Когда-то, подбирая элементную базу на сайте компании Premier magnetics [1], я обнаружил, что соотношение числа витков первичной и вторичной обмоток дросселей для обратноходовых преобразователей сетевых блоков питания не укладывается в логическую последовательность. Например, для POL-HX023 и POL-HX026, рассчитанных на напряжение 5 В, оно отличается почти в три раза, а для POL-HX026 и POL-HX017, рассчитанных на напряжение, соответственно, 5 В и 19 В, оно практически одинаково (Таблица 1). В выпрямительных устройствах на основе 50-герцового трансформатора соотношение числа витков его обмоток фактически определяет выходное напряжение всего блока. А что зависит от этого параметра в обратноходовой схеме?
| Таблица 1. | Дроссели для обратноходовых преобразователей компании Premier magnetics | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В этой статье речь пойдет влиянии коэффициента трансформации дросселя на работу импульсного преобразователя. О существовании этого параметра известно в основном разработчикам обратноходовых схем, однако даже среди них далеко не каждый сможет толково объяснить, что и как от него зависит. Ну, а о том, что в понижающем преобразователе дроссель можно включить по автотрансформаторной схеме, знает лишь узкий круг специалистов, занимающихся теоретическими исследованиями. Но знания никогда не бывают лишними, и, разобравшись в этом вопросе, во-первых, вы сможете лучше понимать процессы, происходящие при импульсном преобразовании электрической энергии, а во-вторых, проектировать более эффективные устройства электропитания. Так, например, драйверы светодиодов для систем освещения, питающихся от сети, могут быть построены по понижающей схеме с автотрансформаторным включением дросселя, которая теоретически может обеспечить более точную стабилизацию и более плавное диммирование, чем обычная понижающая схема, и при этом быть проще и дешевле, чем обратноходовая.
Как и в предыдущих статьях, опубликованных в журнале РадиоЛоцман [2, 3], я буду использовать модели преобразователей, созданные на основе идеализированных элементов без потерь и ссылаться на работы, опубликованные в научных журналах, в которых этот вопрос рассмотрен более подробно [4, 5].
Определение коэффициента трансформации дросселя
Что такое коэффициент трансформации? В трансформаторе – это отношение числа витков первичной к числу витков вторичной обмоток (или наоборот) и его расчет обычно не составляет труда. А как определить этот параметр для дросселя импульсного преобразователя, например, для необычной, но, тем не менее, вполне работоспособной схемы понижающего преобразователя, изображенной на Рисунке 1?
 |
||
| Рисунок 1. | Понижающий преобразователь. | |
Проще всего получить ответы на эти вопросы, изучив работу обратноходовой схемы, не зря являющейся «базовой» для остальных типов преобразователей [2].
При импульсном преобразовании электрической энергии дроссель L1 выступает в роли промежуточного накопителя. Каждый цикл преобразования длительностью Т состоит как минимум из двух этапов, за время которых дроссель L1 обменивается энергией либо с конденсатором С1, либо с С2 (Рисунок 2). Энергия в дросселе L1 хранится в магнитном поле и определяется величиной магнитного потока Ф, а обмотки фактически выполняют функцию антенн, связывающих электрическую часть схемы с физической средой магнитопровода.
 |
||
| Рисунок 2. | Принцип работы обратноходового преобразователя. | |
Пусть в начале цикла преобразования магнитный поток ф(t) в магнитопроводе дросселя L1 равен ФНАЧ. На первом этапе к обмотке W1 через замкнутый ключ S1 приложено постоянное напряжение UВХ конденсатора С1, под действием которого, согласно закону Фарадея, магнитный поток изменяется на величину ΔФ1 (Рисунок 2). (Предполагается, что за время этого этапа напряжение UВХ не успевает значительно измениться):
 |
(1) |
где
N1 – количество витков обмотки W1;
t1 – длительность первого этапа преобразования.
На втором этапе происходит аналогичный процесс: к обмотке W2 через замкнутый ключ S2 приложено постоянное напряжение UВЫХ конденсатора С2, под действием которого магнитный поток изменяется на величину ΔФ2:
 |
(2) |
где
N2 – количество витков обмотки W2;
t2 – длительность второго этапа преобразования.
В установившемся режиме каждый последующий цикл должен быть аналогичен предыдущему. Это возможно лишь при условии ΔФ1 + ΔФ2 = 0, следовательно:
 |
(3) |
Невыполнение условия (3) приведет к тому, что в начале следующего цикла значение магнитного потока будет отличаться от ФНАЧ, а это допустимо лишь при переходных процессах.
Подставляя в (3) формулы (1) и (2), определим связь между напряжениями на входе и выходе обратноходовой схемы:
 |
(4) |
В формуле (4) фактически используются абсолютные значения (модули) напряжений UВХ и UВЫХ без учета их знаков. При проектировании схемы необходимо коммутировать обмотки W1 и W2 в соответствии с условием (3), иначе постоянное увеличение магнитного потока рано или поздно приведет к выходу из строя элементов силовой части преобразователя.
Анализируя (4), видим, что соотношение напряжений UВЫХ/UВХ зависит как от соотношения длительностей t1/t2, так и от соотношения числа активных витков обмоток дросселя N2/N1 на первом и втором этапах преобразования, которое и является коэффициентом трансформации дросселя n21:
 |
(5) |
Запишем (4) с учетом (5) в окончательном виде:
 |
(6) |
Таким образом, для обратноходовой схемы (Рисунок 2) коэффициент трансформации дросселя можно определить по формуле (5), а вот для преобразователя, показанного на Рисунке 1, этот параметр зависит от алгоритмов коммутации обмоток W1 – W3 с числом витков, соответственно, N1 – N3, два варианта которых показаны на Рисунке 3. В первом случае ключи S1 и S2 замыкаются синхронно с ключами, соответственно, S3 и S4, а во втором – S1 замыкается синхронно с S4, а S2 – c S3. И пусть практическое применение схемы на Рисунке 1 мне пока неизвестно, но на ее примере хорошо видно, что в импульсных преобразователях коэффициент трансформации дросселя не является статическим параметром элемента, а определяется соотношением количества витков, задействованных на разных этапах преобразования.
 |
||
| Рисунок 3. | Коэффициент трансформации дросселя схемы Рисунок 1 при разных алгоритмах управления силовыми ключами S1 – S4. |
|
Варианты включения дросселя
Итак, в общем случае на разных этапах преобразования могут использоваться разные обмотки дросселя с разным количеством витков. Для обратноходовой схемы обмотки должны быть обязательно разными, потому что иначе не будет обеспечена гальваническая развязка, а значит, схема его силовой части одинакова для любого коэффициента трансформации дросселя (Рисунок 2). Однако понижающий, повышающий и инвертирующий преобразователи, в зависимости от коэффициента трансформации и способа включения дросселя, могут иметь совершенно разные схемы силовой части.
Теоретически, в каждом из трех преобразователей можно использовать дроссель, имеющий отдельную обмотку для каждого этапа. В этом случае речь идет о трансформаторном включении дросселя (Рисунок 4). Именно трансформаторное включение является единственно возможным для обеспечения гальванической развязки, и именно этот способ используется в обратноходовой схеме. Однако для понижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей, от которых гальваническая развязка не требуется, такой способ включения будет немного нерациональным, поскольку изготовление отдельных обмоток однозначно повысит цену устройства. Кроме того, наличие у дросселя паразитных параметров, в первую очередь индуктивности рассеяния, может потребовать установки дополнительных снабберов для защиты силовых ключей, что негативно отразится на массе, габаритах, КПД и стоимости преобразователя.
 |
||
| Рисунок 4. | Схемы понижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей при разных коэффициентах трансформации дросселя. |
|
Если число активных витков дросселя на разных этапах все-таки должно отличаться, то в понижающем, повышающем и инвертирующем преобразователях можно использовать дроссель с одной обмоткой, имеющей отводы (отпайки). В этом случае речь идет об автотрансформаторном включении. Кроме более простого изготовления дросселя, автотрансформаторное включение также упрощает защиту силовых ключей от пробоя из-за наличия индуктивности рассеяния. При этом дизайн схемы уже зависит от величины коэффициента трансформации дросселя и отличается для случаев, когда он больше или меньше единицы (Рисунок 4). Особенностью автотрансформаторного включения является неодинаковое использование секций обмотки: по одной из секций ток протекает на протяжении только одного (для n21 < 1 – первого, для n21 > 1 – второго), а по другой – на протяжении и первого, и второго этапов преобразования.
Если количество активных витков на каждом этапе может быть одинаковым, тогда в преобразователях можно использовать дроссель с одной обмоткой, для которого коэффициент трансформации равен единице. В этом случае речь идет о бестрансформаторном включении дросселя. Такие преобразователи имеют самые простые схемы и наилучшие характеристики. Именно эти «классические» схемы хорошо знакомы разработчикам электроники. При бестрансформаторном включении по единственной обмотке дросселя ток протекает на протяжении обоих этапов преобразования, а накопленная в индуктивности рассеяния энергия естественным образом передается в конденсаторы С1 или С2, что является дополнительным преимуществом этих схем.
Список источников
- Материалы с сайта Premier magnetics premiermag.com.
- Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей // РадиоЛоцман – 2017. – №9. – С.28 – 31 (Часть 1). – №10. – С.32 – 38 (Часть 2).
- Русу А.П. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку // РадиоЛоцман – 2017. – №11. – С.26 – 30 (Часть 1). – №12. – С.24 – 28 (Часть 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.
- 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.
