Двухтактный преобразователь напряжения: принцип работы, схемы и применение

alexxlabПреобразовател
Как работает двухтактный преобразователь напряжения. Какие бывают схемы двухтактных преобразователей. Где применяются двухтактные преобразователи напряжения. Каковы преимущества и недостатки двухтактных преобразователей.

Содержание

Принцип работы двухтактного преобразователя напряжения

Двухтактный преобразователь напряжения — это устройство, которое преобразует постоянное напряжение одного уровня в постоянное или переменное напряжение другого уровня. Основной принцип его работы заключается в попеременном переключении двух транзисторов, подключенных к первичной обмотке трансформатора.

Как работает двухтактный преобразователь напряжения.

  1. Входное постоянное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора через два ключевых транзистора.
  2. Транзисторы поочередно открываются и закрываются, создавая в первичной обмотке переменный ток.
  3. Во вторичной обмотке трансформатора индуцируется переменное напряжение.
  4. Это напряжение выпрямляется и сглаживается, формируя выходное постоянное напряжение нужного уровня.

Таким образом, за счет попеременной работы двух транзисторных ключей осуществляется эффективное преобразование напряжения.


Основные схемы двухтактных преобразователей

Существует несколько базовых схем двухтактных преобразователей напряжения:

Полумостовая схема

В полумостовой схеме используются два транзистора, подключенных последовательно между плюсом и минусом источника питания. Первичная обмотка трансформатора подключается между средней точкой транзисторов и средней точкой двух конденсаторов, образующих емкостный делитель напряжения.

Мостовая схема

Мостовая схема содержит четыре транзистора, образующих мост. Первичная обмотка трансформатора подключается между двумя диагоналями моста. Такая схема позволяет получить более высокую выходную мощность.

Схема с отводом от середины первичной обмотки

В этой схеме используется трансформатор с отводом от середины первичной обмотки. Два транзистора поочередно подключают половины первичной обмотки к источнику питания.

Применение двухтактных преобразователей напряжения

Двухтактные преобразователи напряжения широко применяются в различных областях электроники и электротехники:

  • Источники бесперебойного питания (ИБП)
  • Импульсные блоки питания
  • Инверторы для солнечных батарей
  • Сварочные аппараты инверторного типа
  • Преобразователи напряжения для автомобильной электроники
  • Зарядные устройства
  • Усилители мощности звуковой частоты

Где еще используются двухтактные преобразователи напряжения. В системах электропитания космических аппаратов и спутников двухтактные преобразователи применяются для преобразования напряжения солнечных батарей в стабилизированное напряжение бортовой сети. В медицинском оборудовании, например в рентгеновских аппаратах, с помощью двухтактных преобразователей формируют высоковольтное напряжение для питания рентгеновской трубки.

Преимущества двухтактных преобразователей

Двухтактные преобразователи напряжения обладают рядом важных преимуществ:

  • Высокий КПД (до 95% и выше)
  • Возможность получения большой выходной мощности
  • Хорошее использование магнитопровода трансформатора
  • Отсутствие подмагничивания сердечника постоянным током
  • Низкий уровень пульсаций выходного напряжения
  • Широкий диапазон регулирования выходного напряжения

Какие еще преимущества имеют двухтактные преобразователи. Они обеспечивают гальваническую развязку между входом и выходом, что повышает безопасность. Также двухтактные преобразователи позволяют легко реализовать мягкое переключение транзисторов, что снижает коммутационные потери.

Недостатки двухтактных преобразователей

Несмотря на преимущества, двухтактные преобразователи имеют и некоторые недостатки:

  • Более сложная схема управления транзисторами
  • Необходимость точного согласования параметров транзисторов
  • Возможность сквозных токов при одновременном открытии транзисторов
  • Более высокая стоимость по сравнению с однотактными преобразователями

Каковы еще недостатки двухтактных преобразователей. Они требуют применения трансформатора, что увеличивает габариты устройства. Также при работе на высоких частотах возрастают динамические потери в транзисторах.

Особенности расчета двухтактных преобразователей

При расчете двухтактных преобразователей напряжения необходимо учитывать ряд важных аспектов:

  1. Выбор рабочей частоты преобразования. От нее зависят габариты трансформатора и потери в ключевых элементах.
  2. Расчет параметров трансформатора (число витков обмоток, сечение провода, тип сердечника).
  3. Выбор типа и расчет параметров силовых транзисторов.
  4. Расчет цепей управления затворами транзисторов.
  5. Определение параметров выходного фильтра.

Что еще нужно учитывать при расчете двухтактных преобразователей. Важно обеспечить симметричность работы обоих плеч схемы. Также необходимо предусмотреть защиту от сквозных токов и перенапряжений на транзисторах.

Современные тенденции в развитии двухтактных преобразователей

В настоящее время развитие двухтактных преобразователей напряжения идет по нескольким основным направлениям:

  • Повышение рабочей частоты для уменьшения габаритов
  • Применение новых магнитных материалов для сердечников трансформаторов
  • Использование транзисторов на основе карбида кремния и нитрида галлия
  • Внедрение цифровых методов управления
  • Разработка резонансных топологий для снижения коммутационных потерь

Какие еще современные тенденции наблюдаются в развитии двухтактных преобразователей. Активно развиваются методы синхронного выпрямления на вторичной стороне для повышения КПД. Также ведутся работы по созданию интеллектуальных систем управления с адаптацией параметров преобразователя к изменяющимся условиям работы.

Сравнение двухтактных и однотактных преобразователей

Двухтактные преобразователи имеют ряд отличий от однотактных схем:

Параметр ДвухтактныеОднотактные
КПДВышеНиже
Выходная мощностьВышеНиже
Использование трансформатораЛучшеХуже
Пульсации выходного напряженияМеньшеБольше
Сложность схемы управленияВышеНиже

Чем еще отличаются двухтактные преобразователи от однотактных. В двухтактных схемах отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, что позволяет использовать сердечники меньших размеров. Однако двухтактные преобразователи требуют более точного подбора параметров элементов схемы.


Двухтактный преобразователь с защитой от перегрузки

Предлагаю вниманию читателей усовершенствованный вариант преобразователя напряжения, описанного в моей статье «Маломощный двухполярный преобразователь напряжения» («Радио», 2017, № 10, с. 15, 16). Новые качества удалось реализовать, использовав свободные ранее выводы микроконтроллера и переделав его программу.

Схема обновлённого преобразователя показана на рис. 1. Как и в исходном варианте, в нём имеется узел «мягкого» пуска преобразователя, состоящий из транзистора VT1, конденсатора C2 и резисторов R5 и R6. Однако затвор транзистора VT1 соединён через резистор R5 с выходом PB3 микроконтроллера, что позволяет программно управлять этим узлом.

Рис. 1. Схема обновлённого преобразователя

 

Часть плюсового выходного напряжения преобразователя поступает через делитель напряжения из резисторов R1 и R2 для контроля на вход ADC2 микроконтроллера, служащий в данном случае входом встроенного аналогового компаратора. При указанных на схеме номиналах резисторов делителя транзистор VT1 выключает силовую часть преобразователя при выходном напряжении любой полярности менее 6 В, так как при перегрузке минусового выхода снижается и напряжение на плюсовом. Одновременно программа включает светодиод HL1, сигнализируя о неполадке. Для повторного запуска преобразователя необходимо выключить и вновь включить его питание.

Сопротивление резисторов делителя напряжения выбрано исходя из того, что при выходных напряжениях, находящихся в допустимых пределах, напряжение на входе ADC2 должно быть больше 1,1 В, но меньше напряжения питания микроконтроллера. Так что программа микроконтроллера контролирует не ток нагрузки, а выходное напряжение. Выбор такого принципа работы защиты стал возможен вследствие относительно большого внутреннего противления преобразователя и достаточной перегрузочной способности его силовой части.

Преобразователь смонтирован на печатной плате размерами 40×28 мм, изображённой на рис. 2. Она изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита. Переходные отверстия, показанные на рис. 2 залитыми, металлизированы или в них вставлены и пропаяны с двух сторон перемычки из отрезков неизолированного провода. Плата рассчитана на установку микроконтроллера ATtiny25-20PU в корпусе DIP-8, для которого предусмотрена панель, танталовых оксидных конденсаторов TECAP в корпусах C и D. Остальные конденсаторы и резисторы типоразмера 1206 для поверхностного монтажа.

Рис. 2. Печатная плата преобразователя и детали на ней

 

Для уменьшения числа переходных отверстий для выводов трансформатора предусмотрены разнесённые по плате контактные площадки, номера подключаемых к ним выводов трансформатора обозначены на рис. 2 цифрами красного цвета. Сам трансформатор T1 установлен поверх компонентов и зафиксирован каплей клея. Его намоточные данные приведены в упомянутой выше статье.

Конфигурация микроконтроллера DD1 должна быть запрограммирована в соответствии с таблицей. Она предусматривает его тактирование от внутреннего RC-генератора с частотой 8 МГц. Встроенный умножитель тактовой частоты (узел ФАПЧ) не используется, поэтому таймер-счётчик T/C1 работает на основной тактовой частоте. Дело в том, что, проверяя форму выходного напряжения, я обнаружил короткие выбросы, порождаемые работой узла ФАПЧ, и отказался от него, чтобы избежать проблем, связанных с подавлением этих выбросов в готовом устройстве.

Таблица

Старший байт

Младший байт

Разряд

Знач.

Разряд

Знач.

RSTDISBL

1

CKDIV8

1

DWEN

1

CKOUT

1

SPIEN

0

SUT1

1

WOTON

1

5UT0

0

EESAVE

1

CKSEL3

0

BODLEVEL2

1

CKSEL2

0

BODLEVEL1

1

CKSEL1

1

BODLEVEL0

1

CKSEL0

0

1- не запрограммировано

0 — запрограммировано

 

После инициализации микроконтроллера и его узлов в программе предусмотрена небольшая (0,5 с) пауза перед включением защиты от перегрузки. Она предотвращает срабатывание защиты во время запуска преобразователя. В процессе работы программа периодически проверяет состояние выхода встроенного компаратора — разряда ACO регистра ACSR. Если ACO=1, она закрывает транзистор VT1, выключая преобразователь. Чтобы выйти из этого состояния, необходимо выключить напряжение питания преобразователя и вновь включить его.

В регистре DTPS1 микроконтроллера задан коэффициент деления предварительного делителя тактовой частоты таймера T/C1. Например, при тактовой частоте 8 МГц, коде 01 в разрядах DTPS11, DTSR10, соответствующем коэффициенту деления 2, и максимальном значении 15 в регистре «мёртвого времени» DT1A (DTVALA согласно tn25def.inc) будут сформированы бестоковые паузы длительностью 2×15/8=3,75 мкс. Оптимальную длительность этих пауз я подбирал опытным путём, ориентируясь на потребляемый преобразователем ток и отсутствие искажений формы импульсов на стоках ключевых транзисторов. При слишком коротких паузах силовые ключи не успевают закрываться, что ведёт к увеличению потребляемого тока, а при слишком длинных паузах появляются искажения, хорошо видимые на осциллограмме рис. 3. Она снята на стоке транзистора VT2.

Рис. 3. Осциллограмма импульсов

 

На рис. 4 изображена осциллограмма напряжения в той же точке при оптимальных бестоковых паузах. На ней виден и небольшой выброс напряжения в момент закрывания транзистора. В обоих случаях коэффициент отклонения луча по вертикали — 5 В/дел., а скорость развёртки — 5 мкс/дел. Осциллограммы импульсов на стоке транзистора VT3 аналогичны рассмотренным выше, но сдвинуты по оси времени на половину периода повторения.

Рис. 4. Осциллограмма напряжения

 

Пульсации выходного напряжения преобразователя довольно значительны — 35…70 мВэфф. Изменение ёмкости сглаживающих конденсаторов на пульсации влияет мало, поэтому в предлагаемом варианте преобразователя она уменьшена. Также существенно уменьшена ёмкость конденсатора C2 в узле запуска, что не ухудшило его работу.

Рис. 5. Схема LC-фильтра

 

Если для устройства, питаемого от преобразователя, потребуется ещё уменьшить пульсации, то сделать это можно с помощью LC-фильтра, схема которого показана на рис. 5, подклю-чив его между преобразователем и нагрузкой. Я использовал в качестве L1 и L2 дроссели EC24-101K индуктивностью 100мкГн. Конденсаторы C7 и C8 — керамические. Этот фильтр при нагрузке каждого выхода резистором сопротивлением 1 кОм понизил пульсации напряжения до 5…10 мВэфф.

Программа микроконтроллера имеется здесь.

Автор: Н. Салимов, г. Ревда Свердловской обл.

Двухтактный преобразователь напряжения, особенности функционирования и схемной реализации.

Двухтактный преобразователь– преобразователь напряжения, использующий импульсный трансформатор. Коэффициент трансформации трансформатора может быть произвольным. Несмотря на то, что он фиксирован, во многих случаях может варьироваться ширина импульса, что расширяет доступный диапазон стабилизации напряжения. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота и возможность наращивания мощности.

Двухтактный преобразователь похож на обратноходовый преобразователь, однако основан на другом принципе (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).

Однофазный двухтактный преобразователь представляет собой двухтактный полномостовой генератор с трансформатором и выпрямитель с фильтром.

Простейший двухтактный преобразователь с самовозбуждением

Трансформатор, входящий в состав преобразователя имеет две идентичные первичные обмотки W11, W12 и две идентичные вторичные обмотки W21, W22.

При переводе транзистора схемой управления (СУ) транзистора VT1 в режим насыщения к первичной обмотке W11 трансформатора будет приложено напряжения источника энергии U0. В результате на зажимах вторичной обмотки W21 появится ЭДС Е2 с полярностью, обеспечивающей открытие диода VD1. При этом на интервале открытого состояния VT1 все остальные диоды и транзистор VT2 будут закрыты.

Под действием напряжения ток в обмотке дросселя будет нарастать до максимального значения, когда СУ переведёт транзистор VT1 в закрытое состояние.

На этом временном интервале осуществляется передача энергии в нагрузку, накопленную в дросселе L и происходит подзарядка конденсатора С1. При запирании транзистора VT1 меняется полярность ЭДС на зажимах всех обмоток трансформатора, что приводит к запиранию диода VD1 и открыванию диода VD3. В результате к обмотке дросселя будет приложено напряжение, равное напряжению на нагрузке, и он будет отдавать запасённую энергию в нагрузку и конденсатор С1. При этом напряжение, приложенное к закрытым транзисторам VT1 и VT2, будет равным напряжению источника энергии U0, так как трансформатор оказывается в режиме КЗ.



В определённый момент СУ переводит транзистор VT2 в открытое состояние, в результате чего обмотка W12 трансформатора подключается к источнику энергии. Это приводит к увеличению тока в обмотках W22 и W12. В момент, когда ток в обмотке W22 достигает значения тока дросселя L, начинается процесс запирания диода VD3. Транзистор VT2 на интервале открыт и находится в режиме насыщения, а ток дросселя опять нарастает от минимального к максимальному.

В полумостовом преобразователе параллельно источнику энергии устанавливаются два последовательно соединённых между собой конденсатора с одинаковой ёмкостью. Первичная обмотка трансформатора TV1 включается между общей точкой этих конденсаторов и общей точкой транзисторов VT1 и VT2.

При переводе СУ, например, транзистора VT1 в режим насыщения напряжение, приложенное к первичной обмотке трансформатора TV1, будет равно напряжению на конденсаторе С1. При этом будут открыты диоды VD3 и VD6. Напряжение, приложенное к закрытому транзистору VT2, равное сумме напряжений на конденсатора С2 и ЭДС первичной обмотки TV1, будет равно напряжению U0. На интервалах открытого состояния VT1 (VT2) осуществляется передача энергии в нагрузку и её накопление в дросселе L1 и конденсаторе С3.

В мостовом преобразователе при симметричном способе управления транзисторами СУ обеспечивает синхронную коммутацию диагональных транзисторов (VT1 и VT4 на интервале первой половины периода, а затем VT2 и VT3 на интервале второй половины периода преобразования энергии). При этом на интервале открытого состояния любой пары диагональных транзисторов напряжение, приложенное к первичной обмотке TV1 и к каждому из закрытых транзисторов в идеальном преобразователе равно напряжению источника энергии. В остальном работа подобна работе предыдущих преобразователей.

Двухтактный преобразователь — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4

Двухтактный преобразователь

Cтраница 4

Какие требования предъявляют к транзисторам, входящим в схему двухтактного преобразователя.  [46]

Какие требования предъявляются к транзисторам, входящим в схему

двухтактного преобразователя.  [47]

Коротко рассмотрим механизм возникновения сквозного тока через переключательные транзисторы двухтактного преобразователя ( рис. 1) в случае чисто активной нагрузки инвертора.  [48]

В современных радиолокационных приемниках на частотах 10 000 МГц применяются в основном двухтактные преобразователи частоты.  [49]

Следует отметить, что, в отличие от ИМС управления однотактными преобразователями, не выпускаются ИМС управления двухтактными преобразователями со встроенными силовыми транзисторами.  [50]

Коэффициент передачи ( преобразования), определяемый сопротивлениями источника сигнала и нагрузки, схемой преобразователя, ее параметрами и напряжением модуляции, должен быть не менее заданной величины и достигает в двухтактных преобразователях ( при синусоидальной форме модулирующего напряжения) значений 0 7 по току и напряжению и 0 5 по мощности.  [51]

Коэффициент нелинейных искажений, определяемый параметрами схемы преобразователя, характером нагрузки, значением модулирующего напряжения и величиной входного сигнала, не должен превышать допустимого уровня, связанного с динамическим диапазоном преобразователя, и является наименьшим в двухтактном преобразователе, работающем на избирательный контур.  [52]

При напряжении батареи до 5 в как однотактные, так и двухтактные автогенераторы целесообразно выполнять по схеме с общим коллектором. Двухтактный преобразователь по такой схеме более удобен при его конструктивном воплощении: коллекторы транзисторов электрически соединены между собой и поэтому их можно монтировать на общем радиаторе ( шасси), не изолируя один от другого или от радиатора.  [53]

Преобразователь напряжения служит для преобразования низкого постоянного напряжения в высоковольтное переменное, которое затем выпрямляется и подается для питания фотоэлектронного умножителя. Двухтактный преобразователь состоит из двух транзисторов Тц и Т12 типа П13А, включенных по схеме с общим коллектором, и трансформатора Тр2, содержащего две обмотки: секционированную первичную ( собственно преобразователя) и выходную-повышающую.  [54]

В двухтактных преобразователях используются обе части периода преобразования. В отличие от однотактных двухтактные преобразователи работают без подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.  [55]

Выбор необходимого магнитопровода для трансформатора осуществляется по формуле для габаритной мощности, выведенной в разделе Как работает трансформатор. Следует отметить, что для двухтактных преобразователей предпочтительнее использовать тороидальные маг-нитопроводы, поскольку трансформаторы, намотанные на них, получаются наиболее компактными.  [56]

Оба рассмотренных устройства используются как преобразователи переменного напряжения в постоянное и не используются в качестве преобразователей постоянного напряжения в переменное. На рис. 3 показана схема двухтактного преобразователя, который может работать и как преобразователь постоянного напряжения и, если отключить выпрямительную часть, как преобразователь постоянного тока в переменный; он обеспечивает симметричное переменное напряжение. Кроме того, он может работать при меняющейся нагрузке. Если заменить участки коллектор-эмиттер обоих транзисторов переключателями и заставить работать эти переключатели в противофазе, то получим известное устройство, преобразовывающее постоянный ток в переменный.  [57]

Пропорциональное токовое управление, кроме энергетической эффективности, позволяет поддерживать насыщенное состояние транзистора при различных нелинейных нагрузках, вызывающих изменение выходного тока ключа. Данный принцип управления используют также в автогенераторных системах управления для двухтактных преобразователей. На 4.11 представлена схема преобразователя для питания галогеновой лампы напряжением 12 В. В данном устройстве используется автогенераторное управление на основе импульсного трансформатора с насыщающимся сердечником. Входной ток транзисторов задается пропорциональным току нагрузки, поскольку импульсный трансформатор используется в режиме трансформатора тока.  [58]

Эта глава посвящена анализу физических процессов в релаксационных генераторах с трансформаторной обратной связью. Сюда относятся блокинг-генератор, генератор пилообразных токов, различные виды однотактных и двухтактных преобразователей постоянного напряжения.  [59]

Страницы:      1    2    3    4    5

Что такое двухтактный преобразователь? | Norma-stab.ru

Двухтактный преобразователь — это схема преобразователя, в которой используются переключающие устройства двухтактного и двухтактного типа, которые обычно представляют собой транзисторы с биполярным переходом (BJT), полевые транзисторы (FET) или кремниевые выпрямители (SCR). Двухтактный — это термин, который обычно ассоциируется с двумя переключателями, каждый из которых подключен к положительному или отрицательному полюсу источника постоянного тока (постоянного тока). Двухтактный преобразователь представляет собой преобразователь постоянного тока, который очень распространен из-за высокого КПД цепи, который определяется в основном мощностью, потерянной на главных клеммах двухтактного устройства, и КПД используемого трансформатора. Обычно двухтактный преобразователь использует преимущества высокоэффективных трансформаторов с ферритовым сердечником, которые работают в диапазоне звуковых частот до более высоких звуковых частот. Двухтактный преобразователь также использует управление рабочим циклом для получения желаемого выходного напряжения в условиях несущей нагрузки.

