Преобразователь напряжения принцип работы: назначение, функции и области применения

Обратите внимание! Наличие трансформатора позволяет проектировать устройства с несколькими значениями выходного напряжения.

Разделительный трансформатор импульсных источников имеет небольшие габариты и массу, поскольку работает на высокой частоте.

Импульсный трансформатор

Обратная связь для контроля за выходными параметрами осуществляется через дополнительную обмотку трансформатора либо через оптрон.

Повышающий преобразователь с разделительным трансформатором вместо дросселя называется обратноходовым (flyback converter).

Испытания

Испытания импульсных устройств производят во всем диапазоне входного напряжения при номинальной нагрузке на выходе. Измерениям подлежат такие параметры:

• Значение выходного напряжения;
• Стабилизация при изменении тока нагрузки;
• Величина помех на входе и выходе.

Источники питания, собранные по типовым схемам на современной элементной базе, отличаются высокими эксплуатационными характеристиками, просты в сборке и настройке. Большой ассортимент ШИМ контроллеров позволяет собирать схемы с любыми параметрами в зависимости от требований.

Видео

Обзор сдвоенных преобразователей: работа, режимы и типы

В предыдущем руководстве мы увидели, как устроена схема двойного источника питания, теперь мы узнаем о сдвоенных преобразователях , которые могут преобразовывать переменный ток в постоянный и постоянный в переменный. в то же время. Судя по названию, Dual Converter имеет два преобразователя: один преобразователь работает как выпрямитель (преобразует переменный ток в постоянный), а другой преобразователь работает как инвертор (преобразует постоянный ток в переменный). Оба преобразователя подключены друг к другу с общей нагрузкой, как показано на рисунке выше.Чтобы узнать больше о выпрямителях и инверторах, перейдите по ссылкам.

Почему мы используем сдвоенный преобразователь? Если только один преобразователь может питать нагрузку, тогда почему мы используем два преобразователя? Эти вопросы могут возникнуть, и вы получите ответ в этой статье.

Здесь у нас есть два конвертера, соединенных спина к спине. Благодаря такому типу подключения данное устройство может быть рассчитано на четырехквадрантный режим работы . Это означает, что напряжение нагрузки и ток нагрузки становятся обратимыми.Как возможна четырехквадрантная работа в сдвоенном преобразователе? Это мы увидим дальше в этой статье.

Как правило, сдвоенные преобразователи используются для реверсивных приводов постоянного тока или приводов постоянного тока с переменной скоростью . Он используется для приложений большой мощности.

Четырехквадрантная работа в двойном преобразователе

Первый квадрант: напряжение и ток положительные.

Второй квадрант: напряжение положительное, а ток отрицательное.

Третий квадрант: напряжение и ток отрицательны.

Четвертый квадрант: напряжение отрицательное, а ток положительное.

Из этих двух преобразователей первый преобразователь работает в двух квадрантах в зависимости от значения угла зажигания α. Этот преобразователь работает как выпрямитель, когда значение α меньше 90˚ . В этой операции преобразователь вырабатывает положительное среднее напряжение нагрузки и ток нагрузки и работает в первом квадранте .

Когда значение α больше 90˚, этот преобразователь работает как инвертор . В этой операции преобразователь выдает отрицательное среднее выходное напряжение, и направление тока не изменяется. Поэтому ток нагрузки остается положительным. При работе в первом квадранте энергия передается от источника к нагрузке, а в работе в четвертом квадранте энергия передается от нагрузки к источнику.

Точно так же второй преобразователь работает как выпрямитель, когда угол включения α меньше 90 °, и он работает как инвертор, когда угол включения α больше 90 ° .Когда этот преобразователь работает как выпрямитель, среднее выходное напряжение и ток отрицательны. Итак, он работает в третьем квадранте , и поток мощности идет от нагрузки к источнику. Здесь двигатель вращается в обратном направлении. Когда этот преобразователь работает как инвертор, среднее выходное напряжение положительное, а ток — отрицательное. Итак, он работает во втором квадранте , и поток мощности идет от нагрузки к источнику.

Когда поток энергии идет от нагрузки к источнику, двигатель ведет себя как генератор, и это делает возможным рекуперативное отключение .

Принцип двойного преобразователя (идеальный двойной преобразователь)

Чтобы понять принцип работы двойного преобразователя, мы предполагаем, что оба преобразователя идеальны. Это означает, что они вырабатывают чистое выходное напряжение постоянного тока, на выходных клеммах нет пульсаций. Упрощенная эквивалентная схема сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже.

На приведенной выше принципиальной схеме преобразователь рассматривается как управляемый источник постоянного напряжения, и он включен последовательно с диодом.Угол открытия преобразователей регулируется цепью управления. Таким образом, напряжения постоянного тока обоих преобразователей равны по величине и противоположны по полярности. Это позволяет пропускать ток в обратном направлении через нагрузку.

Преобразователь, работающий как выпрямитель, называется преобразователем положительной группы, а другой преобразователь, работающий как инвертор, называется преобразователем отрицательной группы.

Среднее выходное напряжение зависит от угла зажигания. Для однофазного инвертора и трехфазного инвертора среднее выходное напряжение составляет в форме приведенных ниже уравнений.

  E  DC1  = E  макс  Cos⍺  1  
  E  DC2  = E  макс  Cos⍺  2   

Где α ₁ и α ₂ — угол включения преобразователя-1 и преобразователя-2 соответственно.

Для однофазного сдвоенного преобразователя,

  E  макс  = 2E  м  / π  

Для трехфазного сдвоенного преобразователя,

  E  макс  = 3√3E  м  / π  

Для идеального преобразователя,

  E  DC  = E  DC1  = -E  DC2  
  E  max  Cos⍺  1  = -E  max  Cos⍺  2  
  Cos⍺  1  = -Cos⍺  2  
  Cos⍺  1  = Cos (180⁰ - ⍺  2 ) 
   1  = 180 -  2  
   1  + ⍺  2  = 180  

Как обсуждалось выше, среднее выходное напряжение является функцией угла включения.Это означает, что для получения желаемого выходного напряжения нам необходимо контролировать угол зажигания. Схема управления углом зажигания может использоваться так, что при изменении управляющего сигнала E _c угол открытия α ₁ и α ₂ будет изменяться таким образом, что он будет соответствовать приведенному ниже графику.

Практичный сдвоенный преобразователь

На практике мы не можем рассматривать оба преобразователя как идеальный преобразователь. Если угол открывания конвертеров установлен таким образом, что ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰.В этом состоянии среднее выходное напряжение обоих преобразователей одинаковое по величине, но противоположной полярности. Но из-за пульсаций напряжения мы не можем получить точно такое же напряжение. Таким образом, существует мгновенная разница напряжений на выводах постоянного тока двух преобразователей, которые создают огромный c промежуточный ток между преобразователями, который будет проходить через нагрузку.

Следовательно, в практическом двойном преобразователе необходимо контролировать циркулирующий ток.Есть два режима управления циркулирующим током.

1) Работа без циркуляционного тока

2) Работа с циркулирующим током

1) Работа с двумя преобразователями без циркулирующего тока

В этом типе сдвоенного преобразователя только один преобразователь находится в проводящем состоянии, а другой преобразователь временно заблокирован. Таким образом, одновременно работает один преобразователь и реактор между преобразователями не требуется. В конкретный момент, допустим, преобразователь-1 действует как выпрямитель и обеспечивает ток нагрузки.В этот момент преобразователь-2 блокируется удалением угла зажигания. В режиме инверсии преобразователь-1 блокируется, а преобразователь-2 обеспечивает ток нагрузки.

Импульсы на преобразователь-2 подаются после времени задержки. Время задержки составляет около от 10 до 20 мс . Почему мы применяем время задержки между сменой операции? Обеспечивает надежную работу тиристоров. Если преобразователь-2 сработает до того, как преобразователь-1 полностью отключится, между преобразователями будет протекать большой циркулирующий ток.

Существует множество схем управления для создания угла зажигания для работы двойного преобразователя без циркуляционного тока. Эти схемы управления предназначены для работы очень сложных систем управления. Здесь одновременно находится только один преобразователь. Следовательно, можно использовать только одну единицу угла открытия. Ниже перечислены несколько основных схем.

A) Выбор преобразователя по полярности сигнала управления

B) Выбор преобразователя по полярности тока нагрузки

C) Выбор преобразователя по управляющему напряжению и току нагрузки

2) Работа с двумя преобразователями с циркулирующим током

In без преобразователя циркулирующего тока требует очень сложной системы управления, а ток нагрузки непостоянен.Чтобы преодолеть эти трудности, существует двойной преобразователь, который может работать с циркулирующим током. Токоограничивающий дроссель подключен между выводами постоянного тока обоих преобразователей. Угол зажигания обоих преобразователей установлен таким образом, чтобы через реактор протекал минимальный циркулирующий ток. Как обсуждалось в идеальном инверторе, циркулирующий ток равен нулю, если ₁ + ⍺ ₂ = 180⁰.

Допустим, угол включения конвертера-1 составляет 60 °, тогда угол открытия конвертера-2 должен поддерживаться на уровне 120 °.В этой операции преобразователь-1 будет работать как выпрямитель, а преобразователь-2 будет работать как инвертор. Таким образом, в этом режиме работы оба преобразователя одновременно находятся в проводящем состоянии. Если ток нагрузки меняется на противоположное, преобразователь, который работает как выпрямитель, теперь работает как инвертор, а преобразователь, который работает как инвертор, теперь работает как выпрямитель. В этой схеме оба преобразователя проводят одновременно. Итак, требуется два блока генератора угла зажигания.

Преимущество этой схемы состоит в том, что мы можем получить плавную работу преобразователя в момент инверсии.Время отклика схемы очень быстрое. Нормальный период задержки составляет от 10 до 20 мсек в случае исключения работы без циркулирующего тока.

Недостатком схемы является то, что размеры и стоимость реактора велики. Из-за циркулирующего тока коэффициент мощности и КПД низкие. Для управления циркулирующим током требуются тиристоры с высокими номинальными токами.

В зависимости от типа нагрузки используются однофазные и трехфазные сдвоенные преобразователи .

1) Однофазный двойной преобразователь

Принципиальная схема сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже. В качестве нагрузки используется двигатель постоянного тока с независимым возбуждением. Клеммы постоянного тока обоих преобразователей соединены с выводами обмотки якоря. Здесь два однофазных полных преобразователя соединены спиной друг к другу. Оба преобразователя обеспечивают общую нагрузку.

Угол открытия конвертера-1 составляет α ₁ , а α ₁ меньше 90˚ .Следовательно, преобразователь-1 действует как выпрямитель. Для положительного полупериода (0 Итак, эта операция известна как движение вперед, и преобразователь работает в первом квадранте.

Угол включения преобразователя-2 составляет 180 — α ₁ = α ₂ и α ₂ больше 90˚ .Итак, преобразователь-2 действует как инвертор. В этой операции ток нагрузки остается в том же направлении. Полярность выходного напряжения отрицательная. Следовательно, преобразователь работает в четвертом квадранте. Эта операция известна как рекуперативное торможение.

Для обратного вращения двигателя постоянного тока преобразователь 2 действует как выпрямитель, а преобразователь 1 действует как инвертор. Угол включения конвертера-2 α ₂ меньше 90˚. Альтернативный источник напряжения питает нагрузку.В этой операции ток нагрузки отрицательный, а среднее выходное напряжение также отрицательное. Следовательно, преобразователь-2 работает в третьем квадранте. Эта операция называется реверсивным движением.

В режиме реверса угол включения преобразователя 1 меньше 90 °, а угол включения преобразователя 2 больше 90 °. Итак, в этой операции ток нагрузки отрицательный, но среднее выходное напряжение положительно. Итак, преобразователь-2 работает во втором квадранте.Эта операция известна как обратное рекуперативное торможение.

Форма сигнала однофазного сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже.

2) Трехфазный сдвоенный преобразователь

Принципиальная схема трехфазного сдвоенного преобразователя показана на рисунке ниже. Здесь два трехфазных преобразователя соединены спиной друг к другу. Принцип работы такой же, как у однофазного сдвоенного преобразователя.

Так сконструированы двойные преобразователи, и, как уже говорилось, они обычно используются для создания реверсивных приводов постоянного тока или приводов постоянного тока с регулируемой скоростью в приложениях большой мощности.

| IntechOpen

1. Введение

Было проведено несколько исследований импульсных преобразователей постоянного тока в постоянный, чтобы убедиться, что они удовлетворяют самым строгим критериям применения силовой электроники. Возможность минимизировать коммутационные потери и потери проводимости в коммутационном режиме за счет увеличения частоты коммутации делает их более привлекательными. Тем не менее, несколько коммутационных топологий могут обеспечить передачу большой мощности [1, 2], но проблема заключается в силовых переключателях (транзисторах или MOSFET), диодах и пассивных элементах накопления энергии (конденсаторах и катушках индуктивности), содержащихся в структуре силовых преобразователей. , что влияет на их эффективность.Эффективные схемы были разработаны для преобразователей энергии наряду с разработками в области материалов, систем управления и устройств. Такие топологии могут минимизировать общий размер преобразователя и потери на переключение, тем самым обеспечивая более высокий КПД [3, 4, 5]. Преобразователи постоянного тока в постоянный можно разделить на три основные группы (линейные, с жестким переключением и резонансные преобразователи с мягким переключением) в зависимости от их режимов работы, как показано на рисунке 1 [6, 7, 8].

Рисунок 1.

Классификация DC-DC преобразователей.

Преимущества технологий линейных регуляторов включают низкий уровень шума, быстрый отклик, простоту и отличное регулирование. Однако у них есть некоторые недостатки, такие как рассеивание мощности в любых рабочих условиях, что может привести к низкой эффективности. Топологии с переключаемым режимом можно разделить на категории на основе функции изоляции преобразователя с гальванической развязкой, который также называется прерывателем, и неизолированного преобразователя. Гальваническая развязка требуется в большинстве приложений в процессе преобразования энергии от электросети (напряжения в диапазоне от 100 до 600 В) по соображениям безопасности [9, 10, 11].Поскольку в этих преобразователях требуется трансформатор большей мощности, преобразователь с одним переключателем может не быть подходящим решением для приложений с более высокой мощностью, и поэтому другие изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный с более чем одним переключателем, такие как двухтактный и полные или полумостовые преобразователи больше подходят для таких мощных приложений. Переходы с жестким переключением в устройствах, работающих с импульсными преобразователями, приведут к большому рассеянию мощности и постепенному снижению КПД преобразователя; это также может повредить коммутационные устройства.Демпферы используются для уменьшения нагрузки на переключатели и решения этой проблемы рассеивания мощности. Кроме того, преобразователи с жестким переключением имеют другие недостатки, такие как ограниченная частота, высокие электромагнитные помехи, высокие потери переключения, большой размер и большой вес. Еще две проблемы возникают при контроле передаваемой мощности; первый — это шум, генерируемый во время процесса переключения, а второй — это потеря энергии в переключателях.

Несмотря на эти недостатки, в данном исследовании реализованы переходы с жестким переключением [12].Напряжение и ток активных ключей были изменены, чтобы преодолеть или минимизировать их влияние [13]. Эти модифицированные методы работают либо путем принудительного обнуления напряжения на переключателе или тока через переключатель, и такой метод перехода может быть достигнут только с помощью метода мягкого переключения (рисунок 2). Форма волны тока принудительно уменьшается до 0 в схеме переключения при нулевом напряжении (ZCS), в то время как форма волны напряжения обрабатывается как таковая схемой переключения при нулевом напряжении (ZVS). Силовые цепи с этими типами переходных технологий называются преобразователями с мягкой коммутацией (SSC) [14].Между тем, есть несколько преимуществ SSC перед регуляторами линейного режима. Преимущества включают (i) возможность использования небольшого ферритового сердечника трансформатора из-за высокой частоты переключения, что делает возможной работу в более широком диапазоне входного постоянного напряжения по сравнению с линейными регуляторами; и (ii) он предлагает более высокую эффективность. Однако сложность схемы управления связана с несколькими недостатками по сравнению с линейной схемой управления; и метод переключения мощности может увеличить шум источника питания.

Рис. 2.

Форма волны тока и напряжения при жестком и мягком переключении при переходах как при включении, так и при выключении.

SSC были значительно улучшены в области коммутационных потерь, электромагнитных помех и нагрузок на устройства, что позволяет конвертерам идеально работать даже на более высоких частотах и, как следствие, уменьшении магнитных компонентов. Как правило, семейства SSC ​​подразделяются на преобразователи с резонансным переходом (RTC), резонансные преобразователи мощности (RPC), квазирезонансные преобразователи (QRC) и многорезонансные преобразователи (MRC) в зависимости от их режимов работы, как показано на рисунке 3. .

Рисунок 3.

Категории ОЦО.

2. Резонансные преобразователи мощности (RPC)

На рисунке 4 показана структура RPC, и каждый этап представляет собой конкретное задание, которое необходимо выполнить. Управляемая коммутационная сеть (CSN) питается от источника постоянного тока; он быстро включается и выключается в зависимости от рабочей частоты, чтобы генерировать выходное напряжение или ток, которые питают следующую ступень. Синусоидальные сигналы напряжения и тока генерируются на этапе высокочастотной резонансной сети резервуаров (RTN), где есть два или более реактивных компонента.Это необходимо для уменьшения электромагнитных помех и гармонических искажений [15]. Будучи развернутой в качестве ступени амортизации энергии между нагрузкой и CSN, частотно-избирательная сеть может идентифицировать этот этап. Импедансы емкости и индуктивности в условиях резонанса эквивалентны и будут обеспечивать резонансную частоту. Затем выпрямительная сеть и проходной фильтр используются для выпрямления и фильтрации выходного сигнала, чтобы генерировать ожидаемое выходное напряжение постоянного тока [16].

Рисунок 4.

Структура ПКР.

2.1 Сеть коммутации управления (CSN)

Полный и полумост — это самые распространенные коммутационные сети, использование которых зависит от мощности. Для приложений большой мощности часто используется полный мостовой инвертор, в отличие от односторонних или полумостовых инверторов, которые могут подавать на активный переключатель только половину входного напряжения. Это указывает на то, что полномостовые инверторы имеют низкую скорость переключения напряжения, что делает их идеальными для применения в условиях высокого входного напряжения [17].RPC и полумостовой или полный мостовой инвертор часто развертываются вместе с каждым из выпрямителей с центральным или полным мостом [18].

CSN, изображенный на рисунке 5, генерирует напряжение прямоугольной формы Vs (t) с частотой переключения fs ( _с = 2π fs), как показано в формуле. 1 рядом Фурье. Принимая во внимание отклик резонансного резервуара, который доминирует над основной составляющей fs формы волны напряжения Vs (t), то бесконечно малый отклик ясно демонстрирует гармонические частоты nfs, n = 3, 5, 7,….В результате мощность, которая коррелирует с основной составляющей формы волны напряжения Vs (t), перемещается в резонансный резервуар, как показано в формуле. (2). Основная составляющая — это синусоидальный сигнал с пиковой амплитудой, умноженной на (4 / π) напряжением источника постоянного тока. Эта основная составляющая и исходная форма волны находятся в одной фазе. Однако, когда S1 включен, имеется положительный выходной синусоидальный коммутируемый ток (t), но отрицательный, когда S2 выключен. Это связано с попеременным принципом работы двух переключателей и его пиковой амплитудой Is1 с фазой, равной φs.Входной ток (DC) в CSN может быть вычислен путем деления синусоидального коммутируемого тока на половину периода переключения [6, 16].

Vst = 4Vgπ∑n = 1,3,5,… 1nsinnωstE1

Vs1t = 4VgπsinnωstE2

ist = Is1sinωst − φsE3

Iin = 2Ts∫0Ts2istdt = 2π6Is4000. CS7000 Схема

2.2 Резонансная сеть резервуаров (RTN)

Резонансная сеть резервуаров (RTN) состоит из LC-контура (реактивных элементов), запасающего колебательную энергию с частотой резонансного контура.Резонанс LC-контура h достигает электромагнитной частоты, полезной в нескольких приложениях, включая телекоммуникационные технологии. Резервуар можно заряжать до определенной резонансной частоты, регулируя данные реактивного элемента. Кроме того, важной фазой резонансного преобразователя мощности является резонансная сеть резервуаров. Есть разные виды RTN; в основном он подразделяется на три параметра. Во-первых, резонансный преобразователь мощности может быть разделен на секции с помощью техники соединения, используемой в элементе резервуара.Три основных общих резонансных контура включают последовательно-параллельный резонансный преобразователь (SPRC), последовательный резонансный преобразователь (SRC) и параллельный резонансный преобразователь (PRC) [19]. Второй фактор заключается в количестве реактивных элементов (величине порядка передаточной функции). Однако третий зависит от элементов и многоэлементного резонансного бака [16]. Топографии трех элементов RTN (резонансный резервуар третьего порядка) контролируются для устранения недостатков в двух элементах RTN. В частности, третий элемент помещается в два элемента RTN с определенным размышлением для создания трех элементов RTN.Таким образом, их можно рассматривать как объединение преимуществ наиболее часто используемых двухэлементных резонансных преобразователей PRC и SRC и усиливать их недостатки. RTN третьего порядка содержит 36 различных резервуаров, наиболее часто используемые резервуары — LCC, LCL и CLL [14, 20]. Многоэлементные резонансные преобразователи — это RTN, которые содержат четыре и более элементов. Следует отметить, что увеличение количества реактивных элементов приводит к усложнению сети в зависимости от ее размера, анализа и стоимости.Например, на рисунке 6 показан RTN четвертого порядка, который называется системой резервуаров LCLC [21]; эта топология включает характеристики двух основных известных трехэлементных систем, таких как LLC и LCC, а затем отражает их неудачи.

Рисунок 6.

Иллюстрация четырехэлементного RTN (LCLC).

2.3 Схема диодного выпрямителя с фильтром нижних частот (DR-LPF)

RTN генерирует формы волны напряжения и синусоидальный ток на основе выходного напряжения и резонансной частоты, которые считаются входными для последней фазы DR-LPF — это форма импульса.Это означает, что целью использования DR-LPF является фильтрация и корректировка формы сигнала переменного тока для достижения соответствующей формы выходного сигнала постоянного тока. В предыдущих исследованиях резонансного преобразователя мощности DR-LPS был проиллюстрирован как мостовой выпрямитель или выпрямитель с центральным отводом. Хотя выпрямитель с центральным отводом не подходит из-за повышенного напряжения на диодах, фильтр нижних частот был исследован на предмет наличия индуктивности или емкости [16, 22].

2.3.1 Диодный выпрямитель с емкостным фильтром нижних частот (DR-CLPF)

В DR-CLPF входное напряжение VR (t) оценивается как прямоугольная волна резонансной частоты, как показано на рисунке 7.Входное напряжение VR (t) может быть оценено на основе резонансной фильтрации резервуара с его основным компонентом VR1 (t), как показано в уравнениях. (6) и (7) соответственно. Кроме того, основной компонент и ток находятся в одной фазе, любое падение тока до нуля приводит к изменению основного отсека из-за изменений в проводящих диодах.

Рисунок 7.

DR-CLPF, содержащий емкостной пропускной фильтр и его переменные формы сигналов.

iRt = Ipsinωst − φsE5

VRt = 4Voπ∑n = 1,3,5,… 1nsinnωst − φsE6

VR1t = 4Voπsinωst − φsE7

Io = 2Ts∫0Ts2iRtd8t = 20003.2 Диодный выпрямитель, соединенный с индуктивным фильтром нижних частот (DR-LLPF)

Диодный выпрямитель соединен с входным напряжением VR (t) (синусоидальная форма волны) и индукционной рубашкой фильтра. Введенный ток оценивается как прямоугольный сигнал iR (t), как показано на рисунке 8.

Рисунок 8.

DR-LLPF в сочетании с индуктивным пропускным фильтром и его переменными формами сигнала.

VRt = Vpsinωst − φsE9

iRt = 4Ioπ∑n = 1,3,5,… 1nsinnωst − φsE10

iR1t = 4Ioπsinωst − φsE11

Vo = 2Ts∫0Ts2VRtdt = 20005VREtdt.Свойства резонансных преобразователей мощности

3.1 Параллельный резонансный преобразователь (PRC)

PRC подразделяется на два преобразователя с баком. Резонансный конденсатор Cr должен быть подключен параллельно диодной выпрямительной цепи DR и нагрузке. Для эффективного сопротивления нагрузки Rac намного больше по сравнению с реактивным сопротивлением резонансного конденсатора Cr; это означает, что резонансный ток не пропорционален нагрузке. Кроме того, кроме того, напряжение на резонансном конденсаторе и параллельном сопротивлении Rac можно улучшить, уменьшив нагрузку [14].На рисунке 9 показано соотношение между коэффициентом качества нагрузки и усилением напряжения PRC в зависимости от частоты переключения на основе уравнения. (13). Можно заметить, что усиление высокого напряжения достигается за счет частот переключения и условий легкой нагрузки, которые почти эквивалентны резонансной частоте fs = fr. Следовательно, PRC может либо понижать, либо повышать выходное напряжение в зависимости от изменения частоты системы управляющей коммутации. Выходное напряжение может регулироваться в зависимости от состояния нагрузки, тогда как резонансный ток ограничен данными резонансного индуктора, это делает PRC подходящим для приложений с разомкнутым и коротким замыканием [23].

Рисунок 9.

Характеристика усиления по напряжению PRC.

MV = 11 − fsfr22 + fsfr1Q2E13

3.2 Резонансный преобразователь LLC

Резонансный преобразователь LLC в RTN состоит из трех реактивных элементов, поэтому он оценивается как обычный SRC и добавлен катушка индуктивности L _r , равноудаленная от нагрузки, которая именуется параллельным дросселем L _RP . Параллельный индуктор можно заменить на индуктивность намагничивания при использовании трансформатора [14, 16].Топология LLC генерирует две резонансные частоты: во-первых, последовательную резонансную частоту fr1 в зависимости от последовательных элементов L _r C _r и, во-вторых, параллельную резонансную частоту fr2, зависящую от всех трех элементов резервуара (L _rp , C _r и L _r ), как показано в уравнениях. (14) и (15), где f _r1 > f _r2 .

fr1 = 12πLr + LrpCrE14

fr2 = 12πLrCrE15

На рисунке 10 показано усиление напряжения LLC в зависимости от отношения единичной индуктивности (AL = 1), частоты переключения и коэффициента качества нагрузки, как показано в уравнении.(16).

MV = 11 − fsfr22 + fsfr1Q2E16

Рис. 10.

Коэффициент усиления по напряжению LLC-преобразователя.

3.3 Резонансный преобразователь LCC

Топология LCC в RTN состоит из трех реактивных элементов, конденсатор Crp, подключенный к нагрузке параллельно, представляет собой третий элемент. Таким образом, топология содержит две резонансные частоты: во-первых, последовательную резонансную частоту fr1, зависящую от последовательных элементов Lr Cr, и, во-вторых, параллельную резонансную частоту fr2, зависящую от всех трех элементов резервуара (Lrp, Cr и Lr), как показано на они показаны в уравнениях.(17) и (18), где fr1

fr1 = 12πLrCrE17

fr2 = 12πLrCrCrpCr + CrpE18

В преобразователях LCC пропорция резонансных конденсаторов переменного тока должна выбираться разумно, чтобы быть равной заданному пиковому усилению. Рисунок 11 объясняет усиление напряжения LCC в зависимости от параметра качества нагрузки и частоты переключения с одним коэффициентом индуктивности (AC = 1), как описано в уравнении. (19). Видно, что коэффициент усиления напряжения малой нагрузки увеличивается в зависимости от свойств преобразователя, и параллельная резонансная частота fr2 действует как параллельный резонансный преобразователь PRC.

MV = 11 + AC21 − fsfr222 + 1Qfsfr1 − ACAC + 1fr1fs2E19

Рисунок 11.

Коэффициент усиления по напряжению преобразователя LCC.

3.4 Резонансный преобразователь LCLC

Подобно LCC, топология LCLC в RTN включает четыре реактивных элемента, как показано на рисунке 6, где эта топология гомогенизирует характеристики LLC и LCC. Структура топологии включает в себя параллельный резонансный конденсатор Crp, параллельную резонансную индуктивность Lrp и последовательные элементы Lr Cr, что подразумевает, что топология содержит две пропорции, при которых индуктивность AL и емкость AC должны быть оценены при проектировании.Кроме того, топология включает три частоты: две параллельные частоты frp1, frp2 и одну последовательную резонансную частоту frs. Рисунок 12 отражает соотношение между коэффициентом качества нагрузки, AC = AL = 1, и усилением напряжения LCLC в зависимости от частоты переключения, как показано в формуле. (20).

MV = 11 + AC + AL − ACfsfr2 − ALfrfs22 + 1Qfrfs − fsfr2E20

Рис. 12.

Коэффициент усиления по напряжению преобразователя LCLC.

4. Управляемые стратегии резонансных преобразователей

Управляемые стратегии резонансных преобразователей немного отличаются от преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).Для обеспечения плавного переключения в определенном сегменте необходимо учитывать множество параметров, чтобы создать точный контроллер, который может достичь желаемых результатов, таких как состояние нагрузки, элементы накопления энергии, частотный диапазон и другие. Было несколько управляемых топологий, которые применялись в предыдущих исследованиях для управления последовательными резонансными преобразователями. Например, модуляция плотности импульсов, контроль напряжения и тока, контроль диодной проводимости и контроль частоты [24]. Напряжение полного мостового резонансного преобразователя регулировалось с помощью регулятора фазового сдвига; это явление можно назвать переключением первичного сигнала управления.Кроме того, для улучшения результатов системы управления было сообщено о нескольких усовершенствованных методах с помощью адаптивного управления [25], которые включают управление на основе пассивности и управление автоматическим подавлением помех (ADRC). Контроль фазового сдвига использовался для управления током резонанса [26]. Из-за этого результат управления был увеличен по сравнению с традиционной системой управления PSRC. Исходя из предыдущих исследований, контролируемые методы можно разделить на методы их реализации: аналоговые или цифровые.Цифровые контроллеры используются из-за их гибкости в компактности, программировании и легкости по сравнению с аналоговыми контроллерами, они также более устойчивы к ошибкам и шумам. Трехэлементный DC-DC резонансный преобразователь типа LLC был рассмотрен в этой части для того, чтобы сравнить характеристики частоты (рабочего цикла) с регулируемой частотой с точки зрения широкого изменения нагрузки.

Кроме того, чтобы обеспечить расширение диапазона ZVS для всех инверторных переключателей (S1 – S4) и улучшить коэффициент усиления напряжения преобразователя.Затем индуктивность намагничивания и резонансный резервуар используются для генерации второй резонансной частоты fr1 = 1Lr + Lm.Cr.

Из рисунка 14, коэффициент усиления M LLC-резонансного преобразователя оценивается с использованием закона делителя напряжения с учетом добротности нагрузки Q и коэффициента повышения трансформатора, как показано в формуле. (21).

M = VoVin = ZiZo = F2AL − 1nfs2fr22−12 + QF3 − F2AL − 12E21

4.1 Управление фиксированной частотой

Цель использования этого метода состоит в том, что на выходное напряжение влияет изменение рабочего цикла для достижения целевое выходное напряжение.Однако ошибка, которая существует между постоянным желаемым напряжением (опорным напряжением) Verr = Vref-Vmeas и измеренным напряжением, используется для ПИ-регулятора. Таким образом, управляемый сигнал относился к генератору ШИМ через использование частоты переключения при генерации стробирующего сигнала для всех переключателей. Из уравнения. Согласно (21) частота переключения, равная 42,5 кГц, является наивысшим коэффициентом усиления, который может быть получен, если частота переключения и резонансная частота ближе. Следовательно, рабочий цикл — единственный фактор, измеряющий выходное напряжение.Поскольку пульсации напряжения могут изменяться при изменении нагрузки, рабочий цикл будет реагировать на изменение нагрузки относительно расчетных пульсаций выходного напряжения.

4.2 Управление переменной частотой

Этот элемент управления изменяет частоту переключения при регулировке выходного напряжения, чтобы достичь заданного уровня нагрузки и сохранить стабильное выходное напряжение преобразователя в любой ситуации, как показано на рисунке 5. Кроме того, ошибка существует между стабильным заданным напряжением (опорным напряжением) Verr = Vref-Vmeasи измеренное значение используется в ПИ-регуляторе.Следовательно, контроллер увеличивает или уменьшает частоту переключения на основе заданного выходного напряжения, если происходит какое-либо отклонение от требуемого выходного сигнала или знак ошибки. Таким образом, сигнал будет отправлен на все переключатели устройства. В зависимости от индуктивности намагничивания и резонансного импеданса, отклик резервуара необходимо сохранять индуктивно, чтобы оценить достижение ZVS во всех переключателях. Однако диапазоны контролируемой частоты коммутации необходимо ограничивать более высокими и более низкими частотами, что подтверждает выполнение ZVS (45-37.5 кГц).

4.3 Результаты моделирования

Моделирование резонансного преобразователя выполнено и реализовано с использованием программного обеспечения MATLAB / SIMULINK с использованием факторов, перечисленных в таблице 1; это необходимо для проверки конструктивной схемы резонансного DC-DC преобразователя серии LLC, показанной на рисунке 13, и анализа методов управления.

Таблица 1.

Параметры LLC-преобразователя.

Рис. 13.

Упрощенная иллюстрация полномостового LLC-резонансного преобразователя.

Рисунок 14.

Эквивалентная схема переменного тока между выпрямителем и инвертором.

Рисунок 15.

Формы сигналов моделирования резонансного входного напряжения резервуара V AB, резонансного тока индуктора i L, резонансного напряжения конденсатора V cr и первичного напряжения трансформатора V pri.

Рисунок 16.

Динамический отклик выходного напряжения, выходного тока и сигнала управляемого рабочего цикла в зависимости от изменения нагрузки.

Рисунок 17.

Формы сигналов моделирования входного напряжения резонансного резервуара V AB, резонансного тока индуктора i L, резонансного напряжения конденсатора V cr и первичного напряжения трансформатора V pri.

Рисунок 18.

Динамическая характеристика выходного напряжения, выходного тока и сигнала управляемой частоты в зависимости от изменения нагрузки от полной до половинной нагрузки.

В этом управлении частотой управляемый сигнал используется для генератора ШИМ при генерации стробирующих сигналов для всех переключателей. Затем переключатели S1 и S4 одновременно улучшаются и заменяют переключатели S2 и S3 для генерации входного напряжения для резонансного резервуара VAB. Следовательно, резонансные элементы генерируют напряжение VC и синусоидальный ток iLras, показанное на рисунке 15.

На рисунке 16 показано выходное напряжение динамического отклика контроллера рабочего цикла, нагрузка повышается и понижается в пределах половинной нагрузки 200 Ом и полной нагрузки 100 Ом. Было замечено, что пульсации выходного напряжения огромны в условиях полной нагрузки по сравнению с состоянием половинной нагрузки, что отражает прямые изменения рабочего цикла в условиях полной нагрузки. Несмотря на то, что система обеспечивает благоприятный результат, управляя выходным напряжением, эквивалентным 300 В, тем не менее, резонансные параметры резервуара не соответствуют резонансной концепции во время изменений нагрузки, как показано на рисунке 15.Во время моделирования t = 0,1 с нагрузка изменяет удержание параметров резервуара переменного тока на 1,5e-3 с, после чего резонансные параметры воспроизводят целевые параметры переменного тока в зависимости от значения нагрузки, что может быть оценено как недостаток. техники контроля рабочего цикла.

В методе управления переменной частотой измеренное выходное напряжение используется для определения частоты. После этого управляемый сигнал реализуется на ШИМ для создания сигналов затвора для всех переключателей с учетом продолжительности переключения в зависимости от природы преобразователя для создания огромного усиления выходного напряжения.Кроме того, изменение нагрузки проверяется и применяется для подтверждения динамических характеристик контроллера. На рисунке 18 показана динамическая характеристика выходного напряжения регулятора частоты, при этом нагрузка повышается и понижается аналогично регулированию рабочего цикла. Также можно заметить, что в этом методе управления состояние полной нагрузки приводит к огромным колебаниям выходного напряжения по сравнению с состоянием половинной нагрузки, и это подтверждает значительное изменение частоты во всем состоянии нагрузки.Кроме того, регулировка частоты параметра дает значительный отклик на параметры переменного тока резервуара, как показано на рисунке 17. При изменении нагрузки параметры переменного тока временно реагируют, увеличивая или уменьшая значения напряжения и резонансного тока в зависимости от изменяемой частоты и сохраняя форму. синусоидальной формы волны.

5. Применение резонансных преобразователей мощности

Исходя из достаточных недостатков RPC, о которых говорилось ранее в вышеупомянутых сегментах, они нечасто применяются в современной промышленности.Краткое изложение заметных реализаций обсуждается в этом сегменте. Основными областями применения RPC являются бытовые приложения, такие как индукционные плиты, портативные источники питания, подключение к сети возобновляемых источников энергии, а также гибридные и электрические транспортные средства. В случае портативного источника питания требования к преобразователю включают низкую цену, легкий вес и небольшие размеры, высокую эффективность, высокую надежность и низкие электромагнитные помехи (EMI). Мягкое переключение — способ обеспечить более высокий КПД; это может быть реализовано с помощью RPC.В зависимости от области применения можно выбрать топологию, обеспечивающую максимальную эффективность, идеальную стоимость и размер. Например, для подачи энергии в отсек электронно-лучевой сварки используется полный мостовой LLC-резонансный преобразователь [16]. Технология и топология мягкого переключения решают проблему, связанную с использованием мощности в источнике нити накала, избегая проблемы нагрева инвертора и обеспечивая более высокий КПД. МПК используются в электрофильтре. Это мощное устройство, используемое в промышленности для удаления дыма и пыли из проходящего газа.Последовательно-параллельный RPC в сочетании с фазовым управлением, предложенным в [27], имеет незначительные размеры; он дает более быстрый временный отклик и обладает более высокой эффективностью по сравнению с традиционными источниками питания с частотой сети. RPC известны для зарядки гибридных транспортных средств, при этом аккумуляторы необходимо заряжать по беспроводной или проводной сети. Из-за того, что электромобили меньше по размеру и демонстрируют более высокую эффективность, используются RPC для зарядки электромобилей через провод [28] и подключаемые модули [29]. Например, высокоэффективные LLC-преобразователи предлагаются в двухступенчатых интеллектуальных зарядных устройствах.Преобразователь устраняет низкую и частотную пульсации с токового выхода и увеличивает срок службы батареи без увеличения размера зарядного устройства. Предыдущие исследования предлагали несколько топологий проводной зарядки. Помимо проводных зарядных устройств, беспроводная передача энергии (WPT) представляет собой современный процесс зарядки, используемый в гибридных и электрических транспортных средствах. Доступные технологии БПЭ включают передачу электромагнитной, магнитной и электрической энергии. Среди всего этого метод магнитной связи использует RPC, которые демонстрируют более высокую передачу мощности и более высокую эффективность на более близком расстоянии.Сообщалось о применении RPC в WPT для гибридных и электромобилей [30].

Для интеграции возобновляемых источников энергии, таких как топливные элементы, ветряные и солнечные фотоэлектрические системы, необходимы преобразователи с минимальной пульсацией тока и более высоким КПД. Преобразователи постоянного тока в постоянный являются основным условием получения мощности от возобновляемых источников энергии. Из нескольких вариантов RPC могут быть основным конкурентом из-за низкого уровня электромагнитных помех, более высокой эффективности, надежности и низкого выходного тока пульсаций. RPC используются в сетях FC [31, 32], PV [33], сетевых соединениях и интерфейсах электролизера [34].Кроме того, МПК применяется в домашних индукционных плитах. Резонансный инвертор — ключевой элемент индукционной плиты; он производит переменный ток, который нагревает отсек индуктора и емкости. Резонансные инверторы, используемые в индукционных плитах, представляют собой многоуровневые, полумостовые, однокнопочные и полномостовые инверторы [35].

6. Заключение

В этой главе наглядно описаны резонансные преобразователи мощности, которые включают эффективное генерирование RPC в качестве преобразователя с высокой коммутацией, который может служить решением для устранения электромагнитных помех (EMI) и проблем с коммутационными потерями, которые возникают при использовании преобразователи ШИМ.Кроме того, была разъяснена классификация резонансных преобразователей в зависимости от нескольких точек зрения, а также от контролируемых методов (методов с переменной или фиксированной частотой). Были объяснены методы управления и несколько областей применения резонансных преобразователей. Регуляторы переменной и фиксированной частоты используются для перекрестной проверки выходного напряжения LLC-преобразователя. Нагрузка изменяется при использовании 50% полной нагрузки во всех методах управления; Полученные результаты подтвердили значительную стабильную реакцию обоих контроллеров с небольшим перенапряжением.Тем не менее, регулировка переменной частоты дает значительный результат на основе резонансных форм волны резервуара по сравнению со стабильной регулировкой частоты при изменении нагрузки.

частота в напряжение: схемы преобразователя :: Next.gr

• Преобразователь генерирует выходное напряжение, которое линейно пропорционально форме волны входной частоты. Каждое пересечение нуля на входе компаратора вызывает выдачу точного количества изменений в суммирующий переход операционного усилителя. Этот заряд в свою очередь ….

• Эта схема преобразует частоту в напряжение, принимая среднее значение постоянного тока импульсов от моностабильного мультивибратора 74121.Один выстрел запускается положительным сигналом переменного тока на входе компаратора 529. Усилитель действует как фильтр постоянного тока ….

• Шесть компонентов могут конфигурировать схему, выходное напряжение которой пропорционально ее входной частоте. Средний ток (hvc от заземляющего контакта 8 триггерного инвертора 40106 Шмитта линейно зависит от частоты, с которой CO разряжается в….

• Teledyne Semiconductor типа TSC9402 — это универсальная ИС. Она может не только преобразовывать напряжение в частоту, но и др ..

• В этой схеме вход от оптопары IC2 подается на вход компаратора AD..

• В прецизионной схеме операционный усилитель обеспечивает выход с буферизацией, а также действует как 2-полюсный фильтр. Пульсации будут меньше 5 мВ пикового значения для всех частот выше 1 кГц, а время отклика будет намного меньше, чем в части 1. Однако для ….

• Выход постоянного тока на контакте 1 линейно изменяется с входным среднеквадратичным значением на контакте 4.2 CT настраивается до тех пор, пока сигнал svnc не совпадет по фазе с сигналом переменного тока. Вольтметр переменного тока может быть легко сконструирован. Простота схемы и небольшое количество компонентов делают его особенно ….

• В этих приложениях входной импульс на% дифференцируется цепью C-R, а отрицательный фронт на выводе 6 заставляет входной компаратор запускать схему таймера.Как и в случае преобразователя V-F, средний ток, протекающий на выводе 1, равен IaverAGE ….

• Схема на рис. 1 представляет собой простой и недорогой преобразователь напряжения во время, использующий широко распространенный чип таймера 555. Вы можете использовать моностабильный мультивибратор IC в качестве преобразователя напряжения во время, подключив вход аналогового напряжения к зарядному резистору R ,….

• Этот проект представляет собой систему цифровой автоматической регулировки усиления (AGC) с использованием микроконтроллера PIC16F876. Возможность устанавливать уровень усиления в цепи и управлять им сама по себе является очень полезной функцией. Эта схема является строительным блоком другого проекта, над которым я работаю. А ….

• Преобразователь генерирует выходное напряжение, которое линейно пропорционально форме волны входной частоты.Каждое пересечение нуля на входе компаратора вызывает выдачу точного количества изменений на суммирующий переход операционного усилителя. Этот заряд в свою очередь ….

• IC Микросхема LM2917 IC разработана специально как преобразователь частоты в напряжение или преобразователь частоты в напряжение. Для использования в приложениях для ИМС преобразователя частоты в напряжение LM2917 требуется несколько внешних компонентов.Есть несколько примеров приложений ….

• Здесь показан очень простой и недорогой преобразователь частоты в напряжение на базе микросхемы TC9400 от Microchip. TC9400 может быть подключен либо как преобразователь напряжения в частоту, либо как преобразователь частоты в напряжение, и для этого требуется минимум внешних компонентов. Файл….

• Это проектная схема для схемы тахометра на основе микросхемы LM2907, которая может использоваться для передачи данных о пересечении нуля цифровой системе. При каждом переходе входного сигнала через нуль насос заряда изменяет состояние конденсатора C1 и выдает однократный импульс ….

• Цепи преобразователя

  широко используются повсюду и бывают нескольких типов.Вот простая схема преобразователя частоты в напряжение, в которой используется микросхема LM331, которая в основном представляет собой прецизионный преобразователь напряжения в частоту. Эта микросхема имеет много применений ….

• ..

• IC Микросхема LM2917 IC разработана специально как преобразователь частоты в напряжение или преобразователь частоты в напряжение.Для использования в приложениях для ИМС преобразователя частоты в напряжение LM2917 требуется несколько внешних компонентов. Есть несколько примеров приложений ….

• Простая схема преобразователя частоты в напряжение, разработанная на основе микросхемы преобразователя TC9400 F в V / V в F. Здесь представлены варианты с двойным и одинарным питанием ….

• LM331 — это, по сути, прецизионный преобразователь напряжения в частоту от National Semiconductors. ИС имеет множество приложений, таких как аналого-цифровое преобразование, долговременная интеграция, преобразование напряжения в частоту, преобразование частоты в напряжение …

• TC9402 TC9400 TC9401 TC9402 — это недорогие преобразователи напряжения в частоту (V / F), в которых используется технология CMOS с низким энергопотреблением.Преобразователи принимают переменный аналоговый входной сигнал и генерируют последовательность выходных импульсов, частота которой линейно пропорциональна ….

• ..

• В этой схеме используется преобразователь частоты в напряжение LM2917.Вход был подключен к низковольтной стороне катушки зажигания, и различные компоненты вокруг него сконструированы так, чтобы обеспечить полную мощность при 6000 об / мин, что соответствует 12000 зажиганию ….

• ..

• VFC62 преобразователь напряжения / частоты, частота / напряжение может легко преобразовывать аналоговые сигналы в цифровые.Цифровой выход использует форму открытого коллектора, частота повторения цифровых импульсов пропорциональна амплитуде входного аналогового напряжения, ….

• Схема преобразователя частоты в напряжение, показанная на принципиальной схеме ниже, обеспечивает выходное напряжение 10 В для входного сигнала полной шкалы 10 кГц (прямоугольные волны или импульсы).Простота схемы не означает плохой работы: эта схема имеет линейность порядка ….