ОДНОТАКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ОДНОСТОРОННИМ КЛЮЧОМ
Однотактные преобразователи напряжения с транзисторным ключом получили в настоящее время наибольшее распространение в бытовой и промышленной аппаратуре. На рис. 2 приведены две схемы преобразователей, отличающихся полярностью подключения вторичных обмоток импульсного трансформатора к выпрямителям выходного напряжения нагрузки. Надо заметить, что в виду высокой частоты преобразования и незначительного уровня пульсаций в выходных цепях преобразователя предпочтительно использовать однополупериодные схемы выпрямления, что обеспечивает экономию числа быстродействующих выпрямительных диодов. Схема рис. 2,а, получившая наибольшее распространение, характеризуется «обратным» включением выпрямительных диодов [2], проводящих ток в интервале времени, когда транзистор заперт.
Рис. 2. Схемы однотактн ы х транзис т о р-ных преобразователей: с «обратным» (а) и «прямым» (б) включением выпрямителей тока нагрузки
Данный преобразователь обладает рядом преимуществ по сравнению с преобразователем с «прямым» включением выпрямительных диодов. Его работа поясняется с помощью эквивалент-ной схемы и временных диаграмм (рис. 3).
Нагрузка на схеме рис. 3,а приведена к первичной обмотке, поэтому напряжение на эквивалентном сопротивлении нагрузки обозначено nUВых, где n = w1/w2. В течение интервала времени 6T, когда транзистор открыт, через индуктивность L1 первичной обмотке протекает линейно нарастающий ток, максимальное значения которого ДI1 = Uхв/L1бT. Когда транзистор закрывается, полярность напряжения на L1 изменяется и накопленная в ней энергия передается в нагрузку через диод VD1. Спад тока через L! в интервале (1 — б)Т равен
ДI2=nUвыхT/L1 (1-б) (1)
В стационарном режиме ДI1=ДI2. Отсюда следует, что
Uвых = Uвх/n * б/(1 — б). (2)
Рис. 3. Эквивалентная схема (а) временные диаграммы (б) преобразователя с «обратным» включением выпрямителей
Таким образом, регулируя 6=T1/T (где T1 — интервал открытого состояния транзистора), можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистор и диод зависят от индуктивности LL Если она слишком мала, ток через диод может прекратиться раньше окончания периода работы преобразователя. Этот случай изображен на правой диаграмме рис. 3,6. Тогда выражение (2) перестанет быть справедливым. Данный режим является неблагоприятным, так как при заданной мощности в нагрузке возрастают импульсные токи через транзистор и диод.
Существует минимальное значение индуктивности L1 тщ, при которой, как это видно из рис. 3,6, максимальный ток через L1 вдвое превышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается как раз в момент включения транзистора. Средний приведенный ток через нагрузку равен I'н.ср
= ILсР(1 — б). Так как для L1 = Limin ДI1=2IL Ср, то используя (2), получаем:
L1 min > U2вх б2/2 FРвых (3)
где Рвых=Uвых Iн — выходная мощность преобразователя; F=1/T.
С другой стороны, как это следует из выражения (3), индуктивность L1 при заданной мощности и частоте преобразования F ограничена сверху значением бтах. Последняя обусловлена выбранным диапазоном частот преобразования и реальными временами неуправляемых переходных процессов в современных высоковольтных мощных транзисторах: рассасывания, спада и нарастания тока коллектора tрасе, tca, tвкл. Так, для частоты преобразования F=25 кГц (7=40 мкс) и при fp«cc=IO икс, Iсп+tвкл = 2 мкс бтах=(40 — 12)/40=0,7. На практике выбирают бтmаx=0,5.
Можно также получить выражения для максимального тока через транзистор Iк max и максимального напряжения на нем Uкэ max (Рис. 3,б):
Формулы (1) — (5) удобны для предварительной оценки требований к основным элементам преобразователя.
Как правило, преобразователь имеет одну вторичную цепь, потребляющую наибольшую мощность, и несколько маломощных дополнительных цепей.
В таком случае за Я„ ых принимается суммарная выходная мощность преобразователя, а за UВЫХ — напряжение наиболее мощной цепи нагрузки.
Из рассмотренного следует, что с увеличением L1 уменьшаются импульсные токи через транзистор и диод. Однако с увеличением L1 растет индуктивность рассеяния Ls, в которой в интервале времени, когда транзистор открыт, запасается энергия L8I2K max/2. Эта энергия вызывает на коллекторе транзистора при его выключении дополнительный выброс напряжения. Для его ограничения используются диодно-резистивно-емкостные цепочки, которые поглощают запасенную в Ls энергию. Это снижает КПД преобразователя, но делает режим транзистора более безопасным.
Рис. 4. Эквивалентная схема (а) и временные диаграммы (б) преобразователя с «прямым» включением выпрямителей
Рассмотрим особенности работы схемы «с прямым» включением выпрямительных диодов (см. рис. 2,6), которые открыты одновременно с транзистором. Соответствующие эквивалентная схема и временные диаграммы приведены на рис. 4. Дроссель Lflp служит для ограничения тока через транзистор. Обмотка трансфер» матора w'i, равная по числу витков обмотке wl, включена последовательно с диодом VD1. С помощью этого диода в интервале времени (1 — 6)Г происходит возврат в ИИЭ (рекуперация) энергии, запасенной в трансформаторе Т (в его первичной обмотке) за время 67, когда транзистор открыт. Основные расчетные соотношения для данной схемы:
(8)
Из выражения (7) следует, что максимальное значение £др при заданных РВых, ik max, DBK и Т ограничено. Практически Lдр выбирают на 15 — 20% выше Lдр.
Для снижения импульса тока через транзистор целесообразно увеличивать индуктивность первичной обмотки трансформатора. Однако это приводит к увеличению габаритов трансформатора и индуктивностей рассеяния, в том числе между обмотками wl и w1'. Это снижает ограничивающее действие VD1 и приводит к возрастанию импульса напряжения на коллекторе транзистора VT, возникающего при его закрывании.
Практические схемы однотактных выходных каскадов преобразователей требуют дополнительных элементов защиты. На схеме рис. 2,а изображена цепочка, которая уменьшает скорость нарастания напряжения на коллекторе транзистора при его выключении до 500 — 1000 В/мкс. Это необходимо, чтобы режим транзистора всегда оставался в пределах области его безопасной работы (подробнее об этом будет рассказано ниже). Номиналы R и С1 выбирают в соответствии со следующими формулами C1=IКmах/dUКЭ/dt, R=T/10C1.
Так, для IКmах=2 A, dUK9/dt = 600 В/мкс, 7-40 мкс, С,= = 2/600=3,3 нФ, R = 40/10-3,3= 1,2 кОм. Потери в резисторе равны Рн = Си2хэ/2Т. Для нашего случая при UK3 =500 В Ря = -3,3-5002-10-9/2-40-10-6=10 Вт.
Сравнение двух основных схем однотактных преобразователей. Схема с обратным включением выпрямительных диодов обладает следующими преимуществами.
1. В ней требуется меньшее число дополнительных элементов: отсутствует дроссель во вторичной цепи, и как правило, нет необходимости вводить дополнительные диод и обмотку трансформатора для возврата в источник запасенной в нем энергии.
2. Импульс тока через транзистор меньше, чем в схеме с «прямым» включением диодов, что следует из сравнения эквивалентных схем и выражений (4) и (8).
Однако с повышением мощности ИИЭ и коэффициента трансформации эти преимущества в значительной мере утрачиваются. Дело в том, что в СхХеме с «прямым» включением выпрямительных диодов токи через первичную и вторичную обмотки трансформатора протекают одновременно. При этом ток намагничивания магнитопровода определяется разностью ампер-витков первичной и вторичной обмоток. Из-за относительно небольшого тока намагничивания и желания сократить габаритные размеры трансформатора за счет уменьшения числа витков обмоток wl, w'l зазор в магнитопроводе трансформатора отсутствует. В схеме с «обратным» включением диодов весь коллекторный ток транзистора является током намагничивания магнитопровода.
В однотактной схеме магнитопровод трансформатора работает в режиме частного цикла намагничивания (рис. 5). Если ток намагничивания достаточно велик, то магнитная индукция достигает уровня насыщения и индуктивность первичной обмотки трансформатора резко падает. Это вызывает резкое увеличение тока транзистора. Чтобы избежать насыщения (см. рис. 2,а), в магнитопровод вводят зазор, достигающий 0,5 — 2,0 мм. А это, в свою очередь, требует увеличения сечения магнитопровода для сохранения расчетного значения L1min.
При большом коэффициенте трансформации (n>10) возрастает индуктивность рассеяния между первичной и вторичной обмотками. Это приводит к снижению эффекта ограничения выброса напряжения на коллекторе за счет выпрямителей нагрузки, поэтому приходится вводить в трансформатор дополнительную обмотку и диод (аналогично схеме рис. 2,6).
Преобразователь с «прямым» включением выпрямителей нагрузок обладает некоторым недостатком, связанным с необходимостью ограничения величины 6mах<0,5. Если б<0,5, то протекание тока через обмотку w'1 при открытом транзисторе возвращает рабочую точку на диаграмме намагничивания магнитопровода в исходное состояние. При б>0,5 возвращения в исходное состояние не происходит, поэтому в последующие периоды трансформатор постепенно намагничивается, пока поток в магни-топроводе не достигает значения насыщения. Этот процесс происходит в течение нескольких периодов переключения преобразователя и приводит к модуляции сигнала в цепи обратной связи (ОС), что при определенных условиях вызывает аварийную ситуацию — увеличение 6 при насыщении магнитопровода и соответствующее резкое увеличение импульса коллекторного тока транзистора. Работа преобразователя при этом сопровождается характерным «свистом» на частотах порядка нескольких килогерц.
