Создание высокоэффективных импульсных источников электропитания на основе схем ФАПЧ

№ 6’2016
PDF версия
В статье рассматриваются теоретические и практические аспекты создания высокоэффективных импульсных источников электропитания, основанных на квадратичном способе накопления энергии, с использованием схем фазовой автоподстройки частоты.

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).

Анализируемая схема накопительной части высокоэффективного источника

Рис. 1. Анализируемая схема накопительной части высокоэффективного источника

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.

Осциллограммы тока индуктивности и напряжения емкости соответственно

Рис. 2. Осциллограммы тока индуктивности и напряжения емкости соответственно

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.

Операторная схема замещения в период первого замыкания ключа J1

Рис. 3. Операторная схема замещения в период первого замыкания ключа J1

Начальные условия коммутации:

uC1(0) = 0, iL1(0) = 0.              (1)

Ток в контуре в период первой коммутации ключа J1 изменяется в соответствии с законом:

Формула

где α = –δ+св, b = –δ–св, δ = R1 / 2L1 — коэффициент затухания; ωсв = √ω02–δ2 — частота свободных колебаний в цепи; ω0 = 1 / L1C1резонансная 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.

Операторная схема замещения в период замыкания ключа J2

Рис. 4. Операторная схема замещения в период замыкания ключа J2

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:

Формула

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.

Операторная схема замещения в период второго и последующих замыканий ключа J1

Рис. 5. Операторная схема замещения в период второго и последующих замыканий ключа J1

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:

Формула

где n = 1, 2…N — число тактов срабатывания электронных ключей.

Формула

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.

Осциллограмма тока колебательного контура для 25 тактов работы ключей

Рис. 6. Осциллограмма тока колебательного контура для 25 тактов работы ключей

Таким образом, суммарное потребленное значение энергии от источника за n = 25 тактов работы ключей составит:

Формула

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].

Дискретный съем энергии в момент действия на конденсаторе максимальной амплитуды напряжения

Рис. 7. Дискретный съем энергии в момент действия на конденсаторе максимальной амплитуды напряжения

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).

Непрерывный съем энергии с дополнительной емкости

Рис. 8. Непрерывный съем энергии с дополнительной емкости

Номинал съемной емкости С2 должен быть, ориентировочно, в 10 раз больше резонансной емкости С1. При этом эквивалентное значение последовательно соединенных емкостей С1 и С2

Формула

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.

Литература
  1. Менакер К. В., Востриков М. В., Цветаева А. С. Создание высокоэффективных импульсных источников электропитания на основе квадратичного способа накопления энергии // Силовая электроника. 2016. № 1.
  2. http://realstrannik.com
  3. http://globalwave.tv/forum/viewtopic.php?f=2&t=157

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *