Рубрики
Электрическая сопоставимость

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения Борис Гусев Денис Овчинников В статье рассматриваются значительные особенности симметричной работы двухтрансформаторного

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения Борис Гусев
Денис Овчинников

В статье рассматриваются значительные особенности симметричной работы двухтрансформаторного мостового DC-DC преобразователя напряжения при «мягкой» коммутации транзисторов.

По мере надобности обеспечить мощность в нагрузке 1-1,5 кВт либо выше и довольно большенном входном напряжении в транзисторном преобразователе неизменного напряжения (DC-DC преобразователе напряжения) употребляется мостовая схема. При данных критериях она имеет определенные достоинства перед полумостовой (два ключа, образующих стойку силовых транзисторов, включенных меж плюсовой и минусовой шинами входного источника), также перед схемой со средней точкой первичной обмотки силового трансформатора. Все перечисленные схемы, работающие симметрично по полупериодам в режиме ШИМ, по принципу деяния относятся к двухтактным, другими словами передают энергию в нагрузку как в четные, так и в нечетные полупериоды. Вероятны разные варианты построения мостовой схемы:

  • с выходным LC-фильтром;
  • с удвоителем тока на выходе;
  • с встроенным магнитным элементом, выполняющего сразу функции силового трансформатора и выходного дросселя;
  • с двмям силовыми трансформаторами, любой из которых работает в режиме силовой трансформатор — дроссель. Последние три варианта имеют много общего, что

в первый раз было показано на примере несимметричной полумостовой схемы [1].

Двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения показан на рис. 1. Двухтрансформа-торные мостовые схемы известны довольно издавна: в 1993 году был описан резонансный преобразователь напряжения с частотным управлением [2]; в 1990-м предложен ШИМ-преобразователь, не имеющий мягенького переключения, потому что в интервале паузы заперты все силовые транзисторы моста [3]. В 2001 году в первый раз показан двухтрансформаторный мостовой преобразователь напряжения с мягеньким переключением [4]. Рассмотрению двухтрансформаторного мостового преобразователя напряжения посвящена еще одна статья [5], где не считая обыденного симметричного управления ключами (метод 1) предложено несимметричное управление (метод 2), при котором диагонально расположенные силовые транзисторы моста проводят ток фактически сходу вереницей, после маленький паузы.

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения
Рис.1. Схема двухтрансформаторного мостового преобразователя неизменного напряжения

Разглядим особенности симметричной работы двухтрансформаторного мостового DC-DC преобразователя напряжения при «мягкой» коммутации силовых транзисторов по способу фазового сдвига.

К числу этих особенностей (которые нужно учесть при проектировании) следует отнести:

  • состояния схемы за период работы, воздействие порядка коммутации силовых транзисторов на режим их переключения;
  • особенности работы и расчета силовых трансформаторов;
  • пульсации напряжения на выходе, воздействие паразитных характеристик компонент;
  • воздействие индуктивности рассеяния обмоток силового трансформатора на свойства устройства.

При анализе подразумевается, что силовые трансформаторы выполнены идиентично, их обмотки не имеют индуктивности рассеяния, силовые транзисторы и диоды ведут себя как безупречные ключи, индуктивности намагничивания силовых трансформаторов линейны и приведены к первичным обмоткам, выходной конденсатор — неограниченно большой емкости.

Существует четыре временных интервала, для каждого справедлива своя схема замещения.

Интервал 1 (интервал импульса 1), рис. 2.

На рисунке каждый силовой трансформатор показан как безупречный (без сердечника), с индуктивностью намагничивания Lμ1 (Lμ2), присоединенной к первичной обмотке. Силовые транзисторы и диоды показаны в виде ключей, конденсатор фильтра (Cф) и нагрузка Rн изменены источником неизменного напряжения Uвых. На рисунке стрелками показаны направления токов, принятые за положительные.

Во включенном состоянии находятся силовые транзисторы Т1, Т4, транзисторы Т2, Т3 заперты. Диодик D1 проводит ток, диодик D2 заперт суммой напряжений на вторичных обмотках силовых трансформаторов Тр1, Тр2. В данном интервале трансформатор Тр1 передает энергию на выход, Тр2 работает как дроссель, сдерживая нарастание тока в первичной цепи. Отсутствие тока i22 в обмотке W22 значит, что будет нулевым ток i21 в первичной обмотке этого же силового трансформатора. Фактическое напряжение на индуктивности L 1 не совпадает с направлением тока в ней, потому ток iµ1 понижается. Ток iµ2 — растет.

Интервал 2 (интервал паузы 1), рис. 3.

По окончании первого интервала выключается силовой транзистор T 4, и после недлинной паузы врубается транзистор Т3. Состояние левой стойки транзисторов не меняется. Напряжение меж точками а и б схемы равно нулю, потому полярность напряжения на обмотке W21 и на индуктивности намагничивания Lμ2 меняется на оборотную; диодик D2 проводит ток i22 . В силу симметрии работы схемы в данном интервале ток i2 (ток, проходящий через источник напряжения Uвых на схеме замещения) появляется равными токами i12, i22, проходящими через обмотки W12, W22 и диоды D1, D2.

Ток в индуктивности Lμ1 продолжает спадать, проходя в положительном направлении, спадает и ток в Lμ2, так как к первичной обмотке W12 (и, как следует, к Lμ2) приложено пересчитанное напряжение Uвых в полярности, обратной исходной. Из произнесенного следует, что ток i1 в данном интервале должен скачком снизиться на величину 0,5I2 (i2' = i2n; n = W12/W11 = W12/W21 — коэффициент трансформации, однообразный для Тр1 и Тр2).

Интервал 3 (интервал импульса 2), рис. 4.

После запирания силового транзистора Т1 и отпирания транзистора Т2 точки а и б схемы подключены к источнику Uвх в полярности, обратной той, что была в интервале 1. Сейчас передача энергии с первичной стороны осуществляется силовым трансформатором Тр2, а Тр1 делает функцию дросселя. Ток во вторичной цепи проходит через диодик D2, а диодик D1 заперт. Происходит нарастание тока i22.

Интервал 4 (интервал паузы 2), рис. 5.

Данный интервал начинается с запирания силового транзистора Т3 и отпирания Т4. Два нижних ключа (Т2 и Т4) и оба выходных диодика проводят токи. Фактическое направление тока i1 обратно направлению этого тока в интервале 2.

В итоге анализа схем замещения (рис. 2-5) построены временные диаграммы работы двухтрансформаторного преобразователя напряжения, в каких учтены принятые допущения, а именно отсутствие индуктивностей рассеивания обмоток силовых трансформаторов (рис. 6). Недлинные паузы меж переключением силовых транзисторов каждой стойки на диаграммах не учитываются. Продолжительности фронтов и спадов импульсов токов и напряжений приняты на диаграммах равными нулю вследствие идеализации характеристик компонент схемы. Из диаграмм следует, что в каждом силовом трансформаторе ток намагничивания имеет постоянную составляющую Iμ1(Iμ2). Так как схема симметричная и трансформаторы однообразные, соблюдается ра
венство Iμ = Iμ1 = Iμ2. Определение тока Iμ нужно для расчета силового трансформатора.

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения
Рис. 6. Временные диаграммы токов и напряжений при допущениях, принятых при анализе

В первичной обмотке каждого безупречного трансформатора проходит неизменная составляющая тока, равная nI2/2. Как следует, в индуктивности Lμ1 (Lμ2) проходит тот же неизменный ток в направлении, показанном на рис. 2-5. На первичной обмотке каждого силового трансформатора напряжение равно Uвых/n в 3-х интервалах и (Uвх — Uвых/n) в обратной полярности в четвертом. Неизменное (среднее) напряжение на первичной обмотке (на индуктивности Lμ) за период должно быть равно нулю.

Получим регулировочную характеристику (РХ) преобразователя напряжения — зависимость выходного напряжения от коэффициента наполнения импульсов, используя вольт-секундный баланс на первичной обмотке 1-го из силовых трансформаторов. За ранее определим коэффициент наполнения импульсов:

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения

где Т- период переключения.

Тогда относительное время паузы равно:

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения

Уравнениевольтсекундного баланса:

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения

откуда следует:

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения(1)

Реально выходное напряжение преобразователя зависимо от управляющего сигнала (D) выходит меньше, чем предсказывается соотношением (1). Главные предпосылки — падение напряжения на открытых силовых транзисторах и диодиках, печатных проводниках платы; воздействие индуктивности рассеяния обмоток силовых трансформаторов; наличие коммутационных промежутков, когда включенными оказываются выходные диоды обоих плеч, вызванных снова же индуктивностью рассеяния. Последняя причина понижения Uвых становится все более приметной при возрастании частоты переключения.

Для расчета силового трансформатора следует использовать соотношение, связывающее произведение сечения сердечника (Sс ) на площадь окна (Sо) на площадь окна (Sо) с мощностью трансформатора.

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения(2)

где PТ- сумма расчетных мощностей первичной и вторичной обмоток силового трансформатора [ВА]; Kф = 1 — коэффициент формы (отношение действующего значения напряжения к среднему); Bm — амплитуда переменной составляющей индукции в сердечнике, зависящая от материала сердечника и частоты [Тл]; f- частота трансформатора [Гц]; Kj- коэффициент, имеющий размерность плотности тока, зависящий от данного перегрева и геометрии сердечника [А/см2]; Kи — коэффициент использования окна сердечника; y — безразмерный показатель степени, теоретическое значение которого равно — 0,12.

Плотность тока j связана с коэффициентом KJ соотношением:

j=Kj(SсSо)

Соотношение (2) аналогично приведенным в работах других создателей [6, 7]. При использовании (2) формы напряжений и токов следует задавать близкими к режиму D = 1. КПД трансформатора, требуемый для определения PТ, принимается равным 0,97-0,99. Используя справочные данные, выбирается стандартный сердечник соответственного размера. Должно производиться неравенство:

(SсSо)CT≥SсSо

где SсSо — итог, приобретенный в процессе расчетов согласно (2).

Число витков первичной обмотки:

Транзисторный двухтрансформаторный мостовой DC-DC преобразователь напряжения(3)

Коэффициент трансформации n, предельные значения коэффициента наполнения Dmin и Dmax определяются при использовании регулировочной