Квазирезонансные преобразователи с дозированной передачей энергии

В силу своих свойств квазирезонансные преобразователи с дозированной передачей энергии (КПДПЭ) занимают особое место среди устройств силовой электроники. Их особенность состоит в наличии дозирующего конденсатора, включенного последовательно в цепь источника питания и нагрузки на этапе передачи энергии. Достоинством таких преобразователей является ограничение энергии на периоде модуляции, что определяет их надежную работу на высоко динамичную нагрузку, изменяющуюся в широких пределах, вплоть до короткого замыкания. Благодаря мягкой коммутации снижены коммутационные потери в силовых ключах и уменьшен уровень помехоэмиссии.

Преобразователи нашли удачное применение для регулирования выходных параметров в устройствах заряда емкостных накопителей, сварочных и плазменных аппаратов, технологических лазеров, устройств питания источников света [1–5, 7].

Известны фундаментальные работы [1, 2], в которых рассмотрены принципы построения и характеристики КПДПЭ на однооперационных тиристорах. Использование полностью управляемых ключей позволяет повысить их быстродействие и расширить область применения преобразователей.

Теория КПДПЭ на полностью управляемых ключах, питающих активную линейную и нелинейную нагрузку переменным током повышенной частоты, рассмотрена в [3]. Настоящая статья посвящена принципам построения, работы и статическим характеристикам КПДПЭ с выходом на постоянном токе.

Итак, общим для рассматриваемых преобразователей является наличие резонансного (дозирующего) конденсатора, уровень напряжения на котором ограничен с помощью фиксирующих диодов. На этапе потребления энергии от источника питания последовательно с конденсатором включен резонансный реактор. По достижении напряжением на конденсаторе напряжения питания или нулевого значения на этапе его разряда включается один из фиксирующих диодов. Резонансная цепь распадается, и конденсатор исключается из цепи протекания тока.

В зависимости от места включения резонансного реактора преобразователи можно разделить на три группы:

• преобразователи с резонансным реактором в цепи постоянного тока;
• преобразователи с резонансным реактором в цепи переменного тока;
• преобразователи с двумя резонансными реакторами, один из которых в цепи переменного тока, а другой в цепи постоянного тока.

Схемная реализация, принцип работы и характеристики некоторых преобразователей первой группы на полностью управляемых ключах совпадают с известными схемами на тиристорах [1]. Добавленное свойство — повышенная частота коммутации и, соответственно, быстродействие.

Типовые схемы преобразователей первой группы и временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие их работу, представлены соответственно на рис. 1 и 2.

Рис. 1. КПДПЭ с резонансным реактором в цепи постоянного тока

В преобразователях (рис. 1а, б) транзисторы VT1, VT2 включаются поочередно, но отпирающие импульсы разнесены по времени, что позволяет избежать одномоментной проводимости силовых управляемых ключей. Включение одного транзистора обеспечивает заряд дозирующего конденсатора С1, а другого — разряд. Фиксирующие диоды VD1, VD2 отключают дозирующий конденсатор при достижении напряжением на нем пороговых значений и создают цепь для протекания тока резонансного реактора. Транзисторы выключаются при нулевом напряжении на них, которое устанавливается по окончании процесса перезаряда дозирующего конденсатора, и нулевом токе. Среднее значение тока через транзистор не превышает половины тока нагрузки. Максимальное напряжение на транзисторах равно напряжению питания V.

Преобразователи (рис. 1а, б) имеют относительно низкий коэффициент использования напряжения источника питания. Максимальное напряжение на выходе преобразователей не превышает половины напряжения питания (k_V = V_Hmax / V = 0,5), что становится определенным недостатком таких схем.

Преобразователь (рис. 1в) является аналогом известной схемы на тиристорном мосте с дозирующим конденсатором в диагонали переменного тока [1]. Однако алгоритм его работы существенным образом отличается от прототипа (рис. 2б). Транзисторы VT1, VT2 включаются одновременно в момент t₀, когда напряжение на дозирующем конденсаторе С1, заряд которого осуществлялся через диоды VD1, VD2, достигло напряжения питания. Выключение транзисторов производится в момент достижения напряжения на дозирующем конденсаторе нулевого значения (момент t₁), то есть их запирание происходит при нулевом напряжении на них. Далее конденсатор С1 заряжается через диоды VD1, VD2. При достижении в момент t₂ напряжения питания на С1 открывается диод VD3, замыкая на себя ток резонансного реактора. В отличие от схем (рис. 1а, б) система управления преобразователя (рис. 1в) должна быть снабжена датчиком контроля нуля напряжения на дозирующем конденсаторе. Положительным свойством преобразователя является высокий коэффициент использования источника питания.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжений и токов:
а) в преобразователях рис. 1а, б;
б) в преобразователе рис.1в

В преобразователях первой группы возможны режимы непрерывного, граничного и прерывистого тока реактора. С точки зрения минимальных потерь в силовых ключах на этапе включения целесообразно работать в режимах граничного и прерывного тока. Поэтому при работе на динамичную нагрузку, допускающую режимы токовых перегрузок и коротких замыканий, следует использовать быстродействующую систему контроля тока, например релейную однопозиционную.

Для преобразователей первой группы, если не учитывать внутренние потери энергии, справедлива известная фундаментальная формула, согласно которой мощность, передаваемая нагрузке, равна мощности, отбираемой от источника питания на этапе заряда дозирующего конденсатора:

P_н = V_нI_н = P = kCV²f,                 (1)

где коэффициент k зависит от схемы преобразователя (k = 1 для рис. 1а, б и k = 2 для рис. 1в).

Нормализованные вольт-амперные характеристики (ВАХ) преобразователей первой группы согласно (1) имеют вид, представленный на рис. 3. Регулирование осуществляется изменением частоты. При постоянстве частоты преобразователь имеет характеристики стабилизатора мощности в нагрузке.

Рис. 3. ВАХ преобразователей рис. 1

Преобразователи второй группы (рис. 4) строятся на базе последовательного резонансного инвертора [4, 5]. Поэтому их свойства и характеристики несколько отличаются от КПДПЭ первой группы. В преобразователях второй группы в течение периода модуляции имеются этапы возврата энергии источнику питания, что существенно влияет на их характеристики. Повышается уровень защиты от режимов короткого замыкания нагрузки независимо от наличия электронных средств управления и защиты.

Рис. 4. КПДПЭ с резонансным реактором в цепи переменного тока

Преобразователи могут выполняться как с согласующим трансформатором (рис. 4а, б), так и без него (рис. 4в, г). Для преобразователей второй группы в общем виде действует формула, учитывающая этап частичного возврата энергии, накопленной в резонансном реакторе:

P_н = V_нI_н = P – Р_возв= kCV²f – Р_возв.     (2)

Следует отметить, что эта зависимость (2) справедлива для так называемого основного режима, когда в процессе работы резонансный конденсатор перезаряжается до предельных значений, определяемых включением фиксирующих диодов. В «вырожденном» режиме это условие не выполняется, и преобразователь работает как резонансный.

Формула (2) указывает на то, что ток нагрузки в преобразователе второй группы ограничен в отличие от преобразователя первой группы, где ток согласно формуле (1) стремится к бесконечности при нулевом напряжении нагрузки.

Временные диаграммы работы наиболее популярного преобразователя (рис. 4а) [4, 5] приведены на рис. 5а. На рис. 6 даны эквивалентные расчетные схемы для возможных временных интервалов его работы, независимо от выполнения схемы выпрямления на вторичной стороне.

Рис. 5. Временные диаграммы токов и напряжений преобразователей:
а) рис. 4а;
б) рис. 4в

Рис. 6. Эквивалентные расчетные схемы преобразователя рис. 4а:
а) интервал t0–t1 — возврат энергии в источник питания;
б) интервал t1– t2 — потребление энергии от источника питания;
в) интервал t2– t3 — передача энергии от реактора в нагрузку

В таблице приведены аналитические зависимости, характеризующие работу преобразователя (рис. 4а). Формулы получены без учета тока намагничивания трансформатора. Резонансную индуктивность образует индуктивность рассеяния трансформатора L = L_S1 + L_S2^*, где L_S2^* = n²L_S2 — индуктивность рассеяния вторичной обмотки, приведенная к первичной стороне; L_S1 — индуктивность рассеяния первичной обмотки; n = w₁/w₂ — коэффициент трансформации. При расчетах напряжение на нагрузке полагалось идеально сглаженным. В расчетных эквивалентных схемах нагрузка представлена как источник напряжения V_н, которое равно напряжению на нагрузке, приведенному к первичной стороне для трансформаторных схем, и напряжению на конденсаторах С2, С3 для преобразователей (рис. 4в, г). Ток I_н в таблице равен среднему значению тока резонансного реактора.

Преобразователь (рис. 4г) обеспечивает коэффициент использования источника по напряжению, равный единице (k_V = V_Hmax / V = 1), за счет схемы удвоения напряжения. Заряд конденсатора фильтра С2 производится на первом полупериоде, а С3 — на втором.

В работе преобразователей (рис. 4б, г) есть нюансы, которые, впрочем, незначительно влияют на их статические и динамические характеристики. В отличие от схем (рис. 4а–в) в преобразователе (рис. 4г) на интервале t₀–t₁ источник напряжения V_H включен согласно с током. Работа преобразователя (рис. 4г) на этом интервале характеризуется передачей энергии от нагрузки в источник питания. Преобразователь использует схему удвоения напряжения нагрузки и выгодно отличается от схемы (рис. 4в) более высоким КПД за счет меньшего количества вентилей в цепи протекания тока и более низкого уровня напряжения на силовых управляемых ключах (рис. 5б). Недостатком является необходимость большей емкости выходного фильтра при одном и том же коэффициенте сглаживания.

Трансформатор Т1 преобразователя (рис. 4б) имеет две первичные обмотки. Первая обмотка загружена током на первом полупериоде, а вторая — на втором. Однако на интервале t₀–t₁ схема замещения более сложная, поскольку возможно протекание тока одновременно в обеих первичных обмотках. Так, при запирании транзистора VT1 ток протекает по контуру (–V–VD2–w1–VD3–+V), и при включении VT2 начинает одновременно протекать ток в обмотке w2. Достоинство подобного преобразователя — повышенная надежность, поскольку первичные обмотки включены последовательно между силовыми ключами, что не допускает резкого нарастания тока в аварийных процессах.

В относительных единицах аналитическое выражение для ВАХ, полученное с использованием формул (1.1) и (1.10), имеет вид

где

На рис. 7 приведены нормализованные ВАХ преобразователей с резонансным реактором в цепи переменного тока для различных рабочих частот, полученные с использованием имитационной модели. На ВАХ маркером обозначены значения токов и напряжений, рассчитанные по формулам (3) и (4). В качестве базовых значений приняты напряжение V_н = 0,5V и ток нагрузки I_H = 2VCf₀ = V / (p√L/C) при частоте, равной резонансной, что соответствует режиму граничного тока при максимально возможном выходном напряжении.

Рис. 7. ВАХ преобразователей рис. 4

ВАХ имеют характерную точку перегиба, указывающую на переход к квазирезонансному режиму с повышением нагрузки. Видно, что ток короткого замыкания уменьшается с ростом частоты. Это свойство квазирезонансной схемы с дозированной передачей энергии часто используется для ограничения аварийных токов и токов перегрузки в резонансных преобразователях [6]. При снижении частоты ток короткого замыкания увеличивается, но не превышает амплитудного значения I_кз< V / √L/C. Поэтому преобразователи второй группы не критичны к коротким замыканиям нагрузки и не требуют специально спроектированных средств защиты.

При снижении частоты ниже резонансной на ВАХ появляются участки, соответствующие режиму прерывного тока резонансного реактора. ВАХ на этом участке определяется формулой (1), то есть преобразователь работает в режиме стабилизатора мощности. Условием перехода к прерывистому току является снижение тока I₀ до 0 (отсутствует интервал возврата энергии). Аналитическое выражение, при котором выполняется данное условие, получено из формулы (4) и в относительных единицах имеет вид

Кривая граничного тока резонансного реактора для частот работы меньше резонансной показана прерывной линией на графике (рис. 7).

В трансформаторных схемах, из-за наличия тока намагничивания, кривая первичного тока несколько отличается. Однако это обстоятельство практически не влияет на статические характеристики преобразователей при условии, что индуктивность намагничивания значительно превышает индуктивность рассеяния обмоток трансформатора. Более того, ток намагничивания полезен для мягкой коммутации силовых ключей, поскольку обеспечивает полный перезаряд выходной емкости коммутируемого транзистора (или емкостного снаббера) на этапе выключения. Поэтому согласующий трансформатор следует конструировать с учетом ограничений, накладываемых на значения индуктивностей рассеивания и намагничивания из условия обеспечения требуемого значения резонансной частоты и высокой эффективности преобразователя [5, 7].

Рис. 8. Временные диаграммы работы преобразователя (рис. 4а) при АШИМ-регулировании

Преобразователи второй группы по сравнению с КПДПЭ первой группы имеют более широкие возможности по способам регулирования выходных параметров. Регулирование может осуществляться изменением рабочей частоты как выше, так и ниже резонансной, а также путем асимметричной широтно-импульсной модуляции (АШИМ).

С точки зрения снижения потерь в силовых ключах предпочтительно регулирование на частоте ниже резонансной. Однако такой способ ухудшает условия фильтрации входного и выходного тока, а потому целесообразен там, где диапазон регулирования частоты ограничен.

Использование АШИМ в преобразователях с дозированной передачей энергии представляет особый интерес. Результаты исследования АШИМ-преобразователя, выполненного по схеме рис. 4а, приведены в [5]. На рис. 4 представлены нормализованные вольт-ампер­ные характеристики преобразователя. ВАХ имеют падающий характер. Ток короткого замыкания ограничен. Диапазон регулирования широкий. При выходном напряжении V_н* = (0,7–0,95) изменение коэффициента заполнения D в пределах 50–10% приводит к регулированию тока от 100% до 6–8%. Преобразователь обладает высокой эффективностью, поскольку сохраняется мягкое включение силовых транзисторов при нуле напряжения и тока.

Применение асимметричного ШИМ в преобразователе (рис. 4г) ограничено, поскольку при снижении коэффициента заполнения D возможен переход к жесткому включению силовых транзисторов.

Рис. 9. ВАХ преобразователя (рис. 4а) при АШИМ-регулировании

Преобразователи третьей группы — это преобразователи второй группы с выходным фильтром, начинающимся с реактора. Таким образом, в преобразователе два резонансных реактора. Один из резонансных реакторов включен последовательно с нагрузкой и обеспечивает сглаживание тока, а второй находится в цепи переменного тока. Благодаря реактору в цепи переменного тока реализуется режим мягкого включения силовых транзисторов при непрерывном токе в выходном реакторе L2. Достоинством преобразователей третьей группы является низкий уровень динамических потерь в силовых ключах, а также отсутствие ограничений для АШИМ-регулирования. Недостаток — более высокая сложность (дополнительный реактор и два фиксирующих диода).

Рис. 10. Схема силовой части осциллограммы работы КПДПЭ третьей группы при частотном и АШИМ-регулировании

На рис. 10 в качестве примера приведена схема силовой части (а) и осциллограммы работы одного из таких преобразователей при частотном (б) и АШИМ (в) регулировании. На рис. 11 показаны эквивалентные схемы для различных интервалов работы, в соответствии с осциллограммами (рис. 10б). На интервале t₀–t₁ происходит сброс энергии, накопленной в реакторе L1. При этом ток реактора L2 замыкается через диоды VD5, VD6 и нагрузку. На интервале t₁–t₂ дозирующий конденсатор С1 начинает перезаряжаться током реактора L1 и достигает в момент t₂ значения тока реактора L2. Реакторы на интервале t₂–t₃ образуют с источником питания V и диодом VD6 последовательную цепь дальнейшего заряда конденсатора С1. При заряде С1 до напряжения питания ток начинает замыкаться через диод VD3 (интервал t₃–t₄). В момент t₄ транзистор VT1 запирается, и вновь возникает этап возврата в источник питания энергии, накопленной в реакторе L1.

Рис. 11. Эквивалентные расчетные схемы КПДПЭ (рис. 10а)

Если предположить, что ток в реакторе L2 идеально сглажен, то для ВАХ преобразователей третьей группы получим расчетное выражение

которое следует из формулы

фиксирующей тот факт, что энергия, передаваемая нагрузке, равна энергии дозирующего конденсатора за вычетом энергии, возвращенной источнику питания реактором L1. В относительных единицах ВАХ имеет следующий вид:

V_н* = V_н/0,5V; I_н* = I_н/2VCf_ном; f_* = f/f_ном; f₀ = 1 / 2p√LC; f_ном — частота, соответствующая передаче максимальной мощности в нагрузку для случая L = 0.

Формулы (6–8) действуют для основного режима работы, когда включаются фиксирующие диоды VD3, VD4. При выходе из этого режима преобразователь работает как резонансный.

На рис. 12 изображены ВАХ, полученные с использованием имитационной модели преобразователя для различных рабочих и резонансных частот, а также коэффициента заполнения D при АШИМ-регулировании. На ВАХ маркерами нанесены значения тока и напряжения, рассчитанные по формуле (8). Особенностью регулирования, осуществляемого путем снижения рабочей частоты ниже номинальной, является практически неизменный ток короткого замыкания, что строго соответствует полученным аналитическим выражениям. При повышении рабочей частоты по отношению к номинальной ток короткого замыкания уменьшается (кривая 4 на рис. 12).

Рис. 12. ВАХ КПДПЭ третьей группы

АШИМ дает возможность осуществить глубокое регулирование тока и напряжения. Регулирование в режиме АШИМ реализуется путем изменения времени, предоставляемого для заряда дозирующего конденсатора. В результате напряжение на нем плавно снижается по мере уменьшения времени проводимости силового ключа t_VT1 и, соответственно, коэффициента заполнения D = t_VT1 / T. Работа в основном режиме характеризуется возникновением ситуации, когда действует только диод, фиксирующий напряжение на дозирующем конденсаторе на нулевом уровне.

В заключение следует отметить, что при параллельной работе преобразователей второй и третьей группы возможна реализация фазосдвигающей ШИМ. Такие же возможности имеют мостовые схемы этих преобразователей.

Заключение

Результаты анализа схем и статических характеристик квазирезонансных преобразователей с дозированной передачей энергии на полностью управляемых ключах позволяют сделать следующие выводы.

Преобразователи с резонансным реактором в цепи переменного тока (вторая и третья группа):

• обеспечивают естественное (без использования замкнутых систем регулирования) ограничение тока короткого замыкания;
• имеют широкие возможности по способу регулирования выходных параметров (ЧИМ и асимметричный ШИМ);
• реализуют режим мягкой коммутации силовых ключей при глубоком регулировании выходного тока и напряжения;
• обеспечивают реализацию гальванической развязки и согласования с нагрузкой при помощи трансформатора, работающего на повышенной частоте;
• перспективны для приложений с высоко динамичными режимами и перегрузками по току;
• для повышения экономичности могут работать как резонансные, переходя к квазирезонансным схемам в переходных и перегрузочных режимах [6].

Преобразователи с резонансным реактором в цепи постоянного тока (первая группа) перспективны для приложений с высоко динамичными режимами, однако имеют ограничения по применению, поскольку:

• требуют усложнения системы управления для обеспечения режима мягкой коммутации силовых ключей;
• осуществляют регулирование выходных параметров только изменением частоты ниже номинальной;
• гальваническая развязка требует использования дополнительного преобразователя.