РадиоЛоцман - Все об электронике

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

Александр Русу, Одесса

Часть 1

Режим холостого хода

В соответствии с (7) и (9), поддержку режима легкой нагрузки можно обеспечить путем уменьшения среднего значения магнитного потока ФСР, желательно без изменения t1 и, соответственно, ΔФ. Согласно (5), переменная составляющая ΔФ определяется с учетом знака магнитного потока, поэтому, если принять ФНАЧ = –ФКОН, то, по формуле (8), получим ФСР = 0 при произвольных значениях ФНАЧ, ФКОН.

Что нам это дает? Переменная составляющая магнитного потока ΔФ зависит от соотношения напряжений на входе и выходе преобразователя; от UВХ/UВЫХ, согласно (9), зависит t1, а от него, согласно (4), ΔФ. Поэтому ΔФ во время работы преобразователя фактически определяется контуром стабилизации напряжения. Если при 100% мощности преобразователь работает в безразрывном режиме (ФНАЧ > 0), то по мере уменьшения тока нагрузки значения ФНАЧ и ФКОН уменьшаются на одинаковую величину без изменения ΔФ. Эти процессы происходят до тех пор, пока ФНАЧ не достигнет нулевого значения (Рисунок 6). С этого момента преобразователь переходит в режим легкой нагрузки, и его дальнейшая работа уже зависит от элементной базы силовой части.

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
Рисунок 6. Магнитный поток дросселя при уменьшении
тока нагрузки.

Если ключ S2 сделан на основе неуправляемого полупроводникового диода, то преобразователь перейдет в разрывный режим, при котором ΔФ и ФСР уменьшаются одновременно за счет уменьшения t1. Но если ключи S1 и S2 способны пропускать ток в обоих направлениях, например, при реализации их на основе MOSFET, то преобразователь перейдет в режим принудительной непрерывной проводимости, при котором знаки ФНАЧ и ФКОН будут отличаться. В этом режиме переменная составляющая ΔФ не изменяется, а уменьшение преобразуемой мощности происходит только за счет уменьшения ФСР.

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
Рисунок 7. Работа преобразователя в режиме холостого хода.

Дальнейшее уменьшение тока нагрузки приведет к еще большему смещению магнитного потока дросселя в отрицательную область. При полном отключении нагрузки преобразователь перейдет в режим холостого хода, особенностью которого является соблюдение равенства ФНАЧ = –ФКОН. В этом режиме между конденсаторами С1 и С2 происходит обмен энергией величиной WХХ (Рисунок 7):

  (10)

При замыкании ключа S1 энергия WХХ из дросселя L1 вначале передается в конденсатор С1 до тех пор, пока магнитный поток не достигнет нулевого значения, и дроссель L1 не разрядится. После этого под действием напряжения на конденсаторе С1 энергия снова начнет поступать в дроссель, но уже при другой полярности магнитного потока. К моменту размыкания ключа S1 в дросселе L1 будет содержаться WХХ энергии, которая после коммутации ключей S1 и S2 начнет передаваться в конденсатор С2. В середине второго этапа преобразования, после полного разряда дросселя, под действием напряжения на конденсаторе С2 магнитный поток снова изменит знак, и дроссель начнет потреблять энергию из конденсатора С2.

Очевидным достоинством принудительной непрерывной проводимости при легкой нагрузке является полная управляемость преобразователя. В этом режиме длительности t1 и t2 не зависят от тока нагрузки, что обеспечивает максимально эффективную регулировку выходного напряжения, в отличие от разрывного режима и режима пропуска импульсов. К недостаткам следует отнести повышенные потери из-за вынужденного преобразования энергии WХХ, что для некоторых приложений может быть серьезной проблемой.

Режим принудительной непрерывной проводимости возможен только в случаях, когда ключи S1 и S2 обеспечивают протекание тока в обоих направлениях, ведь при переменном магнитном потоке, в соответствии с законом полного тока, ток в обмотках также будет переменным. Для рассматриваемого обратноходового преобразователя, в котором ток всегда протекает только по одной обмотке, связь токов I1 и I2 обмоток W1 и W2 с магнитным потоком F будет определяться формулами:

  (11)

Из доступной элементной базы пропускать ток в обоих направлениях могут только MOSFET, поэтому режим принудительной непрерывной проводимости возможен лишь в синхронных преобразователях на основе этого типа полупроводниковых приборов (Рисунок 8). Если хоть один из ключей S1 и S2 выполнен на основе биполярных транзисторов, IGBT, диодов или других элементов, в которых ток может протекать только в одном направлении, для реализации режима принудительной непрерывной проводимости необходимо принимать дополнительные меры.

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
Рисунок 8. Синхронный и несинхронный преобразователи.

Также становится очевидной и роль конденсаторов С1 и С2, которые выступают не только в качестве фильтров, но еще и в качестве накопителей энергии, принципиально необходимых для работы при легкой нагрузке.

Режим рекуперации

А что произойдет, если среднее значение магнитного потока дросселя ФСР будет иметь знак, противоположный ΔФ, например, если ФНАЧ < 0 и ФКОН < 0, при соблюдении условия ФНАЧ < ФКОН? В этом случае, согласно (7), WИМП < 0, и энергия через преобразователь пойдет в обратном направлении – с выхода на вход (Рисунок 9).

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
Рисунок 9. Режим рекуперации.

Когда такой режим необходим? Например, если вход преобразователя подключен к системной питающей шине, а выход – к аккумуляторной батарее, содержащей аварийный запас энергии (Рисунок 10). В нормальном режиме система питается от основного источника, а преобразователь выполняет функцию зарядного устройства, при этом энергия передается с входа на выход преобразователя, что соответствует режиму передачи. Если аккумулятор заряжен, то энергия никуда не передается, и преобразователь работает в режиме холостого хода. При аварии основного источника энергия из аккумулятора через преобразователь, работающий в режиме рекуперации, поступает на шину питания, обеспечивая питанием нагрузку.

Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
Рисунок 10. Пример работы преобразователя в трех режимах.

Необходимо отметить, что переход из одного режима в другой происходит автоматически, без какого-либо участия со стороны контроллера, основной задачей которого в этом случае является только поддержание нужного соотношения t1/t2 так, чтобы, согласно (9), обеспечить или требуемое значение UВХ/UВЫХ, или требуемый ток нагрузки.

Заключение

Для того чтобы режим легкой нагрузки не создавал проблем, магнитный поток дросселя должен иметь возможность изменять свою полярность. Если это условие не выполняется, то чем «легче» нагрузка, тем сложнее обеспечить стабильное напряжение на выходе, поскольку при однополярном магнитном потоке дросселя импульсный преобразователь без нагрузки работать не может в принципе.

При DC/DC преобразовании это проще всего обеспечить при помощи синхронных преобразователей на основе MOSFET. Также это автоматически выполняется в AC/AC преобразователях, поскольку в них протекание переменного тока через силовые ключи, впрочем, как и работа на реактивную нагрузку, является обязательным условием. В остальных случаях необходимо внимательно прорабатывать режим легкой нагрузки, для обеспечения требуемых точности, надежности, КПД и прочих характеристик преобразователя.

Список источников

  1. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – С.10 – 24.
  2. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
  3. Русу А.П. Импульсное преобразование переменного тока // РадиоЛоцман – 2017. – №6. – С.24 – 32.
  4. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей. Часть 1 // РадиоЛоцман – 2017. – №9. – С.28 – 31.
  5. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей. Часть 2 // РадиоЛоцман – 2017. – №10. – С. 32 – 38.

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения (только последние 20 сообщений):Полный вариант обсуждения »
  • Дроссель - это катушка индуктивности с сердечником. Его используют как индуктивность. Трансформатор - это две и более катушки, связанные одним магнитнм полем. В отличие от дросселя, индуктивность катушек трансформатора стремятся сделать как можно меньше, но не допуская насыщения сердечника. Для трансформатора важны как площадь сердечника, так и площадь окна. Габаритная мощность траксформатора вычисляется как произведение площади сердечника на площадь окна. Ясно, что максимальная мощность будет у траксформатора с одинаковыми площадями окна и сердечника при одинаковых габаритах. На практике часто применяют вердечники типа "Ш" или "УШ", у которых площадь окна меньше площади сердечника. Это обусловлено тем, что при увеличении площади сердечника уменьшается число витков на вольт, что требует меньшего количества провода (медь дороже стали).
  • Ну почему же спорное? В большинстве книжек и статей по импульсникам написано, что конденсаторы С1 и С2 нужны для уменьшения пульсаций напряжения, ну или на худой конец - для устранения влияния паразитных индуктивностей проводов (печатных проводников). А то, что они еще нужны для работы преобразователя на холостом ходе - этот вопрос нигде не рассматривался.
  • Без С2 обратноходовой источник питания в принципе не работает. Для этого при рассмотрении преобразования обязательно включите активную нагрузку. При отсутствии С2 в принципе говорить о постоянном напряжении на выходе не приходится. С2 необходим прежде всего как источник энергии, когда идёт процесс накачки в индуктивность. В базовой схеме обратноходового источника, при питании от источника напряжения (с малым выходным сопротивлением) конденсатор С1 не является необходимым. С1 нарисован автором для получения симметрии устройства, что при авторском подходе к управлению правильно. Фильтрация помех и т.д. рассматривать не имеет смысла при рассмотрении базовых схем ибо там столько тонкостей...
  • Ну, дроссель этот тоже несколько катушек, связанных магнитным полем. Например дроссель обратноходового преобразователя может иметь несколько вторичных обмоток. Так что это трансформатор или дроссель? Далеко не всегда. Тут скорее как получится... Тоже самое справедливо и для дросселей. Где-то к маю я планирую подготовить статью по расчету произведения площади сердечника на площадь окна для дросселей.
  • А с [B]большим[/B] выходным сопротивлением нужен? Я рассматриваю общий случай. В общем случае он нужен обязательно. А частных случаях он может быть: - не нужен в принципе (при работе только в режиме передачи); - его функцию может выполнять емкость, например аккумулятора; - его функцию могут выполнять, например, конденсаторы первичного источника питания, подключаемого ко входу; - и еще множество вариантов.
  • Получится так, как будем делать. Индуктивность обмоток трансформатора стараются сделать как можно меньше потому, что индуктивное сопротивление обмотки в сочетании с активным увеличивает их внутреннее сопротивление.
  • Насколько я помню, во всех методиках расчета трансформатора вначале определяется соотношение сколько надо витков на 1 вольт для данного магнитопровода и только после этого но напряжению рассчитывают количество витков обмотки. Как тут индуктивность обмотки оптимизируешь? Да и на полное сопротивление больше влияние оказывает индуктивность рассеяния, а не индуктивность обмотки.
  • Разве без этих конденсаторов ИИП не будет работать на холостом ходе? Еще как будет! Дело в другом, будет ли выходное напряжение удовлетворять заданным параметрам. Если оно должно тупо что-то греть, то от этих конденсаторов не задумываясь отказываются и специально рассматривать этот вопрос нет никакой необходимости. Весь процесс будет укладываться в половину периода питающего напряжения.
  • Общий случай - это модель подключение к источнику напряжения и наличие нагрузки на выходе. Всё остальное - и есть частные случаи. В Вашем случае, при работе в два направления он нужен. Если не его не жалко (в общем случае). Аккумулятор правильно рассматривать, как последовательно включённый источник напряжения, активное сопротивление и индуктивность (или частотно- зависимое сопротивление), упрощённо источник питания и активное сопротивление. Нет. Для трансформатора индуктивность должна быть минимально необходимой, при которой обеспечивается максимально возможная рабочая индукция для выбранного сердечника при данной рабочей частоте и форме сигнала: синусоида и прямоугольник дают разные значения. НО. Если сделать индуктивность больше (даже в разы), то трансофрматор будет работать всё равно. Просто будут больше потери.
  • Как раз нет. Общий случай - это аккумулятор, подключенный через преобразователь к двигателю, например автомобиля. Набираем скорость - энергия идет из аккумулятора в двигатель. Тормозим - энергия идет из двигателя в аккумулятор. Катимся немного под гору - работаем на холостом ходу. Я это случай привел рассмотрел в статье. Вот это действительно общий случай, когда один и тот же преобразователь работает во всех трех режимах: передача, рекуперация, холостой ход. Что для этого надо? Читайте в статье. Это в режиме разряда, а в режиме заряда? Да, должна. Но танцуют то все равно от сердечника. Какой первый этап расчета любого трансформатора? Выбор сердечника по мощности.
  • Не будет. Например в этом примере. [IMG]https://www.rlocman.ru/forum/attachment.php?attachmentid=33937&stc=1&d=1522871591[/IMG] Понятно что в реальном преобразователе произойдет что-то страшное и он просто не выйдет на такой режим. Там энергия из дросселя или пробьет что-нибудь высоким напряжением или рассеется в паразитностях. Но если есть конденсаторы и ключи могут работать на переменном токе, тогда у нас будет все хорошо и выходное напряжение будет такое как надо и будет прекрасно регулироваться независимо от того есть нагрузка или нет и что используется в качестве источника питания. Кстати этот режим не я придумал. Он называется "режим принудительной непрерывной проводимости".
  • Абсолютно также. Источник напряжения + активное сопротивление. Вы видели ту формулу? Да там кроме совершенно бесполезного параметра «площадь окна» ещё среднепотолочный типа «коэффициент заполнения окна»! Которые каждый инженер вращает, как юрист законами. Т.е. метод рассчёта несколько устаревший.
  • Как это "площадь окна" бесполезный параметр. А обмотку Вы где размещать будете? Отдельно от магнитопровода намотаете? И "коэффициент заполнения окна" хоть и среднепотолочный но очень нужный параметр. Его хоть и сложно вычислить с нуля, но со временем, после нескольких разработок его можно более-менее определить "методом научного тыка" исходя из того, что могут мотальщики. И пока другого метода расчета не придумали.
  • Как-то дискусия направилась немножечко в стороне от темми.. Почему импульсники боятся ХХ? Да им импульсникам пофиг нагрузка, що раз и потому что их "инженер-конструктори" грешат опцией [B]"copy-paste" [/B] що два... ИИП не предназначени работать на ХХ.... Они являются "[B]входним преобразовательним устройством[/B]" нагрузки... Они являются неотривной частью нагрузки, имхо! Ну-у-у-у, если смотреть на ето механически, то ИИП сварени "[B]сварним швом[/B]" к нагрузке.. Так що тема безплодная, мда-а-а!
  • Почему я считаю,что «площадь окна» и «коэффициент заполнения окна» не есть необходимыми параметрами? Эти параметры появились в расчёте вследствие того, что использовалось значение плотности тока, т.к. в истории расчётов было время низкочастотных преобразователей с кольцевым пермаллоевым сердечником. Т.к. особой разницы в конструктивах между ними и силовыми 50 Гц сетевыми трансформаторами не было, а там это исторически так сложилось, что присутсвовали эти параметры, то эти расчёты попали и они. Для более высокочастотных трансформаторов нет жёсткой необходимости выдерживать плотность тока для малогабаритных импульсных трансформаторов. Более существенным является площадь сердечника. При известных значениях максимальной мощности, рабочей частоты, максимальному входному напряжению и выбранному максимальному значению индукции в сердечнике определяем число витков. При этом можно сделать расчёт для нескольких вариантов для разных площадей сечения. А далее для выберем наиболее технологичный вариант. Что я имею ввиду? Число витков, длину намотки (если сердечник не кольцевой, то определяется каркасом), число слоёв обмотки - должно быть целым число витков в слое (в случае двухслойной обмотки можно 0.5 витка, но при этом возможно увеличение индуктивности рассеяния, что для трансфрматора не хорошо), способ намотки для многослойной (классическая С-намотка, Z-намотка и др.), используемый провод. Длина намотки и число витков в слое и число слоёв даст необходимый диаметр провода! Не смысла задаваться никакими ограничениями в виде плотности тока. Для однослойной обмотки и 15 А/кв.мм нормально (можно и больше для маломощных устройств). Об изоляции - это отдельная тема. В связи с тем для удовлетворения всяких сертификационных служб по защите ещё живых потребителей, очень часто необходимо выдерживать защитные изоляционные промежутки, поэтому приходится жертвовать длиной намотки в пользу увеличения числа слоёв. Но изоляция утяжеляет тепловой режим внутренних слоёв и это надо учитывать при проектировании трансформатора, так и технологии его производства (использование теплоотводящих компаундов). Кроме того, возможно постепенное увеличение рабочей плотности тока от внутренних слоёв к внешним. В любом случае, расчёт диаметра провода исходя из плотности тока не является определяющим работу трансформатора. А для частот свыше 40 кГц нужно уже учитывать и скин-эффект.
  • К сожалению (или к счастью) это далеко не так. Вы имеете ноубук? В нём внешний блок питания (с большой степенью вероятности) сделан по обратноходовой схеме. Представьте себе, что включён блок питания в сеть и он подключён к ноутбуку. Вы отключили ноутбук от вкючённого в сеть блока питания... Сейчас ничего не происходит: хочу включаю нагрузку, хочу отключаю нагрузку... А раньше это действительно была проблема.
  • И тем не менее она есть. Вы же не можете протащить через провод диаметром 0,01 мм действующий ток 1000 А - даже кратковременно - он просто расплавится за милисекунды. Она просто стала больше (по сравнению с 50-герцовым трансформатором). Из-за лучших условий охлаждения ее можно увеличить, но она есть. Все это и учитывает коэффициент заполнения окна. Вот чтобы тупо не перебирать всю номенклатуру сердечников с каркасами. Вначале и делают грубую оценку - а какой нам магнитопровод точно не подойдет. Определяют ориентировочное значение произведения площади сечения на площадь окна. И все магнитопроводы, которые отличаются от этой цифры больше чем на +/-10...20% не подойдут однозначно. Или обмотка не влезет или сильно дорогой получится. Магнитные материалы нынче не дешевые. Не зря с распыленным железом играются. Оно хоть и хуже по характеристикам чем ферриты, но зато дешевле. Поэтому на первом этапе задаются грубо плотностью тока и коэффициентом заполнения окна и по этим значением грубо выбирают магнитопровод. А дальше все как Вы сказали, но уже для конкретного магнитопровода. Самое интересное, мы сейчас обсуждаем вопросы к статье за которую я только сяду где-то через неделю...
  • Да и сейчас проблема, только решена другими методами. Минимальная нагрузка на выходе все равно есть (хотя бы та же цепь ООС + светодиод, хоть чуть-чуть, но кушают). А контроллер при увеличении напряжения переходит в режим пропуска импульсов. Т.е. дал один импульс вместо 1000 - и достаточно для легкой нагрузки. Дешево и сердито.
  • Так ... в чём тут новость ? ... Это ж не раздел ... " Начинающим " ...
  • Я бы дал при малых мощностях (от единиц до двухсотен ватт) отклонение для произведения площади окна на площадь сечения для трансформатора -20% +100%, для дроссель-трансформатора на феррите от -50% до +100%. Причём верхняя планка ограничена по причине, которую Вы и назвали - стоимостью материалов (когда стоимость меди и уменьшение числа витков, а следовательно стоимость работы, уже не компенсируют рост стоимости материала). Нижняя планка при необходимости иметь малые размеры и возможность иметь хорошее охлаждение за счёт конструктива не забитому крупногогабаритным трансформатором. Хотя и приходится с распылённым железом «баловаться» в обратноходовом источнике малой мощности, из-за требований устойчивости к внешнему постоянному полю на прибор (в серийом изделии), но этот материал плохой. Распылённое железо имеет проблему с временнОй стабильностью, особенно при повышенной температуре окружающей среды, не «любит» высоких скоростей изменения напряжения, автогенераторный обратноходовой источник на БТ не получается: малая добротность материала (в отличии от феррита) делает необходимым более жёсткую ПОС и, соответственно потрбеляет большую мощность, если необходим источник с широким диапазоном напряжений. НО! при «поднесении» магнита (с 800 мТл на поверхности с диаметром 200 мм и толщиной 60) индуктивность падает только в 8 раз (мю=75). Для феррита, сендаста, альсифера падение индуктивности в более 60 раз. Для кольцевых дроссель-трансформаторов для обратноходовых тут вообще можно забыть об площади окна. Фактически расчёт сводится к вычислению числа витков первичной (вторичной) обмотки для получения индуктивности первичной (вторичной) обмотки и проверки, что выбранный провод можнот намотать на кольцо в один слой. Двухслойная обмотка даёт неприемлимое значение индуктивности рассеяния. Жду статью.
Полный вариант обсуждения »