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

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

На интервале времени t_n, 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 t_u, 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 U_s — напряжение на обмотках: U_s = U_n на интервале t_u, U_s = U_н на интервале t_n;

     — 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 к_n = 1.

Отсюда n=1/k

Пульсации выходного тока при этом остаются на прежнем уровне:

di₂/dt = U_s/L_2.

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.

Продолжение следует.