РадиоЛоцман - Все об электронике

Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков. Часть 2

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018

Александр Русу, Одесса

Часть 1

Влияние коэффициента трансформации дросселя на коэффициент передачи по напряжению

Итак, в импульсных преобразователях можно использовать как дроссель с одной обмоткой, которая может иметь отпайки, так и две отдельные обмотки. Согласно (6), коэффициент трансформации дросселя в первую очередь влияет на коэффициент передачи по напряжению UВЫХ/UВХ, и нам осталось только выяснить как.

Рассмотрим графики зависимостей UВЫХ/UВХ от соотношения t1/t2 (Рисунок 5), построенные по формуле (6) и являющиеся разновидностями регулировочных характеристик. Из графиков видно, что изменением коэффициента трансформации дросселя можно сместить регулировочную характеристику по вертикали, а значит, и обеспечить необходимое соотношение t1/t2 при заданном UВЫХ/UВХ.

Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков
Рисунок 5. Регулировочные характеристики обратноходового преобразователя
при различных коэффициентах трансформации дросселя.

Рассмотрим подробно этот вопрос на примере выпрямительного устройства с выходным напряжением UВЫХ = 12 В. После выпрямления напряжения сети с действующим значением 220 В напряжение на входе преобразователя UВХ составит около 300 В, а UВЫХ/UВХ =12/300 = 0.04. Если в схеме использовать дроссель с n21 = 1, то, согласно (6), соотношение t1/t2 также будет равно 0.04.

Чтобы перевести t1/t2 в привычные для большинства специалистов относительные длительности открытых состояний ключей, предположим, что преобразователь работает в режиме непрерывной проводимости, для которого справедливо:

  (7)

В этом случае:

  (8)

где к1 = t1/T, к2 = t2/T – относительные длительности, соответственно, первого и второго этапов преобразования.

Теперь по формуле (8) можно определить, что при t1/t2 = 0.04 к1 и к2 будут равны:

Допустим, гальваническая развязка не требуется, и мы при том же значении UВЫХ/UВХ можем использовать инвертирующую схему с однообмоточным дросселем. При этом длительность t1 должна быть меньше 4% от длительности периода, что очень мало, поскольку выходное напряжение еще нужно как-то регулировать. Кроме того, при легкой нагрузке преобразователь может перейти в разрывный режим, при котором t2 будет меньше чем в режиме непрерывной проводимости, и для того чтобы не допустить увеличения напряжения на выходе, необходимо уменьшать t1 пропорционально t2, сохраняя неизменным соотношение t1/t2. Вот и получается что для сетевого выпрямителя как инвертирующая, так и обратноходовая схемы на основе дросселя с n21 = 1 из-за сложности управления труднореализуемы на практике.

Идеальным с точки зрения регулирования является режим, когда при номинальном входном напряжении t1/t2 = 1. В этом случае, согласно (8), относительные длительности этапов преобразования составят:

и контроллер будет иметь максимальный диапазон регулировки напряжения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Кроме того, при t1/t2 = 1 скорости изменения магнитного потока dф/dt и токов в обмотках di/dt минимальны, а значит, преобразователь будет создавать меньше электромагнитных помех.

Для реализации желаемого режима работы (t1/t2 = 1) в рассматриваемом примере необходимо, согласно (6), выбрать дроссель с коэффициентом трансформации n21 = 0.04, при котором на один виток обмотки W2 приходится 25 витков обмотки W1. Чтобы в полной мере «ощутить» влияние коэффициента трансформации дросселя в Таблице 2 приведены значения t1/t2, к1 и к2, а на Рисунке 6 показаны диаграммы магнитного потока f(t) дросселя при различных значениях n21.

Таблица 2. Значения t1/t2, к1 и к2 при разных коэффициентах трансформации
дросселя для обратноходового и инвертирующего преобразователя
при UВЫХ/UВХ = 0.04
n21 2 1 0.5 0.2 0.1 0.04
t1/t2 0.02 0.04 0.08 0.2 0.4 1
к1 0.0196 0.0385 0.074 0.167 0.286 0.5
к2 0.9804 0.9615 0.926 0.833 0.714 0.5

Из графиков видно, что изменение коэффициента трансформации дросселя может как улучшить, так и ухудшить ситуацию. Так, например, при выборе n21 > 1 соотношение t1/t2 станет еще меньше, а регулировка выходного напряжения еще сложнее.

Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков
Рисунок 6. Влияние коэффициента трансформации на форму магнитного потока дросселя.

Теперь понятно, почему у всех дросселей из Таблицы 1 соотношение числа витков N2/N1 меньше единицы. При таких параметрах дросселя легче управлять силовой частью и поддерживать выходное напряжение с требуемой точностью. Так, например, для дросселей, рассчитанных на выходное напряжение 12 В, коэффициент трансформации находится в диапазоне 0.1...0.15, а значит относительная длительность первого этапа преобразования к1 при входном напряжении 220 В будет равна приблизительно 25%. Смещение рабочей точки в эту область объясняется широким диапазоном рабочих напряжений и возможностью работать в сетях с иным номинальным напряжением, например, 110 В без какой-либо дополнительной настройки схемы.

Для понижающей и повышающей схем за счет преобразования меньшего количества энергии дросселю необходим меньший объем магнитопровода по сравнению с инвертирующим и обратноходовым преобразователями [2]. Однако из-за того, что вход или выход виртуального импульсного регулятора в этих схемах соединяются последовательно с входом и выходом преобразователя, на одном из этапов преобразователя к одной из обмоток дросселя прикладывается меньшее напряжение чем в обратноходовой схеме. Поэтому формула (6), справедливая для импульсного регулятора, для понижающей и повышающей схем оказывается неверна.

Для получения обобщенной формулы для всех четырех рассмотренных схем воспользуется методом учета способа включения импульсного регулятора с помощью коэффициентов топологии схемы [2, 4, 5]. Ее вывод аналогичен выводу формулы (6), а результат имеет вид:

  (9)

где F1, F2 – коэффициенты топологии схемы (Таблица 3).

Таблица 3. Коэффициенты топологии схемы
Преобразователь F1 F2
Понижающий 1 0
Повышающий 0 1
Инвертирующий 0 0
Обратноходовой 0 0

Графики зависимостей UВЫХ/UВХ от отношения t1/t2 при разных коэффициентах трансформации дросселя для преобразователей понижающего и повышающего типов показаны на Рисунке 7. Из графиков видно, что с помощью n21 можно изменить лишь форму регулировочной характеристики, то есть, каким бы ни было значение n21, понижающая схема не может увеличить входное напряжение, а повышающая его уменьшить.

Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков
Рисунок 7. Регулировочные характеристики для понижающего (а) и повышающего (б)
преобразователей при разных коэффициентах трансформации дросселя.

Для понижающего преобразователя использование дросселя с n21 < 1 позволяет расширить рабочий диапазон UВЫХ/UВХ. Так, например, если необходимо понизить напряжение в 10 раз, то при использовании обычного дросселя с n21 = 1 соотношение t1/t2 ≈ 0.1, чему, согласно (8), соответствует к1 ≈ 0.1, к2 ≈ 0.9, что уже достаточно проблематично реализовать на практике. При этом выбор дросселя с n21 = 0.1 обеспечивает t1/t2 ≈ 1 (к1 ≈ 0.5, к2 ≈ 0.5), что не вызовет никаких проблем со стороны контроллера. А вот использование дросселя с n21 > 1, наоборот, не позволяет значительно понизить UВХ, но зато увеличивает точность установки UВЫХ, что может быть полезно при разработке прецизионных схем.

Для повышающего преобразователя ситуация обратна. Увеличение коэффициента трансформации дросселя еще больше повышает выходное напряжение. То есть, увеличить UВХ в 100 раз при использовании дросселя с n21 = 1 практически невозможно, а вот при использовании дросселя с n21 = 100 никаких проблем на возникает, поскольку в этом случае t1/t2 ≈ 1 (к1 ≈ 0.5, к2 ≈ 0.5). Выбор же дросселя с n21 < 1 уже не позволит намного увеличить UВХ, но зато обеспечит высокую точность стабилизации.

Теперь становится понятно, почему понижающий и повышающий преобразователи с однообмоточным дросселем обычно используются в диапазоне 0.1 < UВЫХ/UВХ < 10. При выходе за границы этого диапазона, во-первых, уменьшение объема магнитопровода уже не так значительно [2], а во-вторых, возникают проблемы со стороны управления, поскольку при t1/t2 < 0.1 или t1/t2 > 10 уже сложно как управлять силовыми транзисторами, имеющими конечное время переключения, так и поддерживать требуемую точность выходного напряжения.

Заключение

Возможности работы с разным числом витков на разных этапах преобразования уделено, на мой взгляд, недостаточно внимания в специализированной литературе, несмотря на то, что обратноходовые преобразователи, в которых используется этот режим, являются одной из самых распространенных схем. В результате одинаковые по своей природе физические процессы в обратноходовой и, например, понижающей схеме имеют разные методики расчета, трудно стыкуемые между собой. Разобравшись в этом вопросе, вы сможете совершенно на другом уровне понимания проектировать как «классические», так и более сложные схемы, например, многоканальных преобразователей, потребность в которых увеличивается с каждым годом.

Список источников

  1. Материалы с сайта Premier magnetics premiermag.com.
  2. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей // РадиоЛоцман – 2017. – №9. – С.28 – 31 (Часть 1). – №10. – С.32 – 38 (Часть 2).
  3. Русу А.П. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку // РадиоЛоцман – 2017. – №11. – С.26 – 30 (Часть 1). – №12. – С.24 – 28 (Часть 2).
  4. 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.
  5. 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.

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

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя