Создание высокоэффективных импульсных источников электропитания на основе схем ФАПЧ
В ранее опубликованной работе [1] были приведены результаты исследований, направленных на создание высокоэффективных импульсных источников электропитания, основанных на накоплении энергии в электрическом или магнитном поле реактивных элементов в течение нескольких тактов работы ключей и последующей ее передаче на нагрузку. Указанная работа была посвящена, в том числе, и теоретическому обоснованию действия квадратичного закона накопления электрической энергии в реактивных элементах в режиме резонанса.
Режим резонанса является необходимым условием функционирования высокоэффективных источников электропитания. Достижение режима резонанса возможно различными способами. Способ, основанный на использовании полумостовой или мостовой схемы с синхронизирующими диодами, рассмотренный в [1], отличается технической простотой, однако имеет существенное ограничение по выходной мощности вследствие ограничения параметров современных электронных ключей по значению обратного напряжения. В данной работе рассматривается возможность реализации высокоэффективных источников электропитания на основе схем фазовой автоподстройки частоты, отличающихся значительной выходной мощностью и упрощенным схемотехническим способом передачи электрической энергии в нагрузку.
Рассмотрим усовершенствованную упрощенную схему накопительной части высокоэффективного источника электропитания (рис. 1).
Схема состоит из первичного источника напряжения V1, защитного диода D1, индуктивности L1, емкости C1, образующих последовательный колебательный контур; сопротивления R1, характеризующего активные потери в цепи; электронных ключей J1, J2; трансформатора тока Т1; схемы фазовой автоподстройки частоты, совмещенной с генератором управляющих импульсов.
Принцип работы анализируемой схемы состоит в достижении режима резонанса напряжений при совпадении частоты свободных колебаний контура L1–C1 с частотой работы электронных ключей. Кратковременное срабатывание ключа J1 происходит в момент действия амплитуды положительной полуволны тока контура L1–C1 и нулевого напряжения на реактивных элементах (рис. 2), в результате чего происходит синфазное сложение тока свободных колебаний ранее накопленной энергии с составляющей тока источника. Таким образом, достигается режим квадратичного накопления энергии, лежащий в основе работы высокоэффективных источников электропитания.
Операторным методом проанализируем переходные процессы в анализируемой схеме.
В момент первого замыкания электронного ключа J1 (ключ J2 разомкнут) ток протекает в цепи сопротивления R1, индуктивности L1 и емкости С1. Операторная схема замещения для этого режима представлена на рис. 3.
Начальные условия коммутации:
uC1(0) = 0, iL1(0) = 0. (1)
Ток в контуре в период первой коммутации ключа J1 изменяется в соответствии с законом:
где α = –δ+jωсв, b = –δ–jωсв, δ = R1 / 2L1 — коэффициент затухания; ωсв = √ω02–δ2 — частота свободных колебаний в цепи; ω0 = 1 / √L1C1 — резонансная частота цепи.
Согласно уравнению (3), в момент замыкания ключа J1 в контуре образуются затухающие колебания с начальной амплитудой E / ωсвL1.
В период последующего размыкания ключа J1 и одновременного замыкания ключа J2 в контуре, образованном ключом J2, сопротивлением R1, индуктивностью L1 и емкостью C1, продолжают действовать затухающие колебания. Операторная схема замещения для этого режима представлена на рис. 4.
Начальные условия коммутации:
uC1(0) = 0, iL1(0) = i11(tз), (4)
где tз — время замкнутого состояния ключа J1.
Ток в контуре в период коммутации ключа J2 изменяется в соответствии с законом:
Период второго и последующих замыканий ключа J1 сопровождается синхронным сложением тока свободных колебаний колебательного контура и тока источника. Операторная схема замещения для этого режима представлена на рис. 5.
Начальные условия коммутации:
uC1(0) = 0, iL1(0) = i12(tз). (7)
Ток в контуре в период второго и последующих тактов замыкания ключа J1 изменяется в соответствии с законом:
где n = 1, 2…N — число тактов срабатывания электронных ключей.
Анализ полученных выражений показывает, что при каждом последующем замыкании ключа J1 суммарное значение тока в колебательном контуре определяется двумя составляющими: составляющей тока источника и значением тока свободных колебаний, полученного в результате накопления энергии на предыдущих тактах работы ключей.
Для анализируемой схемы при C1 = 1 мкФ, L1 = 1 мГн, R1 = 1 Ом, E = 12 B, tз = 10 мкс осциллограмма тока колебательного контура для 25 тактов работы ключей представлена на рис. 6.
Таким образом, суммарное потребленное значение энергии от источника за n = 25 тактов работы ключей составит:
Накопленное же значение энергии в магнитном поле индуктивности L1 на 25-м такте работы ключей при значении действующего тока 1,414 А составит:
Основным преимуществом высокоэффективных источников электропитания на основе схемы ФАПЧ, в отличие от ранее описанных в работе [1] полумостовых и мостовых схем с элементами синхронизации, является работа транзисторных ключей в так называемом токовом режиме. Благодаря схеме ФАПЧ срабатывание транзисторных ключей происходит в момент времени, когда напряжение на реактивных элементах колебательного контура индуктивности L1 и емкости C1 стремится к нулю. Плавное же увеличение тока в колебательном контуре в результате синхронного сложения тока свободных колебаний с токовой составляющей источника является для транзисторов штатным режимом. Современные транзисторные ключи рассчитаны на значительные рабочие токи и одновременно ограничены в работе по значению обратного напряжения. Практика применения схем ФАПЧ в составе высокоэффективных источников электропитания показала высокую надежность работы электронных ключей. Среди схем ФАПЧ автором на сегодня практически опробованы две известные схемы [2, 3].
Схемотехника построения каскадов съема накопленной энергии на нагрузку в источниках электропитания на базе схем ФАПЧ также была усовершенствована. В мостовой и полумостовой схеме [1] съем накопленной энергии производится с конденсатора колебательного контура в момент действия максимальной амплитуды напряжения (рис. 7). Недостатком данного подхода является необходимость точной синхронизации задающего генератора и генератора управляющих импульсов ключа съема. Способ, использованный в усовершенствованной схеме, основан на частичном отборе энергии с дополнительной съемной емкости С2, которая включена в состав резонансного контура (рис. 8).
Номинал съемной емкости С2 должен быть, ориентировочно, в 10 раз больше резонансной емкости С1. При этом эквивалентное значение последовательно соединенных емкостей С1 и С2
незначительно меньше емкости С1 и в незначительной степени изменяет резонансную частоту. Уменьшение напряжения на резонансной емкости при этом также не превышает 10%. При добротности резонансного контура свыше 10 единиц энергия, снимаемая на нагрузку, превышает потребленное от первичного источника значение.
Таким образом, высокоэффективные импульсные источники электропитания накопительного типа на основе схем ФАПЧ с усовершенствованным способом передачи энергии в нагрузку обладают существенными преимуществами по сравнению с ранее представленными схемами. Подобные источники могут быть изготовлены на бόльшую выходную мощность при одновременном снижении стоимости изделий за счет меньшей стоимости электронных ключей, рассчитанных на меньшее обратное напряжение, и упрощения каскадов съема энергии.
- Менакер К. В., Востриков М. В., Цветаева А. С. Создание высокоэффективных импульсных источников электропитания на основе квадратичного способа накопления энергии // Силовая электроника. 2016. № 1.
- http://realstrannik.com
- http://globalwave.tv/forum/viewtopic.php?f=2&t=157