неполному использованию элементов схемы во времени.

Режим работы 3— холостой ход. Режим холостого хода для рассматриваемого преобразователя напряжения является допустимым, поэтому нет необходимости в специальной защите элементов схемы в этом режиме. Ограничение выходного напряжения достигается за счет последовательного включения первичных обмоток прямоходового (TVПХ) и обратноходового (TVОХ) силовых трансформаторов. При увеличении напряжения UН выше величины E / KTP диоды выпрямителя VD3, VD4 (рис. 2,3) остаются всегда запертыми и, поскольку LПХ = Lµ>>L1ОХ, ток I 1 в первичной и ток I2 во вторичной цепи нарастает медленно, силовой трансформатор TVОХ перестает накапливать энергию, а преобразователь напряжения переходит в режим холостого хода. Максимальная величина выходного напряжения холостого хода UН_ХХ определяется величиной входного напряжения Е и коэффициентом трансформации КТР .

Принципиально возможно использование собственной индуктивности рассеяния силового трансформатора в функции обратноходового силового трансформатора TV2 (рис. 1) и применение стандартного магнитопровода. Построение силового трансформатора на П-образном сердечнике условно показано на рис. 4. Принцип действия основан на неравной магнитной связи обмоток, расположенных на различных стержнях магнитопровода. Поясняет принцип действия преобразователя напряжения рис. 5, на котором силовой трансформатор на ферромагнитном П-образном сердечнике представлен как воздушный силовой трансформатор.

Рис. 4. Использование П-образного сердечника в комбинированном преобразователе
Рис. 4. Использование П-образного сердечника в комбинированном преобразователе напряжения
Рис. 5. К вопросу об использовании индуктивности рассеяния
Рис. 5. К вопросу об использовании индуктивности рассеяния

Различная магнитная связь между различными парами обмоток отражена коэффициентами связи Ксв. Для двух обмоток, расположенных на одном стержне, коэффициент связи максимален и приближается к единице. Для пары обмоток, расположенных на разных стержнях, коэффициент связи имеет конечное значение, обусловленное конструктивным исполнением этих обмоток. Таким образом, эквивалентный воздушный силовой трансформатор, состоящий из индуктивностей L1, L2ОХ, L2ПХ имеет взаимные индуктивности, определяемые как

где Ксв — коэффициенты связи соответствующих обмоток, причем Ксв12ПХ<1 и Ксв12ОХ& 1.

Неравенство коэффициентов связи достигнуто за счет расположения соответствующих обмоток на разных стержнях магнитопровода. При включенных VT1, VT2 энергия от первичной обмотки W1(L1) за счет M12ПХ передается во вторичную прямоходовую обмотку W2ПХ (L2ПХ) и одновременно накапливается в магнитном потоке этих обмоток. За счет Ксв12 ПХ <1 ток нарастает не мгновенно. Магнитный поток обмотки W1(L1) практически полностью связан с обмоткой W2ОХ(L2ОХ) за счет Ксв12ОХ 1. При выключении VT1, VT2 энергия магнитного потока обмоток W2ОХ(L2ОХ) и W2ПХ (L2ПХ) через последовательно соединенные вторичные обмотки передается в нагрузку (на схеме АБ). При равных числах витков W2ОХ и W2ПХ выходной ток имеет непрерывную форму. Сердечник в это время получает возможность свободно размагничиваться.

Различные варианты совмещения функций двух электромагнитных элементов в одном описаны в литературе [3]. Их недостатком является использование магнитопровода специальной конструкции. Для комбинированного преобразователя напряжения с одним силовым трансформатором на стандартном магнитопроводе (рис. 4) предлагается модель силовой части преобразователя напряжения для исследования процессов, протекающих в комбинированном преобразователе напряжения.

Силовой трансформатор, выполненный на П-образном сердечнике (рис. 4), одновременно

выполняет функции прямоходового (TV1) и обратноходового (TV2) силовых трансформаторов (рис. 1). Трансформаторный узел, совмещающий две различные функции и выполненный как одна конструктивная единица, назван совмещенным трансформатором. Первичная обмотка и одна из вторичных обмоток расположены на разных стержнях магнитопровода, что существенно увеличивает индуктивность рассеяния между ними. Конструкция силового трансформатора с разнесенными обмотками предполагает неравномерное намагничивание магнитопровода. Таким образом, модель силового трансформатора, представляемая в виде электрической схемы замещения, должна отражать индуктивности рассеяния между обмотками и индуктивности намагничивания отдельных участков магнитопровода.

В простейшем случае модель силового трансформатора может представлять собой четырехполюсник с заданным коэффициентом передачи напряжения и тока. Более сложные модели учитывают наличие индуктивностей рассеяния и индуктивностей намагничивания. Для построения схем замещения силового трансформатора в принципе возможны два подхода. Первый заключается в том, что сам силовой трансформатор представляется в виде «черного ящика», у которого доступны только внешние выводы. Теоретически можно с любой точностью определить внешние характеристики (собственные и взаимные проводимости, зависящие или не зависящие от токов и напряжений). В связи с тем, что реально не все параметры силового трансформатора могут быть измерены с достаточной точностью, этот метод может приводить к существенным ошибкам из-за разностей близких величин. Второй метод основывается на том, что конструктивное

исполнение силового трансформатора известно, магнитное поле в нем описано достаточно просто, участки магнитной цепи могут быть представлены цепями с сосредоточенными параметрами [4].

Исследуемый трансформатор (рис. 4) имеет первичную обмотку W1, одну вторичную обратноходовую обмотку W2ОХ на том же стержне и прямоходовую вторичную обмотку W2ПХ на другом стержне магнитопровода. Как известно, это приводит к существенному увеличению индуктивности рассеяния между этими обмотками, и, соответственно, к неравному магнитному потоку в стержнях. Насколько эти потоки отличаются между собой — заранее не известно, это необходимо определить во всех режимах работы преобразователя напряжения. Для составления электрической схемы замещения силового трансформатора рассмотрена картина магнитного поля (рис. 6), на которой представлены основные потоки. Поток Ф , проходящий через весь магнитопровод, является потоком намагничивания, потоки ФS1, ФS2, ФS3 являются потоками рассеяния соответствующих обмоток, эти потоки сцепляются только с витками каждой из них. Поток ФS4, проходящий только через один стержень и замыкающийся по воздуху преимущественно между верхним и нижним ярмом магнитопровода, отражают рассеяние между правой и левой половинками сердечника. Поток ФS5, сцепляющийся с витками первой и второй обмоток, отражает взаимосвязь этих обмоток только за счет магнитного поля вне магнитопровода. На основании составленной картины поля получена схема магнитной цепи (рис. 7).

Рис. 6. Упрощенная картина магнитного поля
Рис. 6. Упрощенная картина магнитного поля
Рис. 7. Схема магнитной цепи
Рис. 7. Схема магнитной цепи

Магнитные сопротивления RM1 и RM2 отражают сопротивление магнитному потоку Фµ, проходящему через магнитопровод:

RM1+RM2 = HcЧlc

где Нс и lс — напряженность поля и средняя длина силовой линии в магнитопроводе.

В общем случае эти сопротивления нелинейные.

Магнитные сопротивления Rms1Rms5 отражают сопротивление соответствующим магнитным потокам, проходящим по воздуху. МДС I1W1, I2ОХW 2 ОХ, I 2 ПХW2ПХ отражают соответствующие обмотки и токи через них.

На основании схемы магнитной цепи (рис. 7) по формальным правилам [5] составлена электрическая схема замещения силового трансформатора (рис. 8). Каждой ветви на схеме магнитной цепи соответствует узел на электрической схеме замещения. И, напротив, узлу на схеме магнитной цепи соответствует ветвь на электрической схеме замещения. Пунктирными линиями на схемах показаны ветви дуальных цепей.

Рис. 8. Построение схемы замещения по магнитной цепи
Рис. 8. Построение схемы замещения по магнитной цепи

Данная схема уже пригодна для моделирования в таких программных пакетах как PSpice, OrCAD и др. в режиме малых токов (без насыщения магнитопровода), а также в режиме больших токов, при неравномерном насыщении магнитопровода [4]. Каждый из стержней магнитопровода представлен индуктивностями намагничивания L 1 и L 2. Для определения индукции в участке магнитопровода необходимо определить ток в соответствующей индуктивности намагничивания. Соответствие между током и напряженностью магнитного поля легко можно установить из формулы

HcЧlc = IЧW

где Hc — напряженность магнитного поля в участке магнитопровода, lc — длина средней магнитной линии в участке магнитопровода, W — число витков, к которому приведена схема.

Индуктивностями на схеме замещения отражены соответствующие магнитные потоки силового трансформатора

Индуктивности Lм1 и Lм 2 могут быть определены расчетным способом, либо на основании одних физических свойств магнитопровода — длины средней магнитной линии, эффективного сечения и кривой намагничивания, которые никак не связаны с конструктивным исполнением обмоток. Поскольку длина магнитного пути для каждой индуктивности намагничивания в два раза меньше суммарной, то каждая из индуктивностей должна быть вдвое больше суммарной:

Физическим аналогом индуктивностей намагничивания Lµ1, Lµ2 являются воображаемые катушки с током, которые расположены на поверхности магнитопровода.

От исполнения обмоток силового трансформатора в схеме замещения зависят индуктивности рассеяния LS1-LS5. Измерение их величин невозможно провести с помощью прямых измерений на реальном трансформаторе. Их достаточно просто определить на конечно-элементной модели силового трансформатора [4]. Для этого достаточно проинтегрировать индукцию магнитного поля для катушки с током в соответствующем сечении.

Следует отметить, что величина LS4 на порядок превышает величины LS1LS3, LS5 и является наиболее значимой в представленной схеме замещения, так как отражает поток рассеяния между обмотками, расположенными на разных стержнях магнитопровода. Именно этот поток в основном влияет на функционирование комбинированного преобразователя напряжения. В простейших случаях величинами LS1-LS3, LS5 можно пренебречь.

На основании данной модели разработана методика проектирования совмещенного трансформатора, основные расчетные соотношения которой представлены ниже.

Коэффициент трансформации:

Максимальное напряжение на выходе преобразователя напряжения при работе без нагрузки:

ВЫХ_ХХ_MAX         BX_MAX'    TP

Величина мощности, снимаемая с выбранного магнитопровода, ориентировочно оценивается как

где ΔB — размах индукции, SC — сечение магнитопровода, SO — сечение окна магнитопровода, KO — коэффициент его заполнения, j — плотность тока, f— требуемая рабочая частота, Ls0 — приведенная к одному витку индуктивность рассеяния LS4 (является параметром магнитопровода и геометрии катушек).

Число витков первичной обмотки определяется исходя из возможности работы преобразователя напряжения на холостом ходу:

Результаты проведенных исследований од-нотактного комбинированного преобразователя напряжения позволяют осуществлять его проектирование для конкретных применений в ЗУ.  

Литература

1. Скворцов В. А., Русанов В. В., Матвеев К. Ф. Устройства заряда на базе однотактных комбинированных преобразователей // Компоненты и Технологии: Силовая электроника. 2004. № 1.

2. Пат. 2242073 РФ. Зарядное устройство для аккумуляторной батареи / Скворцов В. А., Матвеев К. Ф. // Открытия. Изобретения. 10.12.2004. Бюл. №34.

3. Задерей Г. П., Заика П. Н. Многофункциональные трансформаторы в средствах вторичного электропитания. М.: Радио и связь. 1989.

4. Лейтес Л. В. Электромагнитные расчеты трансформаторов и реакторов. М.: Энергия. 1981.

5. Матвеев К. Ф. Использование пакета ANSYS для моделирования электромагнитных элементов импульсных преобразователей // Компоненты и Технологии: Силовая электроника. 2004. № 2.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_03_56.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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