Как и двухтактный преобразователь, обратный преобразователь также является преобразователем постоянного тока в постоянный ток, хотя его также можно использовать при преобразовании переменного тока в переменный ток. Преобразователь обратного хода на телевизорах (телевизорах) использует сигнал горизонтального отклонения для создания высокого положительного напряжения, необходимого на аноде телевизоров с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) и некоторых плазменных телевизорах. С точки зрения времени нарастания и спада сигнала быстрое падение выхода горизонтального отклонения при возврате луча ЭЛТ к началу следующей видеолинии имеет решающее значение для создания высокого напряжения на выходе трансформатора обратного хода. Результирующее высокое напряжение выпрямляется и фильтруется для получения анодного питания, которое обычно составляет более 20000 В постоянного тока (В постоянного тока) для небольших ЭЛТ.

Прямой преобразователь вводит постоянный ток и обычно выдает более высокое постоянное напряжение. Прямые преобразователи имеют генераторы и высокочастотные трансформаторы, которые используют двухтактный выход для регенерации постоянного напряжения на требуемом уровне. Электронное оборудование обычно имеет минимальное входное напряжение, ниже которого оборудование перестает работать. Прямой преобразователь может использоваться для того, чтобы напряжение питания ниже предыдущего минимума оставалось полезным. Эта функция очень полезна для полевого и аварийно-спасательного оборудования, которому требуется вся энергия, которую можно использовать в особых условиях, например, при длительных перебоях в электроснабжении.

Двухтактный выход может быть получен от одного источника питания или от двух источников питания. Напряжение автомобиля 12 В пост. Тока представляет собой несимметричную выходную мощность. Есть только одна горячая линия + 12 В постоянного тока; другая строка — обратная или общая. Другие источники питания постоянного тока могут иметь положительный или «+» и отрицательный или «-» выход, включая общую линию. Различные конфигурации схемы позволяют конфигурации с одним или двумя источниками питания генерировать желаемый выход.

Кафедра ЭиМТ — Лекции

Современные методы анализа и моделирования электронных устройств

Содержание

НЕПРЕРЫВНЫЕ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ НА ИХ ОСНОВЕ

    • Постановка задачи моделирования

    • Метод усреднения в пространстве состояний и его возможности

    • Построение непрерывной нелинейной модели понижающего (BUCK) регулятора

    • Построение непрерывной нелинейной модели повышающего (BOOST) регулятора

    • Построение непрерывной нелинейной модели инвертирующего (Buck-Boost) регулятора напряжения

    • Непрерывные модели ППН в режиме управления по амплитудному значению тока силового ключа (Current Mode)

ОДНОТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

    • Однотактный прямоходовой преобразователь (Forward)

    • Сдвоенный однотактный прямоходовой преобразователь (Two Switches Forward converter)

    • Обратноходовой однотактный преобразователь постоянного напряжения (Flyback-converter)

    • Сдвоенный однотактный обратноходовой преобразователь постоянного напряжения (Two Switches Flyback-converter)

    • Преобразователи на основе импульсных регуляторов с разделительным конденсатором (Cuk, SEPIC, Inverse SEPIC)

    • Расчет однотактных преобразователей постоянного напряжения для последующего моделирования

    • Однотактный прямоходовой преобразователь (Forward)

    • Однотактный обратноходовой преобразователь (Flyback)

ДВУХТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

    • Двухтактный инвертор (преобразователь постоянного напряжения в переменное)

    • Разновидности двухтактных преобразователей постоянного напряжения

    • Расчет двухтактных преобразователей постоянного напряжения для последующего моделирования

    • Двухтактный полумостовой преобразователь постоянного напряжения (Half-Bridge)

    • Двухтактный преобразователь напряжения со средней точкой (Push Pull converter)

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЗАМКНУТЫХ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ

    • Обеспечение устойчивости замкнутых систем стабилизации напряжения (импульсных стабилизаторов). Правильный выбор цепей коррекции усилителя ошибки для стабилизаторов с режимом управления Voltage Mode и Current Mode

    • Импульсный стабилизатор на основе прямоходового ППН (Forward, Push-Pull, Half Bridge, Full Bridge)

    • Импульсный стабилизатор на основе обратноходового ППН (Flyback, Two Switches Flyback)

Материалы по курсу СМАМПЭ

Конспект лекций: СМАМЭУ_Лекции_Амелина.pdf

Слайды к лекциям: СМАМЭУ_Slides_Amelina.pdf

Архив схем для Micro-Cap: СМАМЭУ_схемы.rar

Экзаменационная программа: СМАМЭУ_Программа_2014.pdf

Простой двухтактный преобразователь напряжения для светодиодного фонарика

Преобразователь для фонарика
   В качестве источника света применён сверхъяркий светодиод DFL-OSPW5111Р белого цвета свечения с яркостью 30 Кд при токе 80 мА и шириной диаграммы направленности излучения около 12°. Для питания светодиода применён хорошо известный двухтактный трансформаторный транзисторный преобразователь напряжения с совмещённым двухполупериодным выпрямителем.
   Преобразователь напряжения собран на транзисторах VT1, VT2, трансформаторе Т1, резисторе R1 и питается от батареи GB1. Положительная обратная связь, необходимая для его работы, обеспечивается соответствующим подключением выводов обмоток трансформатора Т1. Резистор R1 служит для начального запуска преобразователя.
   Источником питания служит батарея напряжением 2,4…3 В из двух аккумуляторов или гальванических элементов типоразмера АА. Ток, потребляемый от батареи напряжением 2,41 В, — 143 мА; при этом через светодиод протекает ток около 70 мА при напряжении на нем 4,17 В. Преобразователь работает на частоте 13 кГц, а его электрический КПД составляет около 0,85.
    Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К10x6x3 из феррита 2000НМ. Перед намоткой трансформатора края магнитопровода необходимо притупить точильным бруском или наждачной бумагой с мелким зерном. Первичную и вторичную обмотки трансформатора наматывают одновременно (т. е. в четыре провода). Первичная обмотка содержит 2×41 витка провода ПЭВ-2 0,19, а вторичная — 2×44 витка провода ПЭВ-2 0,16. После намотки выводы обмоток соединяют в соответствии со схемой. Резистор R1 — МЛТ, C2-23, транзисторы КТ529А структуры p-n-p можно заменить на транзисторы КТ530А структуры n-p-n, но в этом случае необходимо изменить полярность подключения батареи GB1 и светодиода HL1.
   Первое включение правильно собранного из исправных деталей устройства необходимо обязательно провести в режиме тестирования, при котором питание от батареи подают через резистор сопротивлением 18…24 Ом (чтобы не вывести из строя транзисторы при неправильном подключении выводов трансформатора Т1). Светодиод непременно просигнализирует о результатах проведённой работы. Если он не светит, необходимо поменять местами крайние выводы первичной или вторичной обмотки трансформатора. Если и это не приводит к успеху, проверяют исправность всех элементов и правильность монтажа. После доработки фонарь визуально светит заметно ярче и имеет более узкий луч света, а ток, потребляемый от батареи, уменьшился на 50…70 мА. Сравнение с аналогичным фонарем со встроенным преобразователем напряжения фирмы Zetex показало, что при одинаковом КПД предлагаемый фонарь имеет более простую конструкцию и содержит меньшее число элементов.

двухтактный преобразователь напряжения — патент РФ 2394353

Предложенный двухтактный преобразователь напряжения относится к электротехнике и может быть использован в источниках вторичного электропитания и преобразовательной технике. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение уровня коммутационных потерь, повышение надежности и улучшение энергетических показателей. Результат достигается введением в двухтактный преобразователь напряжения двух накопительных конденсаторов, второй пары резистивных делителей напряжения и второй пары электронных ключей, что позволило заряжать и разряжать накопительные конденсаторы через первичные обмотки трансформатора, их одновременная работа (одна от тока заряда, другая от тока разряда) образует суммарный магнитный поток, при этом коммутация электронных ключей приходится на момент полного заряда одного и полного разряда другого накопительного конденсатора, т.е. при нулевом значении напряжения и тока, что позволило снизить коммутационные потери и повысить надежность, при этом возможность дважды использовать один заряд энергии накопительного конденсатора (тока заряда, а затем и тока разряда) в работе трансформатора значительно повысила энергетические показатели двухтактного преобразователя напряжения, и ставит его в разряд энергосберегающих устройств. 1 ил.

Формула изобретения

Двухтактный преобразователь напряжения, содержащий источник питания с плюсовым и минусовым выводом, пару резистивных делителей напряжения, трансформатор с обмоткой обратной связи, вторичной обмоткой и двумя противоположно направленными первичными обмотками, пару электронных ключей, силовые входы которых подключены соответственно к выходам первичных обмоток, а силовые выходы соединены между собой вторыми крайними выводами делителей напряжения и через токозадающий резистор — с минусом источника питания и анодами двух стабилитронов, катоды которых подключены соответственно к средним выводам делителей напряжения и управляющим входам электронных ключей, между которыми через резистор включена обмотка обратной связи, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два накопительных конденсатора, которые первыми выводами подключены соответственно к входам первичных обмоток и первым крайним выводам первой пары делителей напряжения, две цепи обратной связи, каждая из которых состоит из обмотки обратной связи, последовательно соединенной с конденсатором, вторая пара резистивных делителей напряжения и вторая пара электронных ключей, которые подключены силовыми входами к плюсу источника питания, вторым выводам накопительных конденсаторов и первым крайним выводам второй пары делителей напряжения, управляющими входами — соответственно к средним выводам второй пары делителей напряжения и входам цепей обратной связи, силовыми выходами соответственно — ко вторым крайним выводам второй пары делителей напряжения, входам цепей обратной связи, выходам первичных обмоток и силовым входам первой пары электронных ключей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания и преобразовательной технике.

Известен двухтактный преобразователь постоянного напряжения, содержащий источник питания, два транзистора, эмиттеры которых подключены к минусу источника питания, трансформатор с обмоткой обратной связи, включенной, через конденсатор, между базами транзисторов, вторичной и первичной обмоткой, которая выводом из средней точки подключена к плюсу источника питания и выводам двух резисторов, которые вторыми выводами подключены к базам соответствующих транзисторов, соответственно соединенных коллекторами с противоположными выводами первичной обмотки трансформатора (патент РФ № 2223591, опубл. 2004.02.10).

Недостатком известного изобретения является коммутация преобразователя в момент насыщения трансформатора, что сопровождается резким всплеском тока, высокими коммутационными потерями и, как следствие, имеет низкие энергетические показатели и низкую надежность.

Наиболее близким по технической сущности является двухтактный инвертор, содержащий источник питания, два делителя напряжения, трансформатор с обмоткой обратной связи, первичной и вторичной обмоткой, которая выводом из средней точки соединена с плюсом источника питания и с первыми крайними выводами резистивных делителей напряжения, два транзисторных ключа, подключенных силовыми входами к противоположным выводам первичной обмотки трансформатора, а силовыми выходами — к вторым крайним выводам делителей напряжения и, через ограничительный резистор, — к минусу источника питания и анодам двух стабилитронов, катоды которых соединены соответственно со средними выводами делителей напряжения и управляющими входами транзисторных ключей, между которыми, через резистор, включена обмотка обратной связи, при этом соответственно подключенные два транзисторных ключа, два стабилитрона и ограничительный резистор образуют два стабилизатора тока (патент РФ № 2331961, опубл. 2008.08.20).

Недостатком известного двухтактного инвертора является то, что коммутация производится при максимальном значении тока, величина которого ограничивается стабилизаторами тока и задается токозадающим резистором, что сохраняет достаточно высокие коммутационные потери, низкие энергетические показатели и низкую надежность преобразователя.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в осуществлении коммутации двухтактного преобразователя напряжения при нулевом значении напряжения и тока за счет введения двух накопительных конденсаторов и организации цепей их заряда и разряда через первичные обмотки трансформатора, что также позволило дважды использовать один заряд энергии в работе трансформатора. Все это дало возможность снизить уровень коммутационных потерь, повысить надежность и значительно улучшить энергетические показатели.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение уровня коммутационных потерь, повышение надежности и улучшение энергетических показателей.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в двухтактный преобразователь напряжения, содержащий источник питания с плюсовым и минусовым выводом, пару резистивных делителя напряжения, трансформатор с обмоткой обратной связи, вторичной и двумя противоположно направленными первичными обмотками, пару электронных ключей, силовые входы которых подключены соответственно к выходам первичных обмоток, а силовые выходы соединены между собой, вторыми крайними выводами делителей напряжения и через токозадающий резистор, — с минусом источника питания и анодами двух стабилитронов, катоды которых подключены соответственно к средним выводам делителей напряжения и управляющим входам электронных ключей, между которыми, через резистор, включена обмотка обратной связи, дополнительно введены два накопительных конденсатора, которые первыми выводами подключены соответственно к входам первичных обмоток и первым крайним выводам первой пары делителей напряжения, две цепи обратной связи, каждая из которых состоит из обмотки обратной связи, последовательно соединенной с конденсатором, вторая пара резистивных делителей напряжения и вторая пара электронных ключей, которые подключены силовыми входами к плюсу источника питания, вторым выводам накопительных конденсаторов и первым крайним выводам второй пары делителей напряжения, управляющими входами — соответственно к средним выводам второй пары делителей напряжения и выходам цепей обратной связи, силовыми выходами — соответственно к вторым крайним выводам второй пары делителей напряжения, входам цепей обратной связи, выходам первичных обмоток и силовым входам первой пары электронных ключей.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Двухтактный преобразователь напряжения содержит источник 1 питания с плюсовым (+) и минусовым (-) выводом, четыре делителя напряжения, каждый из которых содержит два последовательно включенных резистора (2, 3), (4, 5) и (6, 7), (8, 9), трансформатор 10 с тремя обмотками 11, 12, и 13 обратной связи, вторичной обмоткой 14 и двумя противоположно направленными первичными обмотками 15, 16, входы которых соединены соответственно с выводами накопительных конденсаторов 17, 18, и первыми крайними выводами делителей напряжения (6, 7), (8, 9), при этом вторые выводы накопительных конденсаторов 17, 18 подключены к плюсу (+) источника 1 питания, силовым входам электронных ключей 19, 20 и первым крайним выводам делителей (2, 3) и (4, 5) напряжения, средние выводы которых соединены соответственно с управляющими входами ключевых элементов 19, 20 и через последовательно соединенные конденсаторы и обмотки обратной связи (цепи обратной связи (11, 21) и (12, 22)), подключены соответственно к вторым крайним выводам делителей (2, 3), (4, 5) напряжения, силовым выходам ключевых элементов 19, 20, выходам первичных обмоток 15, 16 и силовым входам электронных ключей 23, 24, силовые выходы которых соединены между собой, вторыми крайними выводами делителей (6, 7), (8, 9) напряжения и через токозадающий резистор 25, — с минусом (-) источника 1 питания и анодами стабилитронов 26, 27, катоды которых подключены соответственно к средним выводам делителей (6, 7), (8, 9) напряжения и управляющим входам электронных ключей 23, 24, между которыми, через резистор 28, включена обмотка 13 обратной связи.

Двухтактный преобразователь напряжения работает в режиме симметричного автогенератора. В момент включения накопительные конденсаторы 17, 18 разряжены, в делителях напряжения (6, 7) и (8, 9) протекает ток заряда накопительных конденсаторов 17, 18 и создает на указанных делителях напряжения падение напряжения, которое стимулирует открытие электронных ключей 23, 24. В одной из двух зарядных цепей, например первой (накопительный конденсатор 17, первичная обмотка 15, электронный ключ 23), появляется ток, вызывающий в первичной обмотке 15 магнитный поток, на обмотках 11, 12, 13 обратной связи наводится напряжение и в цепях (11, 21), (12, 22) и (13, 28) обратной связи протекает ток, который удерживает в закрытом состоянии электронные ключи 24, 19 и полностью открывает электронные ключи 23, 20. Накопительный конденсатор 17 заряжается. По мере его заряда снижается разность потенциалов и снижается ток в первичной обмотке 15, снижается магнитный поток трансформатора 10 и напряжение на обмотках 11, 12, и 13 обратной связи, снижается ток в цепях обратной связи до момента закрытия электронных ключей 23, 20. С исчезновением тока в цепях обратной связи появляется ток разряда в делителе (2, 3) напряжения и ток заряда в делителе (8, 9) напряжения, который создает падение напряжения и на управляющих входах электронных ключей 24, 19 появляется напряжение, которое приоткрывает их, возникает ток во второй зарядной цепи (накопительный конденсатор 18, первичная обмотка 16, электронный ключ 24) и ток в первой разрядной цепи (накопительный конденсатор 17, первичная обмотка 15, электронный ключ 19), в трансформаторе 10 создается магнитный поток, в цепях (11, 21), (12, 22) и (13, 28) обратной связи возникает ток, который удерживает в закрытом состоянии электронные ключи 23, 20 и полностью открывает электронные ключи 24, 19. Накопительный конденсатор 18 заряжается, а накопительный конденсатор 17 разряжается, при этом ток заряда и ток разряда в первичных обмотках создают магнитные поля одного направления, которые складываясь, создают мощный магнитный поток в трансформаторе 10. По мере заряда одного и разряда другого накопительного конденсатора снижается разность потенциалов, вызывающая ток в первичных обмотках, и магнитный поток трансформатора ослабевает, снижается напряжение на обмотках 11, 12, и 13 обратной связи, снижается ток в цепях обратной связи до момента закрытия электронных ключей 24, 19. С исчезновением тока в цепях обратной связи появляется так разряда в делителе (4, 5) напряжения и ток заряда в делителе (6, 7) напряжения, на управляющих входах электронных ключей 23, 20 появляется напряжение, которое приоткрывает их, в первой зарядной и во второй разрядной цепях появляется ток, первичные обмотки создают магнитный поток в трансформаторе, появляется ток в цепях обратной связи, который удерживает в закрытом состоянии электронные ключи 24, 19 и полностью открывает электронные ключи 23, 20, происходит коммутация. Далее процесс коммутации повторяется периодически, а на вторичной обмотке 13 трансформатора наводится напряжение Uн.

Таким образом, введение двух накопительных конденсаторов, второй пары резистивных делителей напряжения и второй пары электронных ключей дало возможность заряжать и разряжать накопительные конденсаторы через первичные обмотки трансформатора, а их одновременная работа (одна от тока заряда, другая от тока разряда) образует суммарный магнитный поток, при этом коммутация электронных ключей приходится на момент полного заряда одного накопительного конденсатора и полного разряда другого накопительного конденсатора, т.е. при нулевом значении напряжения и тока, что позволило снизить коммутационные потери и повысить надежность, при этом возможность использовать дважды один заряд энергии конденсатора (тока заряда, а затем тока разряда) в работе трансформатора значительно повысила энергетические показатели двухтактного преобразователя напряжения и ставит его в разряд энергосберегающих устройств.

Как спроектировать изолированный высокочастотный двухтактный преобразователь постоянного тока в постоянный

Простой двухтактный преобразователь постоянного тока в постоянный с фиксированным коэффициентом заполнения 50% часто используется в качестве драйвера трансформатора с низким уровнем шума в системах связи, медицинских приборах. и распределенные источники питания. Эта простая схема не обеспечивает регулирования напряжения — требуется пострегулятор с малым падением напряжения (LDO) — сочетание, которое создает потенциально серьезные проблемы. Во-первых, любое значительное изменение входного напряжения драйвера, наряду с фиксированным рабочим циклом 50%, может увеличить дифференциальное напряжение на LDO, что приведет к значительным потерям мощности и сильному нагреву LDO.Во-вторых, низкая частота коммутации требует относительно громоздких трансформаторов, иногда занимающих от 30% до 50% площади преобразователя.

Монолитный двухтактный DC/DC-драйвер LT3999 позволяет избежать этих проблем благодаря двум важным функциям: управлению рабочим циклом и работе на высоких частотах:

  • Управление рабочим циклом позволяет компенсировать широкий разброс V IN — чего не могут сделать стандартные драйверы трансформаторов с фиксированным рабочим циклом — значительно уменьшая потери LDO при работе с широким входным диапазоном.
  • Высокая частота переключения , до 1 МГц, приводит к меньшим трансформаторам и меньшим выходным пульсациям.

LT3999 объединяет эти две функции с высоким входным напряжением 36 В и входным током 1 А, что делает его мощной и гибкой ИС двухтактного преобразователя с низким уровнем шума.

В этой статье представлены две пошаговые процедуры проектирования: одна для двухтактного преобразователя постоянного тока в постоянный с широким входным диапазоном, другая для компактного драйвера высокочастотного трансформатора с фиксированным входным напряжением.

Блок-схема на рисунке 1b показывает, как можно спроектировать двухтактный преобразователь за восемь простых шагов. Эти шаги производят LT3999 вход 10–15 В, выход ± 12 В, двухтактный преобразователь 200 мА 1 МГц, показанный на рисунке 1a.

Рисунок 1. (a) Двухтактный DC/DC преобразователь LT3999 с широким входным диапазоном и контролем рабочего цикла (b) Простая конструкция 8-ступенчатого двухтактного преобразователя

Рис. 2. Настройка точности UVLO и OVLO/DC с помощью резисторного делителя с использованием либо (a) метода с двумя резисторами, либо (b) метода с тремя резисторами.

Сначала установите частоту коммутации с помощью R T ; значение, выбранное из таблицы 1 в техпаспорте LT3999.

Контакты UVLO (блокировка пониженного напряжения) и OVLO/DC (блокировка повышенного напряжения/рабочий цикл) используются для установки диапазона входного напряжения. Можно использовать метод с 2 или 3 резисторами. Для метода с двумя резисторами, показанного на рис. 2а, R B рассчитывается с использованием уравнений 1 и 2 для UVLO и OVLO/DC соответственно. Для низких потерь мы можем предположить, что R A = 1 МОм.

Для метода с тремя резисторами, показанного на рис. 2b, R A1 и R B рассчитываются по уравнениям 3 и 4 для UVLO и OVLO/DC соответственно.R A2 можно выбрать около 1 МОм.

Для метода с двумя резисторами, используемого на рис. 1а:

Максимальный рабочий цикл (DC MAX ) определяется периодом переключения (T S = 1/fSW ) и временем неперекрытия (T D(MIN) ) между двумя переключателями питания, как показано на рис. уравнение 5. Для метода с 2 резисторами R DC рассчитывается по уравнению 6. Для метода с 3 резисторами замените R A = R A1 + R A2 в уравнении 6.

В примере на рис. 1(a) T S = 1 мкс , T D(MIN) = 70 нс (типичное значение в таблице данных), V IN(MIN) = 10 В, R A = 1M, R B = 143k. Расчеты 5 и 6 дают DC MAX = 0,43, а R DC = 13,3k.

Коэффициент трансформации трансформатора представлен в уравнении 7.

В SW — напряжение насыщения внутренних переключателей. V F – прямое напряжение диодов выпрямителя.V LDO1 и V LDO2 — это напряжения падения положительного и отрицательного LDO. V SW = 0,4 В, V F = 0,7 В, V LDO1 = V LDO2 = 0,8 В являются хорошими эмпирическими правилами. Если коммерческий трансформатор с точно рассчитанным коэффициентом трансформации не может быть найден, выберите аналогичный и рассчитайте DC MAX в уравнении 7 соответственно. Затем пересчитайте R DC в уравнении 6 на основе нового DC MAX .

В примере на рисунке 1(a) V OUT1 = −V OUT2 = 12 В и V IN(MIN) = 10 В, поэтому выберите Wurth 750314781 (N = 2) для D CMAX = 0.43.

Пиковое напряжение на выпрямительном мосту складывается из напряжения вторичной обмотки трансформатора (V SEC ) плюс любые скачки вызывного напряжения. V SEC рассчитывается по уравнению 8. Однако всплеск вызывного напряжения трудно предсказать, так как он зависит от сопротивления контура, индуктивности рассеяния трансформатора и емкости перехода выпрямителей. Как правило, номинальное напряжение выпрямителя (V REC ) должно быть не менее 1.5-кратный коэффициент трансформации трансформатора, умноженный на максимальное входное напряжение. Поскольку две вторичные обмотки соединены через выпрямительный мост, требуется коэффициент, равный двум, что дает формулу для номинального напряжения выпрямителя:

Номинальный ток выпрямителя (I REC ) должен быть больше, чем ток нагрузки.

При V IN(MAX) = 15,5В, N = 2, V REC ≥ 93V, I REC ≥ 200мА: этим требованиям удовлетворяет ЦМШ2-200НЕ (200В, 1А).

Рис. 3. LDO (U2) V IN − V OUT Дифференциал и потери мощности в зависимости от входного напряжения

Рис. 4. LDO (U2) V IN − V OUT Дифференциал и потери мощности в зависимости от нагрузки

Шаг 6. Выберите катушки индуктивности (L1, L2)

Минимальное значение индуктивности (L MIN ) устанавливается ограничением пикового тока внутреннего переключателя (I LIM ), как показано в уравнении 9.

Более высокая индуктивность обеспечивает лучшую стабилизацию и меньшие пульсации напряжения, но требует, соответственно, большей части объема.Оптимальное значение индуктора определяется с учетом как выходного шума, так и требований к объему раствора.

Когда V IN(MAX) = 15,5 В, постоянный ток MIN = 0,28, TS = 1 мкс, N = 2, I LIM = 1A, I OUT1 = I OUT2 00 90MIN011, L 2090 = 38,3 мкГн: Coilcraft XFL3012-393MEC (39,3 мкГн) удовлетворяет этим требованиям без увеличения размера.

Шаг 7. Выберите линейный регулятор с малым падением напряжения (U2, U3)

Максимальное напряжение LDO возникает при максимальном входном напряжении без нагрузки, когда V SEC равно V IN(MAX) • N.Номинальный ток LDO должен быть больше, чем ток нагрузки.

Когда V IN(MAX) = 15,5 В, N = 2, номинальное напряжение для LDO должно быть 31 В и -31 В, удовлетворяющее требованиям LT3065 (45 В, 500 мА) и LT3090 (-36 В, 400 мА) соответственно.

Шаг 8. Добавьте демпфер (CS и RS)

Рекомендуемый подход к разработке RC-снаббера (C S и R S на рис. 1) заключается в измерении периода звона на выводах SWA и SWB LT3999, когда его переключатели выключаются без демпфера, а затем добавить емкость — начиная с чего-то в диапазоне 100 пФ — до тех пор, пока период звонка не удлинится на 1.5х до 2х.

Изменение периода определяет значение паразитной емкости (C PAR ), из которого можно определить паразитную индуктивность (L PAR ) по начальному периоду. Точно так же начальные значения можно оценить, используя значения из таблицы данных для емкости переключателя и индуктивности рассеяния трансформатора.

После того, как значения емкости и индуктивности узла стока известны, к демпфирующей емкости можно добавить последовательный резистор для рассеивания мощности и существенного ослабления звона.Ниже приведено уравнение для получения оптимального последовательного сопротивления с использованием наблюдаемых периодов (t PERIOD и t PERIOD (SNUBBED) ) и снабберной емкости (CS). Для получения более подробной информации см. техническое описание LT3748.

Результаты

Результаты измерений на рисунках 3, 4 и 5 показывают, что управление рабочим циклом в двухтактном преобразователе на рисунке 1 поддерживает низкий дифференциал V IN − V OUT на LDO, что приводит к минимизации потерь мощности и повышения температуры. .На рис. 3 показано, что при 200 мА на LDO напряжение V DIFF остается ниже 2,5 В во всем диапазоне входных напряжений 10–15 В. На рис. 4 показано, что потери мощности остаются низкими во всем диапазоне токов нагрузки. На Рисунке 5 и Рисунке 6 показаны тепловые результаты.

Для сравнения на рис. 7 показано сравнение эффективности конструкции с выключенным и включенным управлением рабочим циклом. КПД резко падает при увеличении входного напряжения. На рис. 8 показано дифференциальное напряжение на положительном LDO при выключенном и включенном управлении рабочим циклом.На рисунках 9 и 10 показаны тепловые результаты. Очевидно, что управление рабочим циклом снижает дифференциальное напряжение и повышает эффективность и тепловые характеристики.

Рис. 5. Тепловое изображение конструкции на рис. 1 в действии, В IN = 10 В

Рис. 6. Тепловое изображение, В IN = 15В

Компактный драйвер трансформатора для фиксированного входного напряжения

Обычно выходное напряжение базового преобразователя драйвера нерегулируемого трансформатора значительно изменяется при изменении тока нагрузки.Для создания регулируемого напряжения настоятельно рекомендуется использовать LDO на выходе. На рис. 6а показана схема драйвера трансформатора с малым количеством деталей, использующего LT3999. На рис. 6b показана блок-схема проекта.

Четыре простых шага в блок-схеме можно использовать для разработки драйвера трансформатора с частотой 1 МГц, малым количеством деталей, входом 5 В, выходом 5 В и выходом 400 мА в качестве примера.

Шаг 1: Установите частоту переключения (R

T )

Частота переключения LT3999 задается одним резистором R T , выбранным на основании таблицы в техпаспорте LT3999 (диапазон частот от 50 кГц до 1 МГц).

В примере конструкции для высокой частоты f SW = 1 МГц, R T = 12,1k.

Шаг 2: Выберите трансформатор (T1)

Коэффициент трансформации трансформатора определяется:

, где V SW — напряжение насыщения внутренних переключателей, а V F — прямое напряжение выпрямительного диода.

Рис. 7. Сравнение эффективности схемы с выключенным управлением рабочим циклом и включенным управлением рабочим циклом, I OUT1 = I OUT2 = 200 мА

V LDO – это падение напряжения с выхода драйвера нерегулируемого трансформатора на малошумящий выход с последующей регулировкой.V LDO имеет падение при максимальном токе, поэтому его следует минимизировать. 0,8 В обеспечивает достаточное падение, чтобы избежать выпадения напряжения без перегрева LDO. Хорошее практическое предположение: VSW = 0,4 В, VF = 0,7 В, V LDO = 0,8 В.

Номинальный ток трансформатора должен быть на 20–50 % больше, чем выходной ток, чтобы оставалось место.

Сумма пикового тока намагничивания (I M(PEAK) ) и тока полной нагрузки, отраженного на первичную сторону (N • I OUT ), должна быть меньше предела пикового тока внутреннего переключателя (I LIM ).Исходя из этого, требуется минимум L M (L M(MIN) ).

Рис. 8. Дифференциал LDO (U2) V IN − V OUT в сравнении с V IN при полной нагрузке с отключенным и включенным управлением рабочим циклом, I OUT1 = I OUT2 = 200 мА

Рис. 9. Тепловая картина конструкции с отключенным управлением скважностью в схеме рис. 1, В IN = 10В

Рис. 10. Тепловая картина конструкции с отключенным управлением скважностью в схеме рис. 1, В IN = 15В

I M(PEAK) + N • I OUT

Для V OUT = V IN = 5 В, Coilcraft PA6383-AL(N = 1.5) хорошо подходит.

Шаг 3: Выпрямитель (D1, D2)

Выберите диоды выпрямителя в зависимости от напряжения и тока. Напряжение на диодах более чем в два раза превышает вторичное напряжение трансформатора из-за его структуры с центральным отводом. Номинальное напряжение выпрямителя должно быть больше 2N • V IN = 15 В, возможно, на 20%.

Рис. 11. (a) Малое количество деталей, драйвер трансформатора с фиксированным входным напряжением. (b) Блок-схема проектирования драйвера трансформатора

Этим требованиям удовлетворяет ЦМШ2-20М (20В, 1А).

Шаг 4: Линейный регулятор с малым падением напряжения (U2, опционально)

Максимальное входное напряжение дополнительного постстабилизирующего LDO (V LDO_IN(MAX) ) возникает без нагрузки, где оно равно V IN • N = 7,5 В. Номинальный ток LDO должен быть больше, чем ток нагрузки (> 400 мА в случае примера конструкции).

Хорошим LDO для выхода 5 В, 400 мА является LT1763 (20 В, 500 мА).

Заключение

LT3999 — это монолитный драйвер трансформатора DC/DC, который обеспечивает управление рабочим циклом, высокую частоту и высокую мощность.Он обеспечивает широкий диапазон входного напряжения и малые потери в LDO при использовании небольших пассивных компонентов из-за его высокочастотной работы. Он также имеет входное напряжение до 36 В и входной ток до 1 А.

Примечания по применению двухтактного преобразователя

Двухтактный преобразователь является одной из старейших коммутационных топологий и может иметь несколько выходов с одним входом.

Выходные напряжения могут быть выше или ниже входных при изменении соотношения витков обмотки трансформатора.

Двухтактные преобразователи Отличительной особенностью является наличие пар транзисторов в симметричной двухтактной схеме, транзисторы периодически реверсируют ток в трансформаторах путем включения и выключения блоков. Таким образом, ток потребляется из линии в течение обеих половин времени переключения. С одним транзистором, работающим одинаково, но ток потребляется вдвое меньше, в этом разница между повышающе-понижающими преобразователями и двухтактными преобразователями. Таким образом, с этой двухтактной схемой двухтактные преобразователи имеют стабильный входной ток, создают меньше шума на входной линии и более эффективны в приложениях с более высокой мощностью.


Рис. 1: Типовая принципиальная схема двухтактного преобразователя Типичный двухтактный преобразователь содержит:

• 2 транзистора в качестве переключателей (Q1 и Q2)
• 1 трансформатор с отводом от середины (Np1, Np2, Ns1 и Ns2)
• 2 диоды в качестве пассивных переключателей/выпрямителей (D1 и D2)
• 1 LC-фильтр (CO и L1)
• 1 входной конденсатор (C1)


подается на Vin, Q1 включен, а Q2 выключен, направление тока по часовой стрелке, Np1 заряжается, Ns1 и Ns2 также заряжаются из-за индукции.D1 будет смещен в прямом направлении, а D2 будет смещен в обратном направлении. LC-фильтр сглаживает выходное напряжение и пульсации до более чистой формы выходного напряжения постоянного тока.
Рис. 3: Протекание тока с закрытыми переключателями Q1 Во второй половине периода частоты переключения Q1 выключен, а Q2 включен, направление тока меняется против часовой стрелки, Np2 заряжается, Ns1 и Ns2 продолжают индуцировать. Но направление тока будет обратным, D1 будет смещен в обратном направлении, а D2 будет смещен в прямом направлении. LC-фильтр будет выполнять функцию фильтрации, как указано выше.

Два транзистора Q1 и Q2 периодически и неоднократно включаются и выключаются в каждом периоде, поэтому мы можем получить стабильное и регулируемое выходное напряжение. Однако наиболее важным является то, что два транзистора никогда не должны быть закрыты одновременно, они повредят, если будут закрыты вместе.

Двухтактные конструкции обычно используются в приложениях средней и высокой мощности (от 150 Вт до 1000 Вт), работая с большей эффективностью и меньшим уровнем шума. Эти продукты могут применяться в различных областях:

A6220 Двухтактный трансформатор

• Источники питания
• Преобразователь постоянного тока в переменный
• Преобразователь постоянного тока в постоянный
• Оборудование
• Другие области применения

Компания MPS имеет большой опыт проектирования и поставки тяговые трансформаторы для автомобильных, медицинских, военных и промышленных рынков с превосходной удовлетворенностью клиентов.Пожалуйста, свяжитесь с отделом продаж MPS для любых ваших требований к магнитным компонентам.

Чтобы просмотреть наш каталог двухтактных трансформаторов, нажмите здесь.

(PDF) Повышающий двухтактный преобразователь с уменьшенными переключателями

Повышающий двухтактный преобразователь с уменьшенными переключателями

1 3

Приложения для управления питанием электромобилей. J. Power Electronic

трон. 16(2), 414–424 (2016)

17. Лю В.Т., Чжан Л.Дж.: Проектирование высокоэффективных обратноходовых преобразователей с высоким коэффициентом усиления по напряжению.В: 11-я Национальная конференция IEEE Inter-

по управлению и автоматизации (ICCA), стр.

1061–1066. IEEE (2014)

18. Чен, С.-М., Лян, Т.-Дж., Ян, Л.-С., Чен, Дж.-Ф.: каскадный

высокий повышающий постоянный ток– преобразователь постоянного тока с одним переключателем для микроисточников

приложений. IEEE транс. Силовой электрон. 26(4), 1146–1153

(2010)

19. Yu, D., Yang, J., Xu, R., Xia, Z., Iu, HH-C., Fernando, T.: A

семейство модульных повышающих преобразователей с двойными

связанными катушками индуктивности.IEEE Access 6, 16256–16266 (2018)

20. Калиамурти, М., Секар, Р., Радж, I.G.C.: Одноступенчатый повышающий инвертор на солнечной энергии с алгоритмом mppt на основе сигналов. В:

2010 Международная конференция по управлению связью и

Вычислительные технологии, стр. 165–170. IEEE (2010)

21. Пан, К.-Т., Лай, К.-М., Ченг, М.-К.: Новый инвертор с высоким коэффициентом повышения

для распределенных источников энергии (DERS). В: The 2010

International Power Electronics Conference-ECCE ASIA, стр.

1433–1437. IEEE (2010)

22. Kim, D.-H., Kim, H.-W., Park, J.-H., Jeon, H.-J.: High Effciency

high step-up single преобразователь постоянного тока с малым выходом

пульсации напряжения. Дж. Пауэр Электрон. 15(6), 1468–1479 (2015)

23. Диксон Р., Дементьев Ю.Н., Михальченко Г.Ю., Михал-

С.Г., Ю.Семенов, С.М. два

фазовых повышающих преобразователя с технологией плавного переключения транзисторов

.Бык. Томский Политех. ун-т 324(4), 96–101 (2014)

24. Ваффер, С., Колар, Дж.В.: Новая стратегия модуляции с низкими потерями

для мощных двунаправленных повышающе-понижающих преобразователей. IEEE

Trans. Силовой электрон. 24(6), 1589–1599 (2009)

25. Осипов А.В., Лопатин А.А., Латыпов Р.А., Шемолин И.С.:

Двухтактный повышающий преобразователь с плавным переключением. В: 2018

XIV Международная научно-техническая конференция по актуальным

проблемам электронного приборостроения (АПЭИП), с.

148–151. IEEE (2018)

26. Коррадини, Л., Зельцер, Д., Блумквист, Д., Зейн, Р., Макси-

мович, Д., Якобсон, Б.: Минимальная текущая работа bidirec-

Национальные двухмостовые последовательные резонансные преобразователи постоянного тока в постоянный. IEEE транс.

Силовой электрон. 27(7), 3266–3276 (2011)

27. Осипов А.В., Ярославцев Е.В., Буркин Е.Ю., Свиридов В.В.:

Последовательный резонансный преобразователь форсированного типа с гибкой структурой для источников питания

.Бык. Томский Политех. ун-т Гео активы инж.

329(2), 27–37 (2018)

28. Zhu, B., Zeng, Q., Chen, Y., Zhao, Y., Liu, S.: Высокий уровень с двумя входами

шаг повышающий DC/DC преобразователь со вспомогательной цепью zvt. IEEE транс.

Преобразователи энергии. 34(1), 161–169 (2018)

Айю Гу родилась в Шанхае,

Китай, в 1970 году. и доктор философии степени по специальности

Электротехника

Харбинского технологического института,

Харбин, Китай, в 1992, 1995

и 1998 соответственно.Она

, в настоящее время работает ассоциированным

профессором в Школе автоматизации

, Гуандунский университет технологий,

, Гуанчжоу,

, Китай. Ее текущие исследования

интересы включают электрические

машины и управление, а также

нетрадиционные электромагнитные

устройства.

Weijie Sun родился в Мудане-

цзян, Китай, в 1996 году. Он

получил степень бакалавра наук.

Heilongjiang University of Science-

ang, Heilongjian

ang, China, 2018.В настоящее время он

работает над своим MS.

Степень в Гуандунском университете —

Технологический университет, Гуан-

Чжоу, Китай. Его текущие

исследовательские интересы включают электроэнергию

электронных топологий и их

приложений.

Гуйдонг Чжан родился в

Шаньтоу, Китай, в 1986 году. Он

получил степень бакалавра. диплом Сианьского технологического университета

,

Сиань, Китай, 2008 г.; его докторская степеньD.

диплом Южного Китая

Технологический университет,

Гуанчжоу, Китай, 2014 г.; и

его доктор философии.

Университет Хагена, Хаген, Гер-

многие, в 2015 году. . Его текущие исследования

интересов включают топологии силовых преобразователей

и их приложения.

Сычжэ Чен родился в Шаньтоу,

Китай, в 1981 году. Он получил

B.S. и доктор философии степени

Южно-китайского технологического университета,

, Гуанчжоу, Китай,

2005 и 2010 соответственно. Он

в настоящее время работает доцентом в Гуандунском

Технологическом университете,

Гуанчжоу, Китай.

Ю Ван родился в провинции Гуандун,

Китай, в 1984 году.Он получил свой

B.S. степень Наньчанского университета

Хангконг, Наньчан,

Китай, 2007 г.; его М.С. степень

Университета Гуанси, Нань-

Нин, Китай, 2010 г.; и его

доктор философии.

Китайский технологический университет,

Гуанчжоу, Китай, в 2015 г. Его

текущие научные интересы включают

силовую высокочастотную электронику .

Двухтактный преобразователь повышающего типа с уменьшенными переключателями

  • Тале, С.С., Вандхаре, Р.Г., Агарвал, В.: Новая реконфигурируемая микросетевая архитектура с возобновляемыми источниками энергии и хранилищем. IEEE транс. инд. заявл. 51 (2), 1805–1816 (2014)

    Статья Google ученый

  • Verzijlbergh, R.A., De Vries, L.J., Lukszo, Z.: Возобновляемые источники энергии и реагирующий спрос. Нужно ли нам управление перегрузками в распределительной сети? IEEE транс.Система питания 29 (5), 2119–2128 (2014)

    Статья Google ученый

  • Бозе, Б.К.: Энергия, окружающая среда и достижения в области силовой электроники. В: ISIE’2000, Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on Industrial Electronics (Cat. No. 00TH8543), vol. 1. С. ТУ1–Т14. IEEE (2000)

  • Ценг, К.-К., Хуанг, К.-К.: Повышающий высокоэффективный преобразователь с чередованием и модулем умножения напряжения для системы возобновляемых источников энергии.IEEE транс. Инд. Электрон. 61 (3), 1311–1319 (2013)

    Статья Google ученый

  • Meneses, F., Blaabjerg, O.Garcia, Cobos, J.A.: Обзор и сравнение повышающих бестрансформаторных топологий для фотоэлектрических модулей переменного тока. IEEE транс. Силовой электрон. 28 (6), 2649–2663 (2012)

    Статья Google ученый

  • Ли, В., Он, Х.: Обзор неизолированных повышающих DC/DC преобразователей в фотогальванических приложениях, подключенных к сети. IEEE транс. Инд. Электрон. 58 (4), 1239–1250 (2010)

    MathSciNet Статья Google ученый

  • Chen, X., Xi, L., Zhang, Y., Ma, H., Huang, Y., Chen, Y.: Дробные методы определения характеристик нетвердых алюминиевых электролитических конденсаторов для силовой электроники. Нелинейная динам. 98 (4), 3125–3141 (2019)

    Статья Google ученый

  • Чжан Г., Ли, З., Чжан, Б., Халанг, В.А.: Преобразователи силовой электроники: прошлое, настоящее и будущее. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 81 , 2028–2044 (2018)

    Статья Google ученый

  • Чжу, Б., Дин, Ф., Вилатгамува, Д.М.: Покрытие цепей для преобразователей постоянного тока для улучшения коэффициента преобразования напряжения. IEEE транс. Силовой электрон. 35 (4), 3679–3687 (2019)

    Статья Google ученый

  • Чжан Г., Wang, Z., Iu, H.H.-C., Chen, S.-Z., Ye, Y., Zhang, B., Zhang, Y.: Уникальная модульная структура многоэлементных высоковольтных преобразователей с уменьшенными токами компонентов. IEEE транс. Силовой электрон. 33 (9), 7795–7804 (2017)

    Статья Google ученый

  • Zhang, G., Wang, Z., Yu, SS, Chen, S.-Z., Zhang, B., Iu, HH-C., Zhang, Y.: Обобщенное решение для накачки дополнительного напряжения для повышающие преобразователи. IEEE транс.Силовой электрон. 34 (7), 6456–6467 (2018)

    Статья Google ученый

  • Chen, J., Wang, C., Li, J.: Однофазный повышающий пятиуровневый инвертор с широтно-импульсной модуляцией со сдвигом по фазе. Дж. Пауэр Электрон. 19 (1), 134–145 (2019)

    Google ученый

  • Фани Р., Фаршиди ​​Э., Адиб Э., Косарян А.: Анализ и реализация повышающего DC/DC преобразователя с модифицированным суперлифтом.Дж. Пауэр Электрон. 19 (3), 645–654 (2019)

    Google ученый

  • Arshadi, S.A., Poorali, B., Adib, E., Farzanehfard, H.: Мощный повышающий преобразователь постоянного тока в переменный, подходящий для модулей переменного тока. IEEE транс. Инд. Электрон. 63 (2), 832–839 (2015)

    Статья Google ученый

  • Deng, Y., Rong, Q., Li, W., Zhao, Y., Shi, J., He, X.: Повышающие преобразователи с одним переключателем и встроенной ячейкой умножения напряжения трансформатора .IEEE транс. Силовой электрон. 27 (8), 3557–3567 (2012)

    Статья Google ученый

  • Tseng, K.-C., Chen, C.-T., Cheng, C.-A.: Высокоэффективный повышающий преобразователь с чередованием и множителем напряжения для приложений управления питанием электромобилей. Дж. Пауэр Электрон. 16 (2), 414–424 (2016)

    Статья Google ученый

  • Лю, В.Т., Чжан, Л.Дж.: Проектирование высокоэффективных повышающе-прямоходовых преобразователей с высоким коэффициентом усиления по напряжению. В: 11-я Международная конференция IEEE по управлению и автоматизации (ICCA), стр. 1061–1066. IEEE (2014)

  • Чен, С.-М., Лян, Т.-Дж., Ян, Л.-С., Чен, Дж.-Ф.: каскадный высокоскоростной преобразователь постоянного тока в постоянный с одним переключателем для микроисточников. IEEE транс. Силовой электрон. 26 (4), 1146–1153 (2010)

    Статья Google ученый

  • Ю Д., Yang, J., Xu, R., Xia, Z., Iu, H.H.-C., Fernando, T.: Семейство встроенных в модуль мощных повышающих преобразователей с двойными связанными катушками индуктивности. IEEE Access 6 , 16256–16266 (2018)

    Статья Google ученый

  • Калиамурти, М., Секар, Р., Радж, I.G.C.: Одноступенчатый повышающий инвертор на солнечной энергии с алгоритмом mppt на основе AN. В: Международная конференция по управлению связью и вычислительным технологиям, 2010 г., стр. 165–170.IEEE (2010)

  • Пан, К.-Т., Лай, К.-М., Ченг, М.-К.: Новый инвертор с высоким коэффициентом повышения для распределенных источников энергии (DERS). В: Международная конференция по силовой электронике 2010 г., ECCE ASIA, стр. 1433–1437. IEEE (2010)

  • Ким, Д.-Х., Ким, Х.-В., Парк, Дж.-Х., Чон, Х.-Дж.: Высокоэффективный высокоэффективный несимметричный преобразователь постоянного тока с малыми пульсациями выходного напряжения. Дж. Пауэр Электрон. 15 (6), 1468–1479 (2015)

    Статья Google ученый

  • Диксон Р., Дементьев Ю.Н., Михальченко Г.Ю., Михальченко С.Г., Ю., Семенов С.М.: динамические свойства двухфазного повышающего преобразователя с технологией плавного переключения транзисторов. Бык. Томский Политех. ун-т 324 (4), 96–101 (2014)

    Google ученый

  • Ваффлер, С., Колар, Дж. В.: Новая стратегия модуляции с малыми потерями для мощных двунаправленных повышающих преобразователей. IEEE транс. Силовой электрон. 24 (6), 1589–1599 (2009)

    Статья Google ученый

  • Осипов А.В., Лопатин А.А., Латыпов Р.А., Шемолин И.С. Двухтактный двухтактный многоступенчатый преобразователь с плавным переключением. В кн.: XIV Международная научно-техническая конференция по актуальным проблемам электронного приборостроения (АПЭИП), 2018 г., стр. 148–151. IEEE (2018)

  • Коррадини, Л., Зельцер, Д., Блумквист, Д., Зейн, Р., Максимович, Д., Якобсон, Б.: Минимальный рабочий ток двунаправленного двухмостового последовательного резонансного постоянного тока/ преобразователи постоянного тока. IEEE транс. Силовой электрон. 27 (7), 3266–3276 (2011)

    Статья Google ученый

  • Осипов А.В., Ярославцев Е.В., Буркин Е.Ю., Свиридов В.В. Последовательный резонансный преобразователь форсирующего типа с гибкой структурой для источников питания. Бык. Томский Политех. ун-т Гео активы инж. 329 (2), 27–37 (2018)

    Google ученый

  • Zhu, B., Zeng, Q., Chen, Y., Zhao, Y., Liu, S.: Повышающий DC/DC преобразователь с двойным входом и вспомогательной цепью zvt. IEEE транс. Преобразование энергии. 34 (1), 161–169 (2018)

    Статья Google ученый

    • Использование двухтактных трансформаторов для изоляции питания в устройствах с напряжением 12 В

    . Когда Q1 включен, входное напряжение (V IN ) за вычетом падения напряжения из-за R DS(ON) Q1 и сопротивления постоянного тока (DCR) обмоток подается на трансформатор в течение времени включения ( Т НА ). Произведение вольт-секунд, подаваемое на трансформатор, пропорционально размаху плотности потока (B) на кривой B-H (т. е. δB α V × T ON ).

    Когда Q1 включается, как показано на рис. 2 , поток колеблется от A до A’, и это колебание пропорционально произведению V × T ON .Точно так же, когда Q2 включается, напряжение на трансформаторе меняется на противоположное (пунктирный конец теперь заземлен) и ток намагничивания также меняется на противоположное. Таким образом, поток колеблется в квадранте 3 rd от A’ до A. Если вольт-секунды, приложенные к трансформатору в одной фазе, равны вольт-секундам, приложенным к последующей фазе, то трансформатор перезапустится ( т. е. плотность потока вернется в исходное положение). На рис. 2 показаны идеальные формы сигналов, когда трансформатор перезагружается.Обратите внимание, что ток намагничивания уравновешен без какого-либо смещения постоянного тока, а первичные токи в обеих фазах имеют одинаковый пик.

    На практике почти невозможно согласовать сопротивление во включенном состоянии MOSFET или DCR первичных обмоток, что приводит к неодинаковым напряжениям, подаваемым на трансформатор от одной фазы к другой. Аналогичным образом, всегда существует небольшой дисбаланс во времени включения либо из-за различий во времени включения и выключения первичного полевого МОП-транзистора, а также из-за дрожания ширины импульса из-за IC, либо из-за того и другого.Этот дисбаланс приведет к колебанию плотности потока со смещением от начала координат ( рис. 3 ). Следовательно, некоторое смещение постоянного тока в токе намагничивания почти неизбежно. Если вольт-секундный баланс трансформатора не восстановить, то смещение в размахе индукции будет увеличиваться с каждым последующим циклом, и сердечник трансформатора будет медленно сползать к области насыщения кривой В-Г. Это приводит к быстрому увеличению первичного тока, поскольку индуктивность намагничивания становится близкой к нулю, что приводит к катастрофическому отказу преобразователя.

    При управлении по току первичный ток сравнивается с сигналом ошибки для управления рабочим циклом. В установившемся режиме это приводит к тому, что цикл завершается при одинаковых пиковых первичных токах в обеих фазах, таким образом поддерживая равные вольт-секундные произведения в обеих фазах. Как показано на рис. 1, первичный ток состоит из двух составляющих: тока намагничивания и тока нагрузки, отраженного от первичной обмотки. Первичный ток не прямо пропорционален току намагничивания, поэтому возможен небольшой дисбаланс.Как правило, этот дисбаланс не представляет опасности, так как пиковая рабочая плотность потока (B пик ) устанавливается намного ниже, чем плотность потока насыщения (B насыщ ) трансформатора.

    При управлении в режиме напряжения сигнал ошибки выходного напряжения сравнивается либо с линейным изменением с прямой связью, либо с искусственным линейным изменением для управления рабочим циклом. Информация о токе намагничивания не используется. Таким образом, управление режимом напряжения не может по своей сути восстановить какой-либо вольт-секундный дисбаланс. Следовательно, чтобы избежать насыщения трансформатора, необходима отрицательная обратная связь, которая может компенсировать любой присущий вольт-секундный дисбаланс.

    ПОЧЕМУ ПИТАТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С РЕЖИМОМ НАПРЯЖЕНИЯ?

    Если управление по току решает проблему насыщения, то зачем возиться с управлением по напряжению двухтактной топологии? Почему бы не рассмотреть другие двусторонние топологии? Или, если желательна двухтактная топология, почему бы просто не использовать текущий режим? Ответ прост: существует рыночная ниша для двухтактного преобразователя, управляемого по напряжению. Например, в автомобилестроении входное напряжение для функций, которые должны выполняться на этапе запуска автомобиля, варьируется от 6 В до 15 В.Напряжение аккумуляторной батареи падает при холодном пуске, и несколько производителей автомобильных блоков питания проверяют функции запуска при напряжении до 6 В. Это делает полумостовую/полномостовую схему с драйвером затвора на стороне высокого напряжения непривлекательной. Двухтактная топология с двумя переключателями нижнего плеча лучше всего подходит для приложений с низким входным напряжением. Кроме того, в автомобильных приложениях ток нагрузки может достигать 0 А. Когда ток нагрузки близок к 0 А, сигнал ошибки не имеет значительной линейной амплитуды ШИМ для модуляции, что делает управление чувствительным к шуму.Кроме того, импульсы ШИМ могут быть весьма неустойчивыми. Чтобы избежать этого явления, обычно добавляется искусственное линейное изменение для увеличения амплитуды линейного изменения ШИМ. С одной стороны, это потенциально может стабилизировать работу ШИМ. С другой стороны, это усложняет контроль и приводит к следующим проблемам:

    • В условиях холостого хода и почти холостого хода, с искусственным линейным изменением, ШИМ-управление больше работает в режиме напряжения, чем в режиме тока. Это может сделать исходную компенсацию типа II неадекватной и привести к колебаниям преобразователя.
    • Этот искусственный пандус для рабочих циклов более 50 % действует как компенсатор наклона и является положительной силой; однако при низких рабочих циклах это снова переводит управление в режим большего напряжения, чем в режим управления, и создает те же проблемы, о которых говорилось ранее.

    Вышеупомянутый сценарий является лишь одним из примеров. В общем, двухтактный преобразователь, управляемый по напряжению, является привлекательным решением для любого приложения, которое должно работать при низких входных напряжениях и с широкими колебаниями выходной нагрузки.

    РАЗРАБОТКА СТАБИЛЬНОГО ДВУХТЯЛОЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ

    Как обсуждалось ранее, в двухтактном преобразователе, работающем по напряжению, вольт-секундный дисбаланс между фазами неизбежен. Однако, следуя обдуманному выбору, можно разработать стабильный двухтактный преобразователь с режимом напряжения.

    Зазор в сердечнике трансформатора увеличивает магнитное сопротивление (т. е. магнитное сопротивление). Проницаемость (µ) магнитного сердечника обратно пропорциональна магнитному сопротивлению. Таким образом, зазор в сердечнике уменьшает наклон кривой гистерезиса и отодвигает начало насыщения еще дальше (рис.4 ). Другими словами, это увеличивает способность трансформатора выдерживать постоянный ток. Это поможет сценарию, показанному на рис. 3, где небольшой дисбаланс вольт-секунд приводит к смещению постоянного тока в токе намагничивания. Зазоры в сердечнике также являются отличным способом контроля магнитных колебаний в массовом производстве. Без воздушного зазора индуктивность прямо пропорциональна проницаемости сердечника. Однако проницаемость сердцевины зависит от температуры и характеристик материала, которые варьируются от партии к партии.Следовательно, добавление воздушного зазора уменьшает зависимость индуктивности намагничивания от µ и приводит к более стабильному и воспроизводимому магниту.

    Как видно на рис. 4, зазоры в сердечнике уменьшают индуктивность намагничивания, что приводит к увеличению пиковых токов и, следовательно, к снижению эффективности. Однако в большинстве случаев влияние на эффективность незначительно.

    Вольт-секунды, подаваемые на первичную обмотку трансформатора в двухтактной топологии, как показано на рис. 1, представляют собой: уравнения

    Предполагая, что в одной из фаз выключатель находится во включенном состоянии дольше на ?t, новый ток намагничивания равен:

    или

    Это увеличение тока приводит к чрезмерному рассеиванию мощности в MOSFET.R DS(ON) MOSFET имеет положительный температурный коэффициент; следовательно, R DS(ON) также увеличивается. Таким образом, новые вольт-секунды, приложенные к трансформатору, равны:

    .

    (см. уравнение 5 ниже)

    Увеличение падения напряжения из-за увеличения RDS(ON) и тока намагничивания снижает напряжение, подаваемое на трансформатор. Уменьшение падения напряжения компенсирует более длительное время включения, тем самым обеспечивая отрицательную обратную связь. Таким образом, вольт-секундный баланс восстанавливается за несколько циклов переключения.Это приводит к стабильному преобразователю, который работает в безопасной рабочей области кривой B-H, хотя и с небольшим смещением постоянного тока. На рис. 3 приведен пример формы волны, когда размах плотности потока асимметричен, но находится в пределах безопасной рабочей зоны. Несбалансированное колебание плотности потока приведет к току намагничивания со смещением по постоянному току. Затем это приводит к неравным первичным пиковым токам, что нормально, пока плотность потока находится в пределах линейной области кривой B-H.

    По тем же причинам, упомянутым ранее, добавление балластного сопротивления в каждую ногу является грубым способом обеспечения дополнительной отрицательной обратной связи.Однако это может существенно повлиять на КПД преобразователя.

    В установившемся режиме в двухтактном преобразователе плотность потока колеблется на кривой B-H от 1 -го -го квадранта до 3--го -го квадранта или наоборот. Однако во время запуска и при определенных переходных условиях плотность потока может начинаться с начала координат. Если он колеблется так же, как и в установившемся режиме, то трансформатор может перейти в область насыщения, что приведет к катастрофическому отказу преобразователя.Это явление известно как удвоение потока. Чтобы избежать этого, выполните плавный пуск преобразователя и используйте поцикловое ограничение тока, которое завершит цикл и перезапустит преобразователь в переходном состоянии.

    ПРИМЕР

    Для проверки теории был построен двухтактный преобразователь, работающий по напряжению. На рис. 5 показан двухтактный преобразователь мощностью 50 Вт с диапазоном входного напряжения от 16 В до 32 В постоянного тока и выходным напряжением 5 В с допустимым током 10 А. LM25037 — двухрежимный ШИМ-контроллер с чередование выходов — было выбрано.LM25037 совместим как для управления по напряжению, так и по току и работает в сверхшироком диапазоне от 5,5 В до 75 В. В дополнение к двум симметричным переменным выходам микросхема предлагает специальную функцию измерения тока и плавного пуска, которая (как объяснялось ранее) необходимо, чтобы избежать удвоения потока в двухтактном преобразователе, работающем по напряжению.

    Был выбран планарный трансформатор с низкой индуктивностью намагничивания и низким DCR, поскольку планарные трансформаторы имеют лучший коэффициент связи и более низкую индуктивность рассеяния по сравнению с трансформаторами с обмоткой.Номинальная индуктивность намагничивания трансформатора 100 мкГн. Низкая индуктивность намагничивания была специально выбрана для увеличения тока намагничивания, что делает отрицательную обратную связь более эффективной. Способность трансформатора выдерживать постоянный ток также была проверена путем пропускания постоянного тока через первичную обмотку и измерения намагничивающей индуктивности. Постоянный ток, при котором индуктивность намагничивания падает на 20 %, был идентифицирован как максимальный ток постоянного тока трансформатора. Эта точка была установлена ​​намного выше ожидаемого постоянного тока в трансформаторе из-за дисбаланса.Это повторяющийся процесс, и за счет зазора в сердечнике трансформатора можно увеличить способность трансформатора выдерживать постоянный ток. Преобразователь был испытан как при высокой, так и при низкой температуре окружающей среды, и было установлено, что он стабилен. Рис. 6 был захвачен для практической иллюстрации того, что несбалансированный ток намагничивания является нормальным, пока трансформатор работает в линейной области кривой B-H.

    Моделирование Монте-Карло рекомендуется для массового производства, чтобы гарантировать, что минимальная способность трансформатора выдерживать постоянный ток всегда больше, чем максимальное смещение постоянного тока в токе намагничивания в трансформаторе из-за дисбаланса.Введение резистора в одну из фаз первичной обмотки или последовательно с одной из вторичных диодов — лучший способ проверить расчетный запас в процессе разработки. Один из быстрых способов убедиться в том, что трансформатор насыщается, состоит в том, чтобы проверить наличие какой-либо нелинейности в первичных токах. Вогнутая форма кривой первичного тока указывает на то, что трансформатор близок к насыщению.

    Похожие записи

    20.08.2023 0

    Преобразователь тока автомобильный. Автомобильный инвертор: как выбрать преобразователь напряжения 12-220В для ноутбука и других устройств

    07.08.2023 0

    Частотный преобразователь для однофазного двигателя: особенности применения и настройки

    07.08.2023 0

    Преобразователь первичный измерительный. Первичный измерительный преобразователь: виды, принцип работы, применение

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *