Как рассчитать импульсный преобразователь электрической энергии? Часть 9

Определение максимальных значений токов полупроводниковых элементов

Максимальные значения токов в элементах силовой части преобразователя необходимо знать для правильного выбора силовых ключей: транзисторов и диодов. Именно эти значения вместе с максимальными значениями напряжений будут определять величину установочной мощности (произведения максимально допустимых значений напряжений и токов), от которых напрямую зависит стоимость полупроводниковых элементов.

В нашем случае решение этого вопроса не представляет какой-либо сложности, ведь через транзисторы и диоды протекают те же токи, что и через обмотки дросселя, а их параметры уже были определены в предыдущих частях статьи. Так, например, уравнение для мгновенного значения тока транзистора VT1 описывается формулой (120), а численные значения параметров, входящих в него, определены в Таблице 4.

Поскольку токи обмоток дросселя, а, следовательно, и токи транзисторов и диодов изменяются по линейным законам (см. формулу (58)), они будут принимать максимальные значений либо в начале (I_{НАЧХ_Х}), либо в конце (I_{КОНХ_Х}) какого-либо из этапов преобразования. В нашем случае максимальное значение тока в транзисторах и диодах будет или в самом конце первого этапа преобразования, или в самом начале второго, ведь именно в этот момент количество накопленной энергии в дросселе максимально. До недавнего времени это правило было универсальным, и первый этап преобразования многие специалисты по импульсному преобразованию называли не иначе как «интервалом накопления». Однако развитие элементной базы позволило импульсным преобразователям работать и в иных режимах. Так, например, в режиме рекуперации, подробно рассмотренном в [7], когда энергия передается в обратном направлении – с выхода преобразователя на его на вход, максимальное количество энергии в дросселе будет в начале первого этапа преобразования.

Таким образом, при определении максимальных значений тока нужно внимательно проанализировать режимы работы силовой части и по определенным ранее значениям I_{НАЧХ_Х} и I_{КОНХ_Х} выбрать максимальное из них. В нашем случае, анализируя значения Таблицы 4, просто перепишем максимальные значения тока (Таблица 6).

Таблица 6.	Максимальные значения токов в силовых элементах схемы
Элемент Уравнение для определения мгновенного значения тока Обозначение Режим Максимальный ток, А Дроссель L1, обмотка W1 (60) IКОН1_1 Работают оба канала 8.32 Дроссель L1, обмотка W2 (59) IНАЧ2_2 Работают оба канала 3.6 Транзистор VT1 (120) IКОН1_1 Работают оба канала 8.32 Диод VD1 (59) IНАЧ2_2 Работают оба канала 3.6 Диод VD2 (122) IНАЧ2_1 Работает только первый канал 4.2

Обратите внимание на токи диодов. Если для транзистора VT1 ток, протекающий через него, ожидаемо будет максимальным в режиме 100% мощности, когда работают оба канала, то для диодов это может быть не так. Дело в том, что в аварийных режимах, например, когда отключается нагрузка одного из каналов, изменившийся уровень пульсации тока в обмотках дросселя (ΔI_{Х_Х}) может привести к увеличению максимальных значений токов диодов. Это, в частности, происходит при отключении нагрузки второго канала. Увеличившийся уровень пульсации обмотки W1 c ΔI_{2_1} = 0.89 A (когда работают оба канала) до ΔI_{2_1} = 3.6 A (когда работает только первый канал) приводит и к увеличению максимального значения тока диода VD2 с 2.84 A (когда работают оба канала) до 4.2 A (когда работает только первый канал). Если этот момент не учесть при проектировании и выбрать диод VD2 с максимально допустимым током, например, 3.5 А, то при отключении нагрузки второго канала разработчика может ждать неприятный сюрприз.

Определение максимальных значений напряжений на полупроводниковых элементах

Как и максимальные значения токов, максимальные значения напряжений необходимы, в первую очередь, для выбора транзисторов и диодов. Их определение не представляет большой сложности, и для этого удобнее всего использовать второй закон Кирхгофа.

Рисунок 28.	Определение максимальных значений напряжений.

На первом этапе преобразования, когда через транзистор VT1 протекает ток, к обмотке W1 прикладывается входное напряжение U_ВХ, которое трансформируется дросселем L1 во вторичную цепь второго канала (Рисунок 28). В результате этого обратное напряжение диода VD1 равно сумме выходного напряжения U_ВЫХ2 и напряжения на обмотке W2. При максимальном входном напряжении U_{ВХ_MAX} = 6 В оно будет равно:

(131)

Для диода VD2, анод которого подключается транзистором VT1 к общему проводу, оно будет равно выходному напряжения первого канала (U_{VD2_MAX} = 12 В).

На втором этапе преобразования, когда ток через транзистор VT1 не протекает, между его стоком и истоком формируется напряжение, которое можно определить двумя способами. В первом случае, как для повышающего преобразователя, напряжение между стоком и истоком транзистора VT1 равно выходному напряжению первого канала (U_{VT1_MAX} = 12 В). Во втором случае, как для обратноходового преобразователя, напряжение между стоком и истоком транзистора VT1 равно сумме входного напряжения U_ВХ и выходного напряжения второго канала, трансформированного дросселем L1. При номинальном входном напряжении:

(132)

Несмотря на то, что полученные значения отличаются (12 В ≠ 11.85), это совершенно не означает, что в расчетах есть ошибки, и второй закон Кирхофа не работает. Если посмотреть на результаты моделирования этой схемы в Proteus (Рисунок 24), то увидим, что реальные выходные напряжения первого и второго каналов отличаются от расчетных значений 12 В (U_ВЫХ1 = 11.9 В, U_ВЫХ2 = 12.1 В), и если подставить эти значения в формулу (132), то все прекрасно сойдется (U_{VT1_MAX} = 11.9 В).

Этот вопрос подробно рассмотрен в одной из предыдущих частей статьи, где было показано, что из-за того, что обмотки дросселя могут содержать только целое число витков, подобрать оптимальную комбинацию значений N1 и N2 для многоканального преобразователя оказывается не так просто. Более того, при изменении входного напряжения выходные напряжения будут «плавать» – отклоняться от расчетных значений на величину, во многом зависящую от метода управления.

Таблица 7.	Максимальные напряжения в силовых элементах схемы
Элемент Максимальное напряжение, В Транзистор VT1 12 Диод VD1 22.5 Диод VD2 12

Однако зачем нам нужны максимальные напряжения на силовых элементах? Они нужны для выбора транзистора VT1. Очевидно, что ни один разработчик не будет выбирать транзистор «впритык». Необходимо чтобы транзисторы и диоды имели как минимум 30% запаса и по напряжению, и по току. Поэтому на последующих этапах проектирования вполне можно руководствоваться значениями, приведенными в Таблице 7.

Заключение

Конечно, расчет импульсного преобразователя на данном этапе не заканчивается, можно сказать, что он только начинается. Очень много вопросов выходит за рамки отдельной журнальной статьи и даже целого цикла статей, который только в журнале РадиоЛоцман растянулся без малого на 2.5 года (первая публикация [1] вышла в сентябре 2017 года). Остались нерассмотренными вопросы расчета КПД, защиты полупроводниковых приборов от перегрузки по напряжению и по току. Только вопрос управления силовой частью заслуживает отдельного цикла статей, ведь на сегодняшний день их придумано великое множество, и каждый из них имеет свою специфику.

Однако на сегодняшний день большинство вопросов, связанных с разработкой импульсных преобразователей, появляется именно на начальном этапе проектирования, поскольку связь энергетических, в первую очередь, электромагнитных процессов в магнитопроводе дросселя с электрическими процессами в силовой части преобразователя в известной литературе освещена весьма скудно. А вот ответы на последующие вопросы уже достаточно просто найти самостоятельно.

Из специфических особенностей данной схемы, если кто-то вдруг решится ее собрать, необходимо обратить внимание еще на один момент. При отключении нагрузки первого канала транзистор VT1 и конденсатор С3, скорее всего, выйдут из строя из-за пробоя по напряжению. Это – известная проблема обратноходовых преобразователей, связанная с наличием у обмотки W1 индуктивности рассеяния. Если к выходу первого канала подключен хоть какой-то резистор, то энергия, накапливаемая в индуктивности рассеяния, через диод VD2 будет передаваться в нагрузку первого канала. Поэтому нужно предусмотреть защитные элементы для предотвращения этого режима. Это может быть защитный стабилитрон на выходе первого канала или разрядный резистор, обеспечивающий минимальную нагрузку. Можно также подключить параллельно обмотке W1 снаббер, используемый в обратноходовых преобразователях, собранный по любой из известных схем.

В этой статье совершенно на рассмотрен расчет потерь в силовых элементах: дросселе, транзисторе и диодах. Это связано с тем, что, во-первых, потери определяются конкретной элементной базой, например, вместо диодов VD1 и VD2 можно использовать транзисторы, и это означает, что расчет потерь пойдет совсем по другому алгоритму. А во-вторых, эти вопросы подробно освещены в литературе, в первую очередь, производителями полупроводниковых компонентов.

Рисунок 29.	Диаграммы напряжений в силовой части преобразователя.

Также следовало бы учесть существующее в реальных схемах падение напряжения на обмотках дросселя и силовых полупроводниковых элементах. Однако тут снова все зависит от выбранной элементной базы, вплоть до конкретных моделей транзисторов и диодов, выбор которых без рассмотрения идеализированной схемы будет уже несколько сложнее. А самое главное – это увело бы читателя немного в сторону от сути процессов, на которых очень хотелось акцентировать внимание.

Рисунок 30.	Определение максимальных значений напряжений.

В любом случае, как было сказано в самом начале, главное в этой статье не результат, а ПРОЦЕСС расчета – четкое понимание вещей, происходящих в силовой части импульсного преобразования. Именно поэтому в статье была выбрана нестандартная схема, электрические и энергетические процессы в которой (Рисунки 29 и 30) были успешно определены.

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
7. Русу А.П. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
8. Каталог Powder Cores. – Epcos. – Magnetics. – 2017. – 112c.
9. Ferrites and accessories. SIFERRIT material N87. – Epcos. – 2006. – 7с.
10. Каталог сердечников из распыленного железа. – Coretech. – 2012. – 24с.
11. Русу А.П. Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков
12. Русу А.П. Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно?
13. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей: Учебник для вузов; Под ред. В.П. Бакалова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 597 с.
14. Медные эмалированные провода в стандартах Украины и СНГ. – CoreTech. – 2015. – 10 c.