РадиоЛоцман - Все об электронике

Как рассчитать импульсный преобразователь электрической энергии? Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, май 2019

Александр Русу, Одесса, Украина

Проектирование преобразователей электрической энергии требует от специалиста четкого понимания всех процессов, происходящих в их силовой части. В отличие от преобразователей сигналов (усилителей, модуляторов, АЦП и пр.), для создания которых в большинстве случаев достаточно быть профессионалом лишь в области электроники, для разработки преобразователей ЭНЕРГИИ кроме этого необходимо неплохо разбираться в физике и иметь широкий кругозор в области электротехнических и магнитных материалов. Именно поэтому разработчики источников питания всегда пользовались, и будут пользоваться заслуженным уважением среди электронщиков.

Но, как показывает практика, чтобы в этой области выйти на высокий уровень профессионализма, необходимо не только много работать, но и, к сожалению, сжечь не одну коробку транзисторов, диодов и других недешевых электронных компонентов. Конечно, ошибки всегда можно списать на недостаток опыта или специфику разработки устройств силовой электроники, однако, анализируя свои собственные неудачи, мне приходится признать, что на сегодняшний день процесс импульсного преобразования электрической энергии до сих пор системно нигде не описан, что и является причиной многих, порой очень досадных инцидентов.

В свое время я прочитал (и продолжаю этим заниматься до сих пор) немало книг, статей и других материалов, посвященных этому вопросу. Должен признать, что их авторы всегда честно пытались описать импульсный процесс преобразования с помощью самых различных моделей, точность которых иногда была порой избыточна, а методы анализа – в прямом смысле слова удивительными. Однако самостоятельная практика показала, что в понимании самого процесса импульсного преобразования все еще много «белых пятен» – вопросов, которые по разным причинам еще не нашли отражения в литературе. И тогда оставалось только действовать самому, ища нужные ответы. Правильные решения в виде работающих схем отправлялись заказчику, а неправильные – в коробку со сгоревшими деталями. Вот и получается, что опыт разработчика импульсных источников питания до сих пор состоит из двух приблизительно равных частей: известной, но, к сожалению, ограниченной теоретической базы и собственных «шишек», полученных за время работы.

Я искренне надеюсь, что эта статья сможет изменить это соотношение, уменьшив число «белых пятен», а значит – и количество времени, необходимое для формирования квалифицированного специалиста в области импульсного преобразования электрической энергии. Для этого я написал ее в формате примера расчета одной нестандартной схемы преобразователя (Рисунок 1). В этом примере последовательно по шагам описаны все основные этапы проектирования силовой части «с нуля», с акцентированием внимания на тех вопросах, ответы на которые в свое время мне пришлось искать самому. К сожалению, формат журнальной статьи имеет свою специфику, поэтому полный расчет от технического задания до прототипа здесь приводится. Да он на данном этапе и не нужен, поскольку большинство нерассмотренных вопросов либо интуитивно понятны, либо настолько хорошо освещены в известной литературе, что их грубое копирование здесь только бы навредило данному материалу.

Схема силовой части преобразователя.
Рисунок 1. Схема силовой части преобразователя.

И еще, целью статьи не является расчет схемы Рисунка 1. Целью статьи является описание ПРОЦЕССА расчета. Это означает, что данную методику можно применить не только для DC/DC преобразователей, как в приведенном примере, но и для широкого круга устройств: инверторов, выпрямителей, корректоров коэффициента мощности, преобразователей переменного напряжения и даже сглаживающих фильтров. Дело в том, что физические принципы импульсного преобразования электрической энергии с помощью индуктивных компонентов не зависят от того, в каких узлах они используются, поэтому порядок расчета в любом случае остается тем же, только нужно правильно подставить исходные данные.

Техническое задание

Прежде чем брать в руки калькулятор, нужно вначале определиться с тем, что должно получиться в итоге. Пусть нам необходим преобразователь, который из постоянного напряжения, изменяющегося в диапазоне от UВХ_MIN = 4 В до UВХ_MAX = 6 В (номинальное напряжение при этом равно UВХ = 5 В), должен сделать двуполярное напряжение UВЫХ1 = +12 В и UВЫХ2 = –12 В с максимальным током каждого канала IВЫХ1 = IВЫХ2 = 1 А. Гальваническая развязка входа и выходов не требуется.

Варианты построения силовой части преобразователя, удовлетворяющие техническому заданию: на основе двух независимых преобразователей (а), на основе обратноходовой схемы (б), с двойным преобразованием энергии (в).
Рисунок 2. Варианты построения силовой части преобразователя, удовлетворяющие
техническому заданию: на основе двух независимых преобразователей (а),
на основе обратноходовой схемы (б), с двойным преобразованием энергии (в).

Конечно, поставленную задачу можно было бы решить множеством других способов, некоторые из которых показаны на рисунке (Рисунок 2). Но схема Рисунка 1, во-первых, привлекает своим изяществом, а во-вторых, на этом примере можно показать всю последовательность действий в нестандартных ситуациях.

Определение величины преобразуемой мощности

С чего нужно начинать расчет? Самым главным параметром любого источника питания является мощность. Именно от нее напрямую зависят все остальные параметры преобразователя, в том числе масса, габариты и стоимость. В данном случае выходную мощность РВЫХ можно легко определить как сумму мощностей обоих каналов:

  (1)

где РВЫХ1, РВЫХ2 – соответственно, выходная мощность первого и второго канала.

Однако на самом деле на массу, габариты и стоимость ключевое влияние оказывает не выходная, а преобразуемая мощность РПМ – скорость передачи энергии через магнитные или электрические поля элементов, изменяющих параметры электрической энергии. В нашем примере это процесс происходит в дросселе L1, поэтому именно от его режима работы зависят все остальные параметры схемы.

В общем случае, величина преобразуемой мощности может быть меньше мощности преобразователя. Это связано с тем, что за счет особенностей схемотехники силовой части часть энергии поступает в нагрузку непосредственно из источника первичного питания (с входа преобразователя), минуя магнитное поле дросселя. Этот вопрос подробно рассмотрен в [1], где и получены формулы, позволяющие рассчитать величину РПМ для четырех наиболее распространенных («базовых») схем:

  (2)

где UВХ, UВЫХ – соответственно, напряжение на входе и выходе преобразователя.

Наша схема, на первый взгляд, не является ни одной из «базовых», однако посмотрим на нее внимательно. Если мысленно убрать из нее все элементы, относящиеся ко второму каналу преобразования (обмотку W2, VD1, C3), то останется классический повышающий преобразователь, а если убрать элементы первого канала (VD2, C2) – то обратноходовой (Рисунок 3).

Разделение схемы (Рисунок 1) на элементарные «базовые» преобразователи.
Рисунок 3. Разделение схемы (Рисунок 1) на элементарные «базовые» преобразователи.

Для первого канала (повышающая схема) преобразуемая мощность РПМ1 зависит от соотношения напряжений на входе и выходе, причем, чем больше разница напряжений, тем больше РПМ1. Определим эту величину для худшего случая – при минимальном входном напряжении UВХ_MIN:

  (3)

Во втором канале (обратноходовая схема) вся энергия проходит через магнитное поле дросселя, поэтому преобразуемая мощность РПМ2 не зависит от соотношения напряжений на входе и выходе:

  (4)

Магнитопровод дросселя L1 является общим для двух каналов, поэтому, используя принцип суперпозиции, суммарную преобразуемую мощность РПМ можно представить в виде суммы преобразуемых мощностей первого и второго каналов:

  (5)

Сравнивая результаты расчетов по формулам (1) и (5), видим, что РПМ < РВЫХ. Недостающие 4 Вт за счет электрической связи поступают в нагрузку первого канала напрямую с входа без каких-либо преобразований. Это позволяет сделать нашу схему почти на 17% меньше и легче, чем в случае включения обоих каналов по обратноходовой схеме (Рисунок 2б). Кстати, если у читателя есть желание попрактиковаться в расчетах преобразуемой мощности, то на Рисунке 2 приведены результаты расчетов РПМ, для всех индуктивных компонентов, которые можно использовать для самопроверки.

Определение максимального количества преобразуемой энергии

Итак, через магнитопровод дросселя L1 должна проходить энергия со скоростью РПМ. Дроссель, в отличие от трансформатора, работает по принципу «взял-сохранил-отдал» (чем отличается дроссель от трансформатора, подробно описано в [24]). Максимальное количество энергии WMAX, которое должно накапливаться в магнитном поле, можно определить по упрощенной формуле:

  (6)

где NП – количество циклов преобразования за секунду.

А как определить NП? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос нет, поскольку этот параметр напрямую зависит от метода управления силовой частью. Если преобразователь будет работать с фиксированной частотой FП, например, при использовании классического ШИМ-контроллера с управлением по напряжению, тогда все просто – NП = FП. Если частота преобразования изменяется в зависимости от тока нагрузки, например, при использовании ЧИМ-контроллера с управлением по току, то NП должен быть равен минимальной частоте преобразования FП_MIN при максимальной мощности РВЫХ_MAX. Более сложно определить WMAX при использовании гистерезисных методов управления. В этом случае необходимо тщательно изучить техническую документацию на используемый контроллер и разобраться во всех тонкостях его работы.

Кроме того, ситуация усугубляется наличием колебаний входного напряжения, токов нагрузок, аварийных режимов, а также частотными характеристиками цепей обратной связи. Переходные процессы, возникающие, например, при резком уменьшении потребляемой мощности или перегрузке преобразователя по току, могут привести к «перезаряду» дросселя, когда реальное количество накопленной в нем энергии превысит расчетное значение WMAX, а это значит, что в схеме возникнут экстратоки, и она может выйти из строя.

К сожалению, правильный выбор WMAX, приблизительное значение которого можно определить по формуле (6), во многом зависит от опыта и интуиции разработчика. На этом этапе можно дать лишь общую рекомендацию – используйте запас. Пусть дроссель будет немного большего размера, но зато схема не выйдет из строя в самый неподходящий момент. Причем, чем меньше опыта у разработчика, тем большим должен быть запас. Впоследствии, когда будут решены все остальные вопросы, к этому этапу можно будет вернуться и провести необходимую оптимизацию.

Пусть в нашем случае будет использоваться классический ШИМ-контроллер с управлением по напряжению, работающий на частоте FП = 100 кГц, тогда:

  (7)

Учитывая наличие перегрузок по току, переходных процессов и прочих «неприятностей» (а также отсутствие опыта), возьмем 50% запас по энергетической емкости и в дальнейших расчетах примем WMAX = 0.3 мДж.

Выбор материала магнитопровода

Количество существующих магнитопроводов индуктивных элементов вызывает ощущение легкой паники, особенно у начинающих разработчиков. Чтобы избежать этого неприятного чувства, нужно руководствоваться простым правилом: ориентируйтесь на те материалы, которые можно купить. Для этого нужно вначале внимательно изучить ассортимент доступных в вашем регионе поставщиков, а еще лучше – связаться с ними и выяснить, смогут ли они обеспечить выбранные сердечники в том количестве, которое вам необходимо. Бывают ситуации, когда «их не возят, потому что никто их не берет», или нужное вам количество, неважно 10 или 10,000 штук, будет неинтересно или «не по силам» поставщику, или, что еще хуже, этот материал снимают (или уже сняли) с производства.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили магнитные материалы, сравнительная оценка которых приведена в Таблице 1. Выбор усложняется еще и тем, что одни и те же материалы, например, альсиферы, разными производителями выпускаются под разными торговыми марками. Кроме того, каждый тип материала имеет множество разновидностей. Например, судя по каталогам [5], только распыленного железа существует 13 модификаций, а общее количество типов ферритов, выпускаемых всеми производителями в мире, вообще очень сложно подсчитать.

Таблица 1. Сравнительная оценка материалов магнитопроводов [5]
Параметр Распыленное
железо
(Iron Powder)
High Flux Альсифер
(Sendust,
Kool Mµ)
Молибден-
пермаллой
(MSS, MPP)
Феррит с зазором
(Gapped ferrite)
Состав Fe (100%) Fe(50%) +
Ni(50%)
Fe(85%) +
Si(8%) +
Al (6%)
Ni(81%) +
Fe(17%) +
Mo(2%)
Mn + Zn + Fe (оксид)
Начальная
магнитная
проницаемость
3...100 14...160 26...125 14...550 Определяется величиной
зазора: ~10...10000
Индукция
насыщения, Тл
1.5 1.5 1.05 0.75 0.5
Мощность потерь
(100 кГц, 0,05 Тл),
мВт/см3
800 260 200 120 230
Относительная
стоимость
Самая низкая Высокая Средняя Высокая Средняя

Как выбрать материал? Здесь лучше всего использовать следующий подход. Преобразователь должен быть компактным, дешевым и иметь высокий КПД. К сожалению, эти три параметра находятся во взаимном противоречии друг с другом, поэтому как минимум один из них необходимо исключить из критериев выбора. Если нужна компактная и недорогая схема, тогда можно выбрать дешевое распыленное железо с большой индукцией насыщения, но потери при этом будут весьма ощутимыми. Если нужно высокое значение КПД, тогда нужно ориентироваться на магнитопровод из молибден-пермаллоя. Но в любом случае обязательным условием выбора должна быть доступность выбранного сердечника.

Кстати о ферритах. С теоретической точки зрения использовать этот материал для магнитопроводов дросселей – не самая лучшая идея. Этот материал обладает высокой магнитной проницаемостью малой индукцией насыщения и большим значением остаточной намагниченности. Такое сочетание параметров позволяет считать его практически непригодным для накопления энергии. Этот материал больше подходит для трансформаторов, где ее накапливать не только не нужно, но даже и вредно. Однако относительно малые потери, широкая доступность, наличие множества разновидностей сердечников и невысокая стоимость делают его очень привлекательным с практической точки зрения.

Чтобы феррит можно было использовать для накопления энергии, в магнитопровод вводят немагнитный зазор, позволяющий уменьшить как магнитную проницаемость, так и величину остаточной намагниченности. С математической точки зрения введение зазора решает все проблемы, а вот с физической стороны дела обстоят не так хорошо.

Если материал не может вместить много энергии, тогда где же хранится то ее количество, которое не «влезает» в сердечник? Очевидно, что в окружающем пространстве. Теоретически дроссель можно изготовить вообще без сердечника, но тогда он получится просто огромным. Кроме того, все пространство вокруг него будет в прямом смысле слова пронизано переменным высокочастотным магнитным полем (Рисунок 4), которое будет взаимодействовать со всеми соседними (и не только) объектами. Поэтому чем больше размер зазора, тем большее количество энергии будет «выходить» за пределы индуктивного элемента. Таким образом, несмотря на то, что введение немагнитного зазора формально увеличивает энергетическую емкость дросселя, реально это происходит за счет ее размещения в окружающем пространстве со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Влияние немагнитного зазора на область хранения энергии.
Рисунок 4. Влияние немагнитного зазора на область хранения энергии.

Хорошим решением в этом случае является введение распределенного зазора, как это сделано, например, в сердечниках из распыленного железа. В этом случае окружающее пространство хоть и задействуется для хранения энергии, но из-за малых размеров немагнитных промежутков это проникновение минимально. К сожалению, количество ферритовых сердечников с распределенным зазором пока невелико.

Список источников

  1. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей
  2. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии?
  3. Русу А.П. Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии
  4. Русу А.П. В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?
  5. Материалы с сайта coretech.com.ua
  6. Русу А.П. Как определить размеры магнитопровода дросселя импульсного преобразователя

Продолжение

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • По теме ВЫБОР МАГНИТОПРОВОДА: 1. Не забываем о форме магнитопровода!!! Если для ферритовых сердечников вполне можно использовать ЕЕ, EF, EFD, ETD, RM, т.е. всё кроме тороида без зазора, то для распылённых материалов единственно нормальная форма сердечника тороидальная (чтобы не рассеивать в эфир энергию). Практически проверено, что замена EF-16 феррита (аналог 2500НМ) с зазором 0.5 мм на аналогичный по формфактору сердечник из распылённого железа -52 приводит к резкому возрастанию помех в эфир, снижению КПД обратноходового источника. Можно говорить, о том, что индуктивность упала и частота несколько возросла, но основное - это рассеяние в пространство. EF-16 из 52 материала заказывал в той фирме «на пробу», ссылки на материалы с сайта которой приведены в данной части статьи. Данный заказ вызвал недоумение у производителя, но 10 комплектов я получил... Понял, что упростить намотку всё равно не получится... Наверное китайцы долго смеялись... Т.е. работая с распылёнными материалами готовьте «челноки» и ручками шур-шур-шур... Ну или купите станок для намотки у тех же самых китайцев - советские уже, как правило, остались раздолбаными (хотя мотать ещё могут). 2. Для использования распылённого железа есть ещё одна проблема. Частотные свойства матераила (в принципе это касается и других подобных материалов) - при некоторой частоте больше определённой потери резко возрастают и сердечник становится не стабильным во времени. Для 52 материала это по данным изготовителя 100 кГц. Т.е. если ваш преобразователь работает на частоте 132 кГц (например), то он работает некоторое время, но потери вызывают разогрев сердечника, со временем (два-три года, в зависимости от температурных условий эксплуатации) потери возрастают настолько, что говорить о нормальной работе БП не приходится. При частоте 40-70 кГц данных проблем не наблюдается. И ещё, данным материалом (-52) пользуюсь с февраля 2009 с тысячными тиражами продукции в разных вариантах ИБП мощностью 1.5 - 3.0 Вт с высоким входным напряжением.
  • Всё правильно написано Для маломощных обратноходов не столь критично рассеивание. Для мощностей больше скажем 30 Вт - феррит с зазором. Несколько конструкций делал на чашках для сравнения результирующего КПД с кольцом и Ш-образным сердечниками. Чашки выиграли. Распылённое железо греется и на частотах 50-60 кГц, всё зависит от партии и производителя. Например, советские кольца из альсифера ВЧ неплохо работают на частотах 200кГц. Но что именно за марка колец у меня, не скажу.