Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? Часть 2

И это еще не все. В [5] показано, что для минимизации размеров дросселя, его магнитопровод должен работать в граничном режиме, в котором максимально допустимый размах магнитной индукции не превышает значения индукции насыщения В_НАС (ΔB ≤ В_НАС). Однако при однополярном перемагничивании реальных магнитных материалов из-за наличия остаточной намагниченности B_R под ограничение попадают не только максимальное, но и минимальное значение B. Для трансформатора это не имеет особого значения – его магнитопровод работает по симметричным циклам перемагничивания (ΔB ≤ 2В_НАС), а вот для дросселя это приводит к дополнительному ограничению размаха магнитной индукции – ΔB ≤ (В_НАС – B_R).

Если проанализировать характеристики реальных материалов, то можно увидеть, что величина остаточной индукции для большинства ферромагнетиков достаточно велика. Например, для популярного в устройствах силовой электроники феррита N87 при температуре 100 °C остаточная индукция B_R ≈ 150 мТл при индукции насыщения В_НАС ≈ 390 мТл (Рисунок 3) [9]. Учитывая, что при индукции свыше 300 мТл кривые намагничивания уже становятся нелинейными, максимальное значение индукции B_MAX для данного материала (как и для многих ферритов) не следует выбирать больше 300 мТл. В этом случае значение остаточной намагниченности приблизительно равно половине максимальной индукции (B_R ≈ 0.5B_MAX). Таким образом, максимально возможный размах магнитной индукции для дросселя ΔB ≈ В_MAX – B_R = 0.5B_MAX, в то время как для трансформатора, использующего тот же самый феррит, ΔB ≈ 2В_MAX.

Рисунок 3.	Кривые намагничивания феррита N87 при 25 °С (слева) и 100 °С (справа) [9].

Здесь следует отметить, что большинство магнитопроводов дросселей имеет немагнитный зазор, уменьшающий величину B_R, что, теоретически, позволяет увеличить значение ΔB. Однако на практике далеко не все преобразователи работают в граничном режиме, поскольку он приводит к увеличению пульсаций токов, а значит, и к увеличению установочной мощности силовых транзисторов, диодов и конденсаторов. Очень часто дроссели, особенно при использовании магнитопроводов из распыленного железа, обладающего значительными потерями, но имеющего меньшую стоимость, при максимальных нагрузках работают в более «щадящем» режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode) с размахом магнитной индукции ΔB ≈ (0.1…0.3)B_MAX.

Примем для дросселя ΔB ≈ 0.5B_MAX, а для трансформатора ΔB ≈ 2B_MAX. Подставив эти значения в формулы, соответственно, (2) и (7), и приняв к_{1_MAX} = к_{2_MAX} = 0.8, при котором значение выражения в скобках формулы (2) приблизительно равно единице, получим:

(8)

Или, другими словами, при абсолютно одинаковых условиях дроссель должен быть в лучшем случае в восемь раз больше (и тяжелее) трансформатора!

Когда использовать трансформатор?

Если трансформатор в восемь раз меньше дросселя, тогда давайте будем использовать только трансформаторы вместо дросселей. Мысль хорошая, но тут тоже все непросто.

Основная сложность применения трансформатора в импульсных преобразователях электрической энергии заключается в том, что ему для работы необходимо переменное напряжение с частотой f, которая может достигать нескольких мегагерц (обычно 20…500 кГц). Но большинство существующих преобразователей работает в системах постоянного тока (DC-DC Converter) и только в последнее время появились разработки, для регулировки напряжения промышленной сети 50(60) Гц (AC-AC Converter). Поэтому для того, чтобы трансформатор просто смог работать, необходимы еще как минимум два дополнительных узла. Вначале необходимо каким-то образом получить переменное напряжение с частотой f, а затем, после его прохождения через трансформатор, удалить внесенную высокочастотную компоненту (Рисунок 4). В DC-DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы назвали «инвертор» и «выпрямитель», хотя в AC-AC преобразователях узлы, на входе и выходе которых присутствует переменное напряжение, формально уже не попадают под эти определения. Согласно их функциональному назначению, правильнее было бы назвать модулятор (инвертор) и демодулятор (выпрямитель).

Рисунок 4.	Схема преобразователя на основе трансформатора.

Кстати, использование в инверторе-модуляторе и выпрямителе-демодуляторе полностью управляемых ключей, способных по сигналу управления как пропускать, так и блокировать протекание тока в любом направлении, открывает новые возможности для построения преобразователей. В таких устройствах только изменением алгоритма управления силовыми ключами можно изменять функциональное назначение схемы и регулировать как тип выходного напряжения (постоянное/переменное), так и его полярность (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Диаграммы работы преобразователя (Рисунок 4) при различных алгоритмах работы схемы управления.

Вторая сложность использования трансформатора заключается в том, что его коэффициент передачи определяется только соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток, а значит, не может меняться во время работы. На практике это приводит к необходимости использования дополнительных регуляторов или стабилизаторов, использование которых также негативно сказывается на технических характеристиках преобразователей. Вспомните схемы выпрямительных устройств на основе 50-герцовых трансформаторов. Там стабилизация напряжения осуществлялась либо с помощью управляемых тиристорных выпрямителей, приводящих к сильным искажениям формы напряжений и токов, либо с помощью компенсационных стабилизаторов напряжения с низким КПД.

Кроме того, индуктивные элементы сложно сделать малогабаритными. При малых мощностях стоимость любого индуктивного элемента определяется больше стоимостью сборки, чем материалов, использованных при его изготовлении. Поэтому при небольших мощностях масса, габариты и стоимость преобразователей на основе трансформатора в лучшем случае не отличаются от аналогичных параметров преобразователей на основе дросселей, а в худшем приводят к их увеличению, потому что кроме трансформатора на плате еще должны находиться инвертор и выпрямитель вместе с сопутствующей «обвязкой». Помимо этого, силовые элементы инвертора и выпрямителя выделяют тепло, что, особенно при использовании «жестких» режимов переключения, приводит к увеличению потерь. Поэтому КПД преобразователей на основе трансформатора при малой мощности только в редких случаях превышает 85%.

Вот почему использование трансформатора в большинстве случаев оправдано лишь при преобразовании мощности свыше 100 Вт или при большой разнице напряжений между входом и выходом (хотя в [3] показано, что в последнем случае хороший результат дает использование дросселя, включенного по автотрансформаторной схеме).

Заключение

Теперь становится понятно, что использование трансформатора оправдано лишь в мощных (более 100 Вт) преобразователях. При меньшей мощности реализация преобразователя по «трансформаторным» схемам, например, мостовой или полумостовой, особенно при использовании «жестких» режимов переключения, в большинстве случаев приведет лишь к бессмысленному ухудшению технических характеристик. Но, приступая к разработке преобразователя на основе трансформатора, следует помнить, что его использование в импульсных преобразователях имеет множество особенностей, рассмотрение которых уже выходит за рамки этой статьи.

Список источников

1. Русу А.П. «Откуда появились базовые схемы преобразователей»
2. Русу А.П. «Почему импульсные преобразователи "не любят" "легкую" нагрузку»
3. Русу А.П. «Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков»
4. Русу А.П. «Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно?»
5. Русу А.П. В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя? // Радиолоцман – 2018. – №5. – С.26 – 30 (Часть 1). – №6. – С.26 – 30 (Часть 2).
6. Русу А.П. Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя // Радиолоцман – 2018. – №7. – С.30 – 33 (Часть 1). – №8. – С.24 – 27 (Часть 2).
7. 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.
8. Kadatskyy А.F., Rusu A.P. Determination of the necessary inductor core dimensions for switching electrical energy converters // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. – 2018. – №1. – С. 125–134.
9. Ferrites and accessories. SIFERRIT material N87. – Epcos. – 2006. – 7с.