Автор: Радьков Арсений Владимирович

Рубрика: 2. Электроника, радиотехника и связь

Опубликовано в

III международная научная конференция «Современные тенденции технических наук» (Казань, октябрь 2014)

Дата публикации: 03.10.2014

Статья просмотрена: 539 раз

Библиографическое описание:

Радьков А. В. Несимметричные полумостовые преобразователи [Текст] // Современные тенденции технических наук: материалы III Междунар. науч. конф. (г. Казань, октябрь 2014 г.). — Казань: Бук, 2014. — С. 25-28.

Несимметричные полумостовые преобразователи относятся к преобразователям с мягким переключением. Область применения таких преобразователей — получение постоянного выходного напряжения при постоянном и достаточно высоком входном напряжении (составляет сотни вольт), большой частоте коммутации ключей, которая составляет десятки и сотни килогерц.

Режим мягкого переключения, то есть включение транзистора при нулевом напряжении на нем, позволяет значительно уменьшит потери на переключении.

Одним из вариантов построения несимметричного полумостового преобразователя (НПП) является преобразователь с выходным сглаживающим LC-фильтром и двухполупериодным выпрямителем (рис. 1). Однако стоит учесть тот факт, что выходная часть рассматриваемого преобразователя может быть выполнена следующими схемотехническими решениями: с одно- или двухполупериодным выпрямителем, с удвоителем тока, с емкостным фильтром и др. Но в любом случае сохраняются основные особенности, присущие несимметричному полумостовому преобразователю.

Описание: рис. 1..jpg

Рис. 1. Несимметричный полумостовой преобразователь с LC-фильтром и двухполупериодным выпрямителем.

Режим мягкого переключения, то есть включение транзистора при нулевом напряжении на нем, позволяет значительно уменьшит потери на переключении.

Несимметричные полумостовые преобразователи обладают рядом достоинств перед другими схемными решениями: позволяют реализовать переключение транзисторов при нуле напряжения (ПНН), используют только два транзистора на стороне первичной обмотки трансформатора, напряжение на запертых ключах не превышает значение входного напряжения . Перечисленные достоинства рассматриваемых преобразователей очень важные, позволяющие использовать их в преобразователях и системах электропитания различного назначения.

Недостатки НПП обнаруживается при работе преобразователей в широком диапазоне входного или выходного напряжения. Такие недостатки являются существенными. Они сужают возможные области применения и не позволяют увеличивать удельную мощность источника питания.

Примем обычные для анализа преобразователя допущения: транзисторы и диоды — идеальные переключающиеся элементы, а конденсаторы  неограниченно большой емкости, индуктивности рассеивания и активные сопротивления обмоток трансформатора равны нулю. Под интервалом импульса  понимается включенное состояние транзистора Т1 и выключенное состояние транзистора Т2 (рис. 1). Коэффициент заполнения импульсов определяется по формуле:

где  — период переключения транзисторов. Также коэффициент заполнения импульсов обозначается как  Схема замещения НПП показана на рис. 2. Параллельно включенные элементы  а также дроссель  (рис. 1) заменены источником тока , реальный трансформатор заменен индуктивностью намагничивания  приведенной к первичной обмотке, и идеальным (обмотки  трансформаторам (рис. 2).

Описание: рис. 2.jpg

Рис. 2. Схема замещения несимметричного полумостового преобразователя

Регулировочная характеристика преобразователя (РХ) имеет вид:

                                                                            (1)

Если в исходной схеме (рис. 1) предположить, что , получим преобразователь с однополупериодным выходным выпрямителем, РХ которого соответствует выражению:

(2)

или

                                                                        (3)

Из выражений (1–3) можно видеть, что зависимость выходного напряжения от D — параболическая, где максимум соответствует  Обычно при управлении преобразователем используется диапазон

При равенстве витков  трансформатора коэффициент трансформации будет иметь вид:

Тогда РХ преобразователя (в режиме непрерывного тока дросселя) определяется по формуле:

                                                                                    (4)

Коэффициент передачи постоянного напряжения от хода  к выходу  выразим из (4):

.                                                                                     (5)

Выбор коэффициента трансформации  выполняется для максимального значения , для идеального случая  Используя (5) получим следующие выражение:

(6)

Напряжение на запертых диодах могут быть определены с помощью выражений:

                                                                                                                  (7)

с учетом (5) и (6):

                                                                                            (9)

                                                                                  (10).

При проектировании DC-DC преобразователей возможны два предельных случая:

1.                  Входное напряжение  изменятся в широком диапазоне, в то время как выходное напряжение  стабилизируется в узких пределах и остается почти постоянной величиной;

2.                 Входное напряжение  практически не меняется.

Из (9) и (10) можно сделать вывод, что напряжение на запертых диодах становятся не равными при уменьшении  причем различия в напряжении тем больше, чем меньше . При малых значениях  к запертому диоду  приложено очень большое напряжение, которое может превосходить выходное в несколько раз. Кроме того, при уменьшении  возрастает средний ток в диоде  за период.

Такое состояние одного из диодов схемы (), то есть возрастания среднего прямого тока и обратного напряжение при уменьшении  характерно для НПП при любом построении его вторичной стороны.

Произведем сравнение НПП с двумя широко известными схемами: однотактным прямоходовым преобразователем (рис. 3) и мостовым преобразователем (рис. 4). Сравним обратные напряжения на диодах НПП с напряжениями на диодах в схемах прямоходового и мостового преобразователя.

Описание: рис. 3.jpg

Рис. 3. Однотактный полумостовой преобразователь

Описание: рис. 4.jpg

Рис. 4. Мостовой преобразователь

Описание: рис. 5.jpg

Рис. 5. Относительные напряжения на диодах в зависимости от коэффициента передачи регулировочной характеристики для различных схем при  и изменяющимся

На рис. 5 и 6 показаны нормализированные напряжения на диодах для тех схем в функции относительного коэффициента  для двух случаев:

1)                стабилизация  когда  меняется (рис. 5);

2)                изменение  в широких пределах при постоянных значениях .

Параметр  определяется по формуле:

                                                                                                                     (11)

В первом случае , а во втором —

Описание: рис. 6.jpg

Рис. 6. Относительные напряжения на диодах в зависимости от коэффициента передачи регулировочной характеристики для различных схем при  и изменяющимся

В любом из этих случаев напряжение на диоде  в НПП значительно превышает напряжения на диодах в других схемах (рис.3,4). Это является существенным недостатком НПП — тяжелые условия работы одного из выходных диодов и, как следствие, необходимость выбора этого диода с более высоким допустим напряжением. В результате могут быть ухудшены основные параметры преобразователя.

Вторым серьезным недостатком является потеря включения транзистора  при нуле напряжения при уменьшении коэффициента заполнения.

При возрастании «несимметричности» НПП, что происходит снижение , увеличиваются потери в ключах первичной стороны, обмотках трансформатора и выходных диодах.

Литература:

1.         Мелешин В. И., Овчинников Д. А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергиями, Москва: Техносфера, 2011–576 с.

2.         Мелешин В. И., Транзисторная преобразовательная техника, Москва: Техносфера, 2006–632 с.

Основные термины (генерируются автоматически): выходного напряжения, Несимметричные полумостовые преобразователи, несимметричного полумостового преобразователя, нуле напряжения, Относительные напряжения, Режим мягкого переключения, включение транзистора, коэффициента передачи регулировочной, нулевом напряжении, состояние транзистора, постоянного выходного напряжения, значение входного напряжения, зависимость выходного напряжения, полумостовой преобразователь, Схема замещения НПП, передачи регулировочной характеристики, уменьшении коэффициента заполнения, диодах НПП с напряжениями, Сравним обратные напряжения, включенное состояние транзистора.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос