Резонансний перетворювач 24300в. Новинний та аналітичний портал "Час електроніки". Приклади завдань щодо перетворювачів із рішеннями

Нещодавно мені довелося розбиратися зі схемою резонансного напівмостового LLC-перетворювача, і я подумав, що цей досвід можна використовувати для створення серії статей: почати з опису основ та поступово заглиблюватись у тему. Мені знадобилося чимало часу для ознайомлення з публікаціями, дисертаціями та посібниками, перш ніж я розібрався з роботою цієї схеми. Вийшло так, що вивчення джерел інформації, наведених у списку літератури, зайняло більше часу, ніж написання статті. Зверніть увагу, що в жодному з наведених джерел не зроблено повного аналізу роботи цього перетворювача, що має багато різних режимів та умов роботи. Сподіваюся, що ви зможете отримати загальне уявлення про роботу схеми з моєю допомогою. Ця допомога полягатиме у фільтрації інформації та акцентуванні уваги на найважливіших ключових моментах пропонованих документів.

Рис. 1. DC/AC резонансний перетворювач

Рис. 2. DC/AC резонансний перетворювач із трансформаторною розв'язкою

LLC-перетворювачі є різновидом імпульсних перетворювачів напруги (Switched Mode Power Supply, SMPS). Більшість публікацій на цю тему починається з опису основних принципів роботи LLC. Я почну з того, що поясню, чим LLC відрізняється від інших типів імпульсних перетворювачів.

• Робота звичайного імпульсного перетворювача складається із двох фаз. У першій фазі відбувається запасання енергії в індуктивності. У другій фазі накопичена енергія витрачається підтримки струму. Ви напевно пам'ятаєте, що, згідно із законами комутації, струм в індуктивності не може змінитися стрибком (у разі коректної комутації), так само, як і напруга на конденсаторі. Цей принцип є основою роботи більшості імпульсних перетворювачів.
• Робота LLC-перетворювача заснована на створенні синусоїдального струму, який випрямляється та запасається у великому конденсаторі. Індуктивність використовується не для простого накопичення енергії, а виступає як резонансний елемент. Вона виконує функцію фільтра, який допомагає перетворити прямокутний сигнал на синусоїдальну форму, тоді як індуктивність намагнічування все ще працює з традиційним струмом трикутної форми. Це одна з особливостей, яка потребує додаткового пояснення.

З робочими режимами в LLC-перетворювачах все виявляється складніше, оскільки вони мають безліч відмінностей:

• замість того щоб працювати з фіксованою частотою комутацій та змінювати коефіцієнт заповнення ШІМ, LLC-перетворювачі змінюють частоту, а коефіцієнт заповнення ШІМ постійний і становить 50%;
• передача енергії в LLC-перетворювачах заснована на робочій точці індуктивності намагнічування;
• у LLC-перетворювачах використовується змінна швидкість зміни напруги залежно від струму навантаження;
• у них є дві резонансні частоти, що впливають одна на одну;
• режим безперервного струму (Continuous current mode, CCM) для LLC-перетворювачів відноситься до струму випрямляча, а не індуктивності, оскільки традиційна індуктивність у схемі відсутня.

Більшість сказаного вище може здатися складною і незрозумілою, особливо для тих, хто тільки починає знайомитися з силовою електронікою. У другій частині цієї публікації будуть розглянуті основні джерела інформації, а також деякі ключові моменти, які я вважаю за корисні. Однак розповідь про резонансні перетворювачі вимагає розгляду деякого базового вступного матеріалу.

Імпульсні регулятори зробили революцію у сфері перетворення постійної напругита перетворення потужності в цілому. Інженери швидко зрозуміли, що комбінація із силового ключа, випрямляча, індуктивності та конденсатора може з високою ефективністю виконувати конвертацію напруги навіть за великої різниці між рівнями напруги на вході та виході (рис. 1). Крім того, трансформатори можуть вирішити проблеми гальванічної розв'язки та узгодження великої різниці рівнів напруги (рис. 2).

Справа в тому, що подвійне "L" у назві "LLC-перетворювач" вказує на дві резонансні частоти в робочому діапазоні. Більш детально ми поговоримо про це в одній із наступних статей цього циклу. Поки що варто лише запам'ятати, що вибір робочих точок, що використовуються в LLC-перетворювачах, забезпечує як ZVS-, так і ZCS-перемикання в силових ключах MOSFET, а також ZCS-перемикання у випрямлювальних діодах. Це дозволяє вирішити проблеми, пов'язані з відновленням зворотного діода випрямляча.

Тепер, коли наведено базові особливості роботи імпульсних резонансних перетворювачів, дамо короткий описвикористовуваних джерел інформації.

Рис. 3.

Рис. 4.

Перше посилання у списку літератури вказує на докторську дисертацію Бо Янга "Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems". В ній можна знайти посилання на інші публікації, які допоможуть розібратися з темою LLC та дисертацією. Зверніть увагу, що в першому посиланні є посилання на четверту частину дисертації, а також на Додаток B, де наводиться важливий графік напруги (це посилання містить Додатки від A до D і додаткові посилання). Хоча цей графік наводиться у більшості джерел, його створення зажадало від мене напруженої роботи та заповнення деяких прогалин у знаннях (рис. 5).

Рис. 5. Залежність коефіцієнта посилення перетворювача від величиниfs/fr

Посилання 3 і 4 надали мені вирішальну допомогу при побудові графіка посилення перетворювача, оскільки в них відзначалося вплив ємнісної складової на коефіцієнт передачі і пояснювалося, чому негативний імпеданс вносив плутанину в графіки. Більш детально ми поговоримо про це в одній із наступних статей цього циклу.

Посилання 5 - посібник від Infineon, яке містить докладний описнайбільш корисних кроків, які виконуються при проектуванні. У цьому документі порівнюються особливості перемикань та випрямлення в бруківці та напівмостовій схемах, а також - пов'язані з ними компроміси. Я використовував бруківку та напівмостову схеми для пояснення, як пов'язані напруга і струм. У бруківці польові МОП-транзистори каскадуються для отримання необхідної напруги. Паралельне включення транзисторів необхідно збільшення навантажувального струму. Звичайною вимогою для імпульсних регуляторів напруги є виключення постійної складової підмагнічування, щоб не допускати насичення трансформатора. Як згадувалося раніше, LLC-перетворювачі відрізняються тим, що міст їм потрібен для створення позитивної та негативної напівхвиль сигналу, який, проходячи фільтрацію, набуває синусоїдальної форми.

Посилання 6 Fairchild- Єдине серед знайдених мною посилань, у якій рівняння посилення також включає вторинну індуктивність розсіювання. Зверніть увагу, що вторинна індуктивність розсіювання, а також опір навантаження відбиваються через трансформатор і таким чином можуть бути підлаштовані за рахунок зміни співвідношення числа витків обмоток. У цьому посібнику міститься ряд ключових порад, які допоможуть у розробці реальної схеми.

У документації Infineon/Fairchild також докладно описується конструкція трансформатора. Оскільки резонансне налаштування LLC ґрунтується як на індуктивності розсіювання, так і на індуктивності трансформатора, що намагнічує, ця інформація в нашому випадку виявляється марною.

Наші університетські друзі у Колорадо поділилися деякими відомостями про перетворення потужності. Зокрема, в курсі електротехніки ЕЕК 562 Colorado State можна знайти багато прикладів моделювання, виконаних у MATLAB.

Говорячи про моделювання, слід зазначити, що у багатьох джерелах наводяться посилання моделі SPICE. Я не віддаю перевагу якомусь конкретному засланню і вважаю, що, вивчивши їх, можна переконатися в існуванні різних режимів роботи LLC-конвертера. Але варто знову відзначити, що LLC має безліч відмінностей від традиційних імпульсних перетворювачів.

Досвідчений зразок, з яким я працюю, створено компанією Texas Instruments. Завдяки коректору коефіцієнта потужності ця система забезпечує стабільну роботуз вхідною напругою 400 DC. Дослідження зразка показало допустимість великих коливань струму навантаження та продемонструвало вплив струму на робочу точку та резонансну частоту.

Насамкінець хочеться відзначити, що якщо ви думаєте, що зможете в різних статтях знайти однакові рівняння для визначення коефіцієнта посилення, то ви помиляєтеся. Використання змінної M дозволяє враховувати фактори, що відрізняються в кожній конкретній статті, керівництві, дисертації, навчальному курсі. Якщо у мене буде час, я складу порівняльну таблицю, щоб показати, чим вони відрізняються.

Вирішив присвятити окрему статтю виготовлення DC AC підвищуючого перетворювача напруги на 220В. Це звичайно віддалено відноситься до теми світлодіодних прожекторів і ламп, але таке мобільне джерело живлення широко застосовується вдома та в автомобілі

• 1. Варіанти збирання
• 2. Конструкція перетворювача напруги
• 3. Синусоїда
• 4. Приклад начинки перетворювача
• 5. Складання з ДБЖ
• 6. Складання з готових блоків
• 7. Радіоконструктори
• 8. Схеми потужних перетворювачів

Варіанти збирання

Існує 3 оптимальні способи виготовлення інвертора 12 в 220 своїми руками:

1. збирання з готових блоків або радіоконструкторів;
2. виготовлення із джерела безперебійного живлення;
3. використання радіоаматорських схем.

У китайців можна знайти хороші радіоконструктори та готові блоки для збирання перетворювачів постійного струму в змінний 220В. За ціною цей спосіб буде найзатратнішим, але потрібно мінімум часу.

Другий спосіб це апгрейд джерела безперебійного живлення (ДБЖ), який без акумулятора у великих кількостях продаються на Авіто і коштують від 100 до 300руб.

Найскладніший варіант це збірка з нуля, без радіоаматорського досвіду не обійтися. Прийде виготовляти друковані плати, підбирати компоненти, роботи дуже багато.

Конструкція перетворювача напруги

Розглянемо конструкцію звичайного перетворювача напруги, що підвищує, з 12 на 220. Принцип роботи для всіх сучасних інверторів буде однаковим. Високочастотний ШІМ контролер задає режим роботи, частоту та амплітуду. Силова частина виконана на потужних транзисторах, тепло яких відводиться на корпус пристрою.

На вході встановлено запобіжник, який захищає від короткого замиканняавтомобільний акумулятор. Поруч із транзисторами кріпиться термодатчик, який слідкує за їх нагріванням. У разі перегріву інвертора 12-220в включається система активного охолодження що складається з одного або декількох вентиляторів. В бюджетних моделяхвентилятор може працювати постійно, а не лише за високого навантаження.

Силові транзистори на виході

Синусоїда

Форма сигналу на виході автомобільного інвертораформується рахунок високочастотного генератора. Синусоїда може бути двох видів:

1. модифікована синусоїда;
2. чиста синусоїда, чистий синус.

Не кожен електричний пристрій може працювати з модифікованою синусоїдою, яка має прямокутну форму. У деяких компонентів змінюється режим роботи, вони можуть нагріватися і почати шабарчати. Подібне можна отримати, якщо димувати світлодіодну лампу, яка має яскравість не регулюється. Починається тріск і миготіння.

Дорогі DC AC, що підвищують перетворювачі напруги 12в 220в мають на виході чистий синус. Коштують набагато дорожче, але електричні прилади чудово з ним працюють.

Приклад начинки перетворювача

..

Складання з ДБЖ

Щоб нічого не винаходити та не купувати готові модулі, можна спробувати комп'ютерне джерело безперебійного живлення, скорочено ІПЛ. Вони розраховані на 300-600Вт. У мене Ippon на 6 розеток, підключено 2 монітори, 1 системник, 1телевізор, 3 камери спостереження, система управління відеоспостереженням. Періодично перекладаю в робочий режим відключенням від мережі 220, щоб батарейка розряджалася, інакше термін служби сильно скоротиться.

Колеги електрики підключали звичайний автомобільний кислотний акумулятор до безперебійника, чудово працював безперервно 6 годин, дивилися футбол на дачі. В ДБЖ зазвичай вбудована система діагностики гелевого акумулятора, яка визначає його низьку ємність. Як вона віднесеться до автомобільного невідомо, хоча основна відмінність, це гель замість кислоти.

Начинка ДБЖ

Єдина проблема, що безперебійнику можуть не сподобається стрибки в автомобільній мережі при заведеному двигуні. Для справжнього радіоаматора ця проблема вирішується. Можна використовувати лише при заглушеному двигуні.

Переважно ДБЖ призначені для короткочасної роботи, коли зникає 220В розетці. За тривалої постійної роботи дуже бажано поставити активне охолодження. Вентиляція стане в нагоді для стаціонарного варіанту і для автомобільного інвертора.

Як і всі прилади, він непередбачено поведеться при запуску двигуна з підключеним навантаженням. Стартер машини сильно просаджує Вольти, в кращому разі піде на захист як при виході батареї з ладу. У найгіршому будуть стрибки на виході 220V, синусоїда спотвориться.

Складання з готових блоків

Для складання стаціонарного або автомобільного інвертора 12в 220в своїми руками можна використовувати готові блоки, які продаються на ебе або у китайців. Це заощадить час на виготовлення плати, паяння та остаточне налаштування. Достатньо додати до них корпус та дроти з крокодилами.

Купити можна і радіоконструктор, який укомплектований усіма радіодеталями, залишається тільки спаяти.

Орієнтовна ціна на осінь 2016:

1. 300Вт - 400руб;
2. 500Вт - 700руб;
3. 1000Вт - 1500руб;
4. 2000Вт - 1700руб;
5. 3000Вт - 2500руб.

Для пошуку на Aliexpress вкажіть запит пошуковому рядку"Inverter 220 diy". Скорочення «DIY» означає «складання своїми руками».

Плата на 500W, вихід на 160, 220, 380 вольт

Радіоконструктори

Радіоконструктор коштує дешевше, ніж готова плата. Найскладніші елементи можуть бути вже на платі. Після складання практично не вимагає налаштування, для якого необхідний осцилограф. Розкид параметрів радіокомпонентів та номінали непогано підібрані. Іноді в пакетик кладуть запасні деталі, раптом через недосвідченість ніжку відірве.

Схеми потужних перетворювачів

Потужний інвертор переважно використовують для підключення будівельних електроінструментів при будівництві дачі або фазенди. Маломощний перетворювач напруги на 500Вт від потужного на 5000 - 10000 Ватт відрізняється кількістю трансформаторів та силових транзисторів на виході. Тому складність виготовлення та ціна практично однакові, транзистори коштують недорого. За потужністю оптимально 3000Вт, можна підключити дриль, болгарку та інший інструмент.

Покажу кілька схем інверторів із 12, 24, 36 на 220В. Такі ставити в легковий автомобіль не рекомендується, можна випадково зіпсувати електрику. Схемотехніка DC AC перетворювачів 12 на 220 проста, що задає генератор та силова частина. Генератор роблять на популярній TL494 чи аналогах.

Багато схем підвищувачів з 12v на 220v для виготовлення своїми руками можна знайти за посиланням
http://cxema.my1.ru/publ/istochniki_pitanija/preobrazovateli_naprjazhenija/101-4
Усього там близько 140 схем, половина їх підвищують перетворювачі з 12, 24 на 220В. Потужності від 50 до 5000Вт.

Після складання потрібно налагодження всієї схеми за допомогою осцилографа, бажано мати досвід роботи з високовольтними схемами.

Для складання потужного інвертора на 2500 Ватт знадобиться 16 транзисторів та 4 відповідних трансформатора. Вартість виробу буде чимала, порівнянна із вартістю схожого радіоконструктора. Плюсом таких витрат буде чистий синус на виході.

Ця стаття була підготовлена ​​на основі матеріалів, надісланих Олександром Германовичем Семеновим, директором науково-виробничого російсько-молдавського підприємства "Елкон", м.Кишинів. У підготовці статті також взяв участь головний інженер підприємства Олександр Анатолійович Пенін. Олександр Германович пише:
"Спеціалізуючись у галузі джерел живлення, нам вдалося створити спосіб побудови резонансних перетворювачів з глибоким регулюванням вихідних параметрів, який відрізняється від відомих досі. даний спосіботримано міжнародний патент. Найбільш повно переваги способу виявляються при побудові потужних - від 500 до десятків кіловат - джерел. Перетворювач не вимагає схем швидкого захисту від КЗ на виході, оскільки в ньому практично не виникає режиму розриву струму ключів у будь-якому режимі. Також усунуто можливість виникнення наскрізних струмів. Оскільки фізично (без зворотних зв'язків) перетворювач є джерелом струму, то з'явилася можливість перенести конденсатор фільтра живлення мережного випрямляча на вихід перетворювача, що дозволило отримати коефіцієнт потужності на рівні 0.92-0.96 в залежності від навантаження. Частота резонансного контуру не змінюється, а це дає можливість ефективної фільтрації випромінювань перетворювача в усіх напрямках. Практична реалізація здійснена у вигляді джерел струму для електрохімзахисту – станцій катодного захисту марки "Елкон". Потужність 600, 1500, 3000 та 5000 ват. ККД у номінальному режимі на рівні 0.93-095. СКЗ пройшли сертифікаційні випробування у НВО "ЗЛІТ". Йде повільне, тягуче використання. Усе це підтверджує життєвість ідеї. Однак, як мені здається, для досягнення комерційного успіху необхідна популяризація ідеї з метою привернення до неї уваги.
Що ж, допомогти колегам завжди приємно, тим більше що ідея, закладена в основу продукції "Елкон", відрізняється новизною.

В даний час прилади та пристрої силової електроніки, що розробляються для професійного застосування, активно оптимізують за такими критеріями, як маса, габарити, коефіцієнт корисної дії, надійність, вартість. Ці вимоги неухильно посилюються, тобто замовник хоче мати прилад з мінімальними габаритами та масою, і при цьому – з високим ККД, високою надійністю та низькою вартістю.

З метою покращення споживчих властивостей виробів доводиться вдаватися до відомих заходів: підвищувати робочі частоти перетворення, зменшувати втрати потужності на силових елементах, знижувати або виключати динамічні навантаження в силовій частині схеми. Найчастіше ці заходи суперечать один одному, і для досягнення певних результатів розробник йде на деякий, часом дуже непростий компроміс. Тому подальша оптимізація параметрів перетворювальної техніки можлива лише з допомогою переходу нові принципи побудови цих устройств.

Щоб зрозуміти, важливо чим відрізняється спосіб регулювання напруги, пропонований "Елкон", яка новизна укладена в ньому, спочатку поговоримо про традиційну побудову регуляторів. Перетворювачі постійної напруги в постійне (DC/DC перетворювачі), що є значним за обсягом класом пристроїв з області силової електроніки, традиційно будуються за наступною схемою: первинна ланка здійснює перетворення постійної напруги змінної високої частоти; вторинна ланка здійснює перетворення змінної напруги на постійне. У складі перетворювача зазвичай є регулятор, що управляє величиною вихідної постійної напруги або підтримує його на необхідному рівні.

Високочастотне перетворення може здійснюватися за допомогою різних схем, але якщо говорити про двотактні схеми, то тут можна назвати два типи: схеми з прямокутною формою струму силових ключів і резонансні з синусоїдальної (або квазісинусоїдальної) формою струму ключів.

Ефективність роботи перетворювачів значною мірою визначається динамічними комутаційними втратами силових елементах при комутації робочих значень струмів. Досвід розробки перетворювачів потужністю понад 100 Вт показує, що зменшити ці втрати вдається в основному за рахунок використання комутаційних елементів (транзисторів) з низьким часом перемикання та за рахунок формування правильної траєкторії їх перемикання. Існуюча на сьогоднішній момент елементна база, звичайно, має досить високі динамічні характеристики, але вони ще далекі від ідеальних. Тому часто технологічні обмеження призводять до значних перенапруження на елементах силової схеми, а значить, знижується загальна надійність перетворювача.

Формування правильної траєкторії перемикання - важливе завдання, яке також значною мірою може знизити комутаційні перенапруги. Цей метод забезпечує так звану "м'яку" комутацію шляхом перерозподілу енергії між власне силовою частиною комутаційного елемента (транзисторного ключа) та формуючим елементом. Зменшення втрат відбувається за рахунок повернення накопиченої ними енергії. Нагадаємо, що відомими представниками формують елементів є всілякі RCD-ланцюги, резистори, що гасять, снаббери і т.д.

Практика розробки реальних перетворювачів показує, що при створенні пристрою з номінальною потужністю сотні-тисячі ватів доводиться буквально "датися" за кожен ват ефективної потужності, максимально знижувати теплові втрати, що знижують загальний ККД перетворювача.

Ще одна проблема відноситься до необхідності швидкодіючого захисту від короткого замикання (КЗ) в навантаженні. Проблема полягає, головним чином, у тому, що занадто швидкодіючий захист стає занадто схильним до помилкових спрацьовувань, відключаючи перетворювач навіть тоді, коли ніякої небезпеки для нього не виникає. Занадто повільний захист стійкий до помилкових спрацьовувань, але навряд чи захистить прилад. Доводиться витрачати чимало зусиль на проектування оптимального захисту.

У зв'язку з вищевикладеним, класичний високочастотний перетворювач виявляється не дуже відповідальним сучасним вимогам, що висуваються до силової перетворювальної техніки. Виникає необхідність пошуку нових засобів побудови цих приладів.

Останнім часом інженери звернули увагу на резонансні перетворювачі як на пристрої з великими потенційними можливостями. У резонансних перетворювачах важливо менше динамічні втрати, вони створюють набагато менше перешкод, оскільки перемикання відбувається не прямими фронтами, багатими гармоніками, і з гладкою формою сигналу, близька до синусоїдальної , . Резонансні перетворювачі більш надійні, їм не потрібно швидкодіючий захист від короткого замикання (КЗ) у навантаженні, оскільки обмеження струму КЗ відбувається природним чином. Щоправда, через синусоїдальну форму струму дещо зростають статичні втрати в силових елементах, але оскільки резонансні перетворювачі не настільки вимогливі до динаміки перемикання силових елементів, можуть бути використані транзистори IGBT standard-класу, у яких напруга насичення менша, ніж у warp-speed IGBT -транзисторів. Можна згадати і про СІТ-транзисторів і навіть про біполярні, хоча, на думку автора сайту, про останні краще в даному контексті не згадувати.

З погляду побудови силової схеми резонансні перетворювачі виходять простими та надійними. Однак досі вони не змогли витіснити звичайні напівмостові та мостові перетворювачі через принципові проблеми з регулюванням вихідної напруги. Звичайні перетворювачі використовують принцип регулювання на основі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), і тут не виникає жодних складнощів. У резонансних перетворювачах використання ШІМ та інших спеціальних методів (наприклад, частотного регулювання за рахунок зміни частоти комутації) призводить до збільшення динамічних втрат, які в деяких випадках стають співмірними або навіть перевищують втрати в класичних перетворювачах. Використання формуючих ланцюгів виправдовує себе в обмеженому діапазоні частот і при дуже невеликій глибині регулювання. Зустрічається дещо більше ефективний спосіб, Заснований на значному зменшенні частоти комутації, що призводить до зменшення середнього струму навантаження, а значить, і вихідний потужності. Але цей спосіб частотного регулювання також можна назвати компромісним, а значить недостатньо задовольняє сучасним вимогам.

І все ж таки резонансні перетворювачі виявилися настільки привабливими, що було придумано ще кілька способів підвищити їх ККД і глибину регулювання. На жаль, і ці ідеї показали себе недостатньо ефективними. Використання додаткового імпульсного регулятора, що встановлюється на виході, призводить до необхідності використання ще однієї ланки перетворення, а значить знижує ККД. Конструкція з перемиканням витків трансформатора знов-таки значно ускладнює перетворювач, підвищує його вартість і унеможливлює використання в областях широкого споживання.

Зі сказаного можна зробити висновок, що основна проблема, що заважає широкому поширенню резонансних перетворювачів, у створенні ефективного способу глибокого регулювання вихідної напруги. Якщо ця проблема буде вирішена, вдасться значно покращити характеристики пристроїв силової електроніки, їх подальшому поширенню вже освоєні і нові області застосування перетворювальної техніки.

Фахівцям підприємства "Елкон" вдалося значною мірою просунутися у дослідженнях способу регулювання шляхом зменшення частоти комутації. Саме цей спосіб був узятий за основу, тому що в ньому зберігається основна перевага резонансної схеми - комутаційні перемикання при нульовому струмі. Вивчення процесів, що відбуваються у звичайному резонансному перетворювачі, дозволило уточнити його схему та знайти більш ефективний механізм регулювання у широкому діапазоні навантажень та прийнятному діапазоні частот, що склало основу міжнародного патенту. Крім цього вдалося досягти однакової амплітуди струмів силових транзистори як в режимі номінального навантаження, так і в режимі КЗ, відсутності наскрізних струмів через силові транзистори навіть на максимальній частоті комутації, "м'якої" навантажувальної характеристики (набагато краще, ніж у звичайного резонансного перетворювача).

Повна схема модернізованого резонансного перетворювача є предметом "ноу-хау" підприємства "Елкон", однак, щоб читачеві було зрозуміло, в чому полягає удосконалення, наводяться дані з патенту "Спосіб регульованого резонансного перетворення постійної напруги".

Винахід призначається для реалізації потужних, дешевих та ефективних високочастотних регульованих транзисторних резонансних перетворювачів напруги різного застосування. Це можуть бути зварювальні перетворювачі, установки індукційного нагріву, радіопередавальні пристрої та інше.

Є прототип регульованого резонансного перетворювача напруги, опублікований . У прототипі: створюється коливання з власним періодом і періодом комутації силових ключів Тк; використовується ємнісний та індуктивний накопичувачі енергії із споживанням від джерела постійної напруги та передачі частини енергії у навантаження з випрямлячем; Регулювання напруги здійснюється за рахунок розладу від резонансу з періодом власних коливань То частоти комутації ключів Тк, близької до То.

Як вже було сказано вище, розлад призводить до значного збільшення динамічних втрат і в цілому знижує надійність перетворювача, так як при розладі втрачається головна перевага резонансного перетворювача - комутація при нульових струмах. Все це призводить до того, що спосіб доцільно використовувати лише у малопотужних перетворювачах.

Є найближчий зразок, опублікований у роботі . У цьому прототипі також створюється коливання з власним періодом і періодом комутації ключів Тк, але Тк>То; використовується ємнісний та індуктивний накопичувачі енергії із споживанням від джерела постійної напруги та передачі частини енергії у навантаження з випрямлячем; вихідна напруга регулюється з допомогою зміни періоду комутації Тк. Однак тут надлишок енергії ємнісного накопичувача повертається назад у джерело живлення за рахунок розряду ємнісного накопичувача через навантаження, а обмеження фронту імпульсів струму силових ключів здійснюється за допомогою додаткових індуктивних накопичувачів. Цей спосіб зберігає головну перевагу резонансного перетворювача - можливість комутації силових ключів при нульових струмах.

На жаль, цей прототип також має низку недоліків. Одним з важливих недоліків є збільшення струму ключів у разі виникнення навантажень або КЗ в ланцюзі навантаження при номінальній або максимальній частоті. Так як у цьому випадку індуктивні елементи запасають велику кількість енергії, вона не встигає повністю повернутися в джерело живлення за невеликий період (Tк-То)/2. Ще один недолік - примусове обривання струму через ключі, незважаючи на те, що фронт комутації заданий. Тут виникає необхідність наявності складного захисту ключових елементів, звужує загальний діапазон регулювання напруги, що веде до звуження області застосування перетворювача.

Пристрій, за допомогою якого можна реалізувати даний спосіб, являє собою звичайний реверсивний напівмостовий перетворювач з ємнісним дільником напруги (ємнісним накопичувачем) і індуктивним накопичувачем, включених з навантаженням між стійкою транзисторів півмоста і середнім виведенням ємнісного дільника. Додаткові індуктивні накопичувачі включаються у гілки або контуру кожного ключового елемента.

Пристрій, запропонований підприємством "Елкон", вирішує завдання забезпечення великого діапазону регулювання напруги навантаження і, таким чином, розширює його застосування. У новому способі можна знайти деякі аналогії з прототипами і: створюються коливання з власним періодом То і періодом комутації Тк, причому Тк>То, також використовуються ємнісний та індуктивний накопичувач із споживанням від джерела постійної напруги та передачі частини енергії в навантаження з випрямлячем, також здійснюється повернення надлишку енергії ємнісного накопичувача назад у джерело, регулювання напруги здійснюється за рахунок зміни Тк. Новизна способу полягає в тому, що одночасно з першими коливаннями створюються другі коливання з власним періодом і періодом комутації Тк, з використанням того ж ємнісного накопичувача і другого індуктивного накопичувача з споживанням енергії від ємнісного накопичувача і передачею енергії в навантаження з випрямлячем.

Головною особливістю запропонованого способу є одночасне протікання струмів першого і другого коливань через ключові елементи таким чином, що сумарний струм через них не терпить розриву, що дозволяє повертати енергію індуктивних накопичувачів на максимальній частоті навіть при виникненні КЗ. У цьому амплітуда струму ключових елементів залишається лише на рівні номінальних значень. Цей спосіб "працює" у всьому діапазоні періодів комутації Тк, що успішно вирішує проблему резонансного перетворювача.

Пристрій, показаний на малюнку 1містить керований задаючий генератор імпульсів (1), виходи якого з'єднані з затворами транзисторів (2) і (3), що утворюють напівмостову стійку (плечо півмоста). Загальна точка з'єднання транзисторів (2) та (3) через ємнісний накопичувач (резонансний конденсатор), позначений (5), підключена до одного з висновків трансформаторно-випрямляючого навантаження (6). Індуктивні накопичувачі (резонансні дроселі), позначені (7) та (8), з'єднані послідовно. Їхня загальна точка з'єднання підключена до іншого виводу навантаження (6). Джерело напруги живлення (9) з'єднаний з нижнім висновків дроселя (7) і емітером транзистора (2). Верхній вихід дроселя (8) з'єднаний з колектором транзистора (3).

На малюнку 2показані графіки, що відбивають роботу цього резонансного перетворювача. Задає генератор (1) виробляє парафазні керуючі імпульси, показані на рис.2 а-б, тривалістю То/2 та регульованим періодом комутації Тк, які по черзі відкривають транзистори (2) та (3). У режимі роботи перетворювача, що встановився, в момент часу t1 подається імпульс управління на транзистор (2), при цьому через нього починає протікати синусоїдальний імпульс струму I1, показаний на рис.2 в, - Звані " перші коливання " . Одночасно з ним через антипаралельний (опозитний) діод (4) транзистора (3) продовжує протікати струм I2 - "другі коливання".

малюнок 3 Перший такт роботи схеми

На малюнку 3показаний перший такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t1 ... t2). Резонансний конденсатор (5) з напругою U5, графік якого наведено на рис.2 г., перезаряджається через трансформаторно-випрямляюче навантаження (6), що включає трансформатор (6.1), випрямляч (6.2) та власне навантаження (6.3). Перший резонансний дросель (7) накопичує енергію. У той же час резонансний конденсатор (5) розряджається через другий резонансний дросель (8) з напругою U8, графік якого наведено рис.2 д. Дросель (8) накопичує енергію відповідно до полярності, вказаної на графіку.

малюнок 4 Другий такт роботи схеми

На малюнку 4показаний другий такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t2 ... t3). Резонансний конденсатор (5) продовжує перезаряджатися через трансформаторно-випрямляюче навантаження (6) та перший резонансний дросель (7). Також резонансний конденсатор (5) перезаряджається через другий резонансний дросель (8), який вже віддає енергію відповідно до зазначеної полярності.

малюнок 5 Третій такт роботи схеми

На малюнку 5показаний третій такт роботи схеми, який відбиває її поведінку у проміжку (t3 ... t4). Резонансний конденсатор (5) продовжує заряджатися через трансформаторно-випрямне навантаження (6) та перший резонансний дросель (7) з напругою U7, показаною на графіку рис.2 е. У той же час резонансний конденсатор (5) заряджається вже від другого резонансного дроселя (8), який продовжує віддавати енергію відповідно до зазначеної полярності.

малюнок 6 Четвертий такт роботи схеми

На малюнку 6показаний четвертий такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t4…t5). Резонансний конденсатор (5) продовжує заряджатися через трансформаторно-випрямляюче навантаження (6) та перший резонансний дросель (7), який вже віддає енергію відповідно до зазначеної на малюнку полярності. У той же час, резонансний конденсатор (5) продовжує заряджатися від другого резонансного дроселя (8).

На малюнку 8показаний шостий такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t6 ... t7). Резонансний конденсатор (5) вже віддає енергію через трансформаторно-випрямляюче навантаження (6) і перший резонансний дросель (7) джерело живлення (9). Струм I1 при цьому змінює свій напрямок.

малюнок 9 Сьомий такт роботи схеми

На малюнку 9показаний сьомий такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t7…t8). Імпульс управління подається на транзистор (3), при цьому починає протікати синусоїдальний імпульс струму I2 згідно рис.2 вчерез цей транзистор ("друге коливання"). Також продовжує протікати струм I1 через антипаралельний діод (10) транзистора (2) – "перше коливання". Резонансний конденсатор (5) віддає енергію через трансформаторно-випрямне навантаження (6) і перший резонансний дросель (7) - джерело напруги живлення (9) і в другий резонансний дросель (8).

На малюнку 11показаний дев'ятий такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t9…t10). Усі накопичувачі віддають свою енергію.

На малюнку 13показаний заключний такт роботи схеми, що відображає її поведінку у проміжку (t11 ... t1). Йде розряд резонансного конденсатора (5), далі повторюються процеси.

Зверніть увагу: на інтервалі часу t6-t7 йде повернення енергії в джерело, оскільки струм I1 змінює свій напрямок. Негативна амплітуда струму I1 визначається навантаженням перетворювача. Цей факт визначає додаткові переваги способу - амплітуда струму через ключі не збільшується до короткого замикання в навантаженні. Також повністю відсутня проблема наскрізних струмів, що спрощує та робить надійним управління транзисторів. Відпадає і проблема створення швидких захистів для запобігання режиму КЗ.

Ця ідея була покладена в основі досвідчених зразків, а також серійних виробів, які в даний час виготовляє "Елкон". Наприклад, перетворювач напруги потужністю 1, 8 кВт, спроектований для станції катодного захисту підземних трубопроводів, отримує живлення від однофазної мережі змінного струму 220 50 Гц. У ньому застосовані силові транзистори IGBT типу IRG4PC30UD класу ultra-fast із вбудованим опозитним діодом, ємність резонансного конденсатора (5) становить 0,15 мкФ, індуктивність резонансних дроселів (7) та (8) – по 25 мкГн. Період власних коливань становить 12 мкс, коефіцієнт трансформації трансформатора (6.1) - 0,5, що визначає діапазон номінального навантаження (0,8…2,0) Ом. Для мінімального значення періоду комутації Тк, рівного 13 мкс (при частоті комутації fk рівної 77 кГц) і навантаженні 1 Ом амплітуди струмів I1 та I2 відповідно становлять плюс 29 А та мінус 7 А. Для навантаження 0,5 Ом амплітуди струмів I1 та I2 склали відповідно плюс 29 А та мінус 14 А. У разі КЗ ці значення становлять плюс 29 А та мінус 21 А, середній струм через навантаження становить 50 А, тобто проявляється ефект обмеження струму КЗ.

На малюнку 14показано сімейство регулювальних параметрів перетворювача. Важливо відзначити, що у всьому діапазоні частоти комутації перемикаючі імпульси подаються при нулі струмів. Ці результати були отримані в системі схемотехнічного моделювання OrCAD 9.1 потім перевірені на натурному макеті.

Для порівняння, на малюнку 15представлено сімейство регулювальних характеристик аналогічного потужності класичного резонансного перетворювача. Мінімальний період комутації Тк збільшений через виникнення наскрізних струмів і становить 14 мкс (при частоті комутації fк дорівнює 72 кГц). Для цієї номінальної частоти виконується режим комутації на нулі струму. Для опору навантаження 1 Ом амплітуда струму навантаження дорівнює 30А, для опору 0.5 Ом амплітуда дорівнює вже 58А. У разі КЗ амплітуда струму через транзистори стає більше 100 А, причому комутація силових транзисторів відбувається вже не в нулі струмів, а середній струм навантаження стає більше 180 А. Таким чином, як було зазначено раніше, виникає необхідність швидкого захисту від КЗ для виключення аварії .

Ділянка регулювання "А" (тонкі лінії) характеризує режим комутації над нулі струму. Практичний інтерес представляє ділянку регулювання "Б", коли частота комутації менша за номінальну в два і більше разів. Можна відзначити, що глибина регулювання зазначеним способомдля класичного перетворювача значно менше, ніж у перетворювачі "Елкон", а необхідність роботи на нижчій частоті комутації погіршує питомі енергетичні показники класичного перетворювача. Пропонований перетворювач "Елкон" має практично прийнятні регулювальні характеристики і діапазон зміни частоти комутації.

Враховуючи м'яку навантажувальну характеристику, можливе регулювання вихідної напруги на фіксованій частоті за рахунок фазового регулювання двох перетворювачів, з'єднаних паралельно змінному напрузі. Цей варіант перевірено на макеті потужністю 1.2 кВт. Вихідна напруга змінюється від нуля до максимальної.

Отримані результати дозволяють припустити, що перетворювачі напруги використовують новий спосібрезонансного перетворення, знайдуть ширше застосування у всіх галузях використання звичайних перетворювачів з ШІМ регулюванням на десятки та більше кВт.

А тепер – трохи про серійну продукцію. Підприємство "Елкон" виробляє:
- станції катодного захисту потужністю 0.6, 1.5, 3.0 та 5.0 кВт., з ККД у номінальному режимі не гірше 93%;
- джерела для ручного дугового зварювання потужністю 5.0 та 8.0 кВт з живленням від мережі 220 вольт 50 Гц;
- джерела для ручного дугового зварювання потужністю 12 кВт із живленням від трифазної мережі 380 вольт 50 Гц;
- джерела для нагріву ковальських заготовок потужністю 7.0 кВт із живленням від мережі 220 вольт 50 Гц;
- перетворювачі для високовольтної сонячної батареїпотужністю 5.0 кВт з вхідною напругою від 200 до 650 В та вихідною напругою 400 В; при модуляції вихідної напруги перетворювача за синусоїдальним законом частотою 100 Гц і подальшому розподілі напівхвиль здійснено передачу електроенергії від сонячної батареї в мережу 220 вольт 50 Гц.
Співробітники підприємства сподіваються, що ця ідея надихне також досвідчених радіоаматорів, які зайняті конструюванням зварювальної техніки.

ЛІТЕРАТУРА
Мещеряков В.М. Силова електроніка-ефективний спосіб вирішення проблем регіональної програми "Енергоресурсозбереження"//Електротехніка. 1996. 12.с.1.
Високочастотні транзисторні перетворювачі. / Е.М.Ромаш, Ю.І.Драбович, Н.Н.Юрченко, П.Н.Шевченко -М.: Радіо та зв'язок, 1988.-288с.
Гончаров А.Ю. Трайзисторні перетворювачі електроенергії, що серійно випускаються // Електроніка: Наука, Технологія, Бізнес. 1998. 2.с.50.
Ковальов Ф.І., Флоренцев С.М. Силова електроніка: вчора, сьогодні, завтра // Електротехніка. 1997. 11.с.2.
Дмитріков В.Ф. та ін. Нові високоефективні вітчизняні джерела електроживлення з безтрансформаторним входом // http//:www.add.ru/r/konkurs/st.18.html
Патан Д.А. Загальні проблеми зниження комутаційних втрат в інверторах напруги // http://www.add.ru/r/konkurs/avtst8.html
Жданкін В.К. Пристрої силової електроніки фірми Zicon Electronics // Сучасні технології автоматизації. 2001.N1.с.6.
Бєлов Г.А. Високочастотні тиристорно-транзисторні перетворювачі постійної напруги. -М: Енергоатоміздат, 1987.-120с.
Патент PCT, WO94/14230, 23.06.94, H02M 3/335.
Патент PCT/MD 03/00001. 16.05.2002, H02M3/337 Що пишуть

Резонансні інвертори широко відомі у перетворювальній техніці. Вони забезпечується гармонійна форма струму в силової ланцюга з допомогою коливального контуру. Розглянемо принцип дії резонансного інвертора, який пояснюється схемою та епюрами рис.5.13.

Рисунок 5.13 – Принцип дії резонансного інвертора

У цьому малюнку S 1 , S 2 – керовані ключі, які у противофазе. Коли замикається ключ S 1 починається зростання струму i 1 за гармонічним законом. Частота власних коливань контуру з втратами дорівнює

(5.8)

Через проміжок T 0 /2 струм у ланцюзі стане рівним нулю і ключ розмикається при нульовому значенні комутованої потужності. У момент часу t1 замикається ключ S2 і формується негативна напівхвиля струму в навантаженні через коливальний обмін енергії між реактивними елементами. Знову через T 0 /2 струм у ланцюзі стає рівним нулю, S2 розмикається і замикається ключ S1 і так далі. Добротність контуру

(5.9)

Якщо частота комутації ключів відповідає частоті резонансу контуру
, то форма напруги на навантаженні близька до гармонійного, а його чинне значення
(5.10)

Навантаження може включатися послідовно (як на рис.5.13) або паралельно до будь-якого з реактивних елементів, зазвичай конденсатору.

Переваги резонансних інверторів:

а) зменшення втрат потужності на комутацію. Особливо за умов великого технологічного розкиду параметрів ключів. Забезпечується, так звана, "м'яка" комутація,

б) зниження рівня високочастотних перешкод як випромінюваних (радіоперешкод), так і розповсюджуваних по проводах (кондуктивних), в мережу живлення і в навантаження,

в) відсутність наскрізних струмів у двотактних схемах призводить до

підвищення надійності.

Недоліки резонансних інверторів:

а) значне перевищення напруги на реактивних елементах над напругою живлення через явище резонансу;

б) збільшення габаритів фільтрів, що згладжують, порівняно з прямокутною напругою;

в) більш висока настановна потужність ключів.

Приблизна схема транзисторного перетворювача з резонансним інвертором наведена на рис.5.14. Навантаження R H підключено паралельно конденсатору З через двонапівперіодний випрямляч VD 1 і VD 2 .

Рисунок 5.14 – Перетворювач із резонансним інвертором

Трансформатор TV забезпечує узгодження за рівнем напруги та гальванічну розв'язку мережі та навантаження. Стабілізація вихідної напруги здійснюється частотною модуляцією тактової частоти (f T) схеми керування. Для чого f T вибрано трохи менше резонансної частоти контуру L K C K . Регулювання частоти можна отримати нестабільність близько 0,1%. Рівень перешкод приблизно на 15 дБ нижче, ніж у не резонансних схемах інверторів.

Для управління ключами інверторів розроблено багато спеціалізованих та універсальних контролерів, наприклад, 1114ЕУ1…1114ЕУ5, UC3846, UC3875, TL494, TL599 та ін.

5.5 Приклади завдань щодо перетворювачів із рішеннями

Приклад 5.5.1

Вихідні дані:є перетворювач напруги з випрямлячем і вихідним фільтром, що згладжує, схема якого наведена на рис.5.15. Його параметри:
,,
,
,
.

Визначтевеличину напруги на навантаженні цього джерела (всі елементи ідеальні).

Рисунок 5.15 – Схема джерела живлення

Рішення. Напруга на вході фільтра, що згладжує (діод VD3) джерела живлення має вигляд, представлений на малюнку 5.16.

Постійна складова дорівнює

,

де
- Коефіцієнт трансформації,

- Коефіцієнт заповнення імпульсу.

Рисунок 5.16 – Форма вихідної напруги випрямляча

Приклад 5.5.2

Вихідні дані:Форма напруги на виході інвертора має вигляд малюнку 5.17.

Визначтеоптимальне значення коефіцієнта заповнення імпульсів керування інвертором (
) з погляду мінімального змісту 3 та 5 гармонік.

Рішення.Гармонічні складові вихідної напруги для прямокутного сигналу мають наступну залежність від коефіцієнта заповнення імпульсів:

Відповідно до цього виразу побудуємо регулювальні криві для трьох гармонік k=1, k=3 та k=5 (рис. 5.18).

Рисунок 5.18 – Гармонічні складові вихідної напруги інвертора

З графічних залежностей видно, що мінімальний вміст 3 та 5 гармонік має місце при K З = 0,73.

Приклад 5.5.3

Вихідні дані:Є однотактний конвертор із зворотним увімкненням випрямного діода (рис. 5.19). Параметри схеми:
,
,
,
.

Рисунок 5.19 – Конвертор напруги

Визначтемінімальне значення коефіцієнта заповнення за ідеальних ключів.

Рішення.На виході трансформатора в номінальному режимі максимальна напруга дорівнює 30В, оскільки
. Середнє значення напруги на виході дорівнює
. Мінімальний коефіцієнт заповнення відповідає максимальному відхилення напруги, тобто.

.

Приклад 5.5.4

Вихідні дані:Є конвертор напруги (рис. 5.20) з урахуванням полумостового інвертора з параметрами: ,
,
, струм навантаження
.

Рисунок 5.20 – Конвертор напруги

Визначтенапруга на колекторі закритого транзистора (VТ1 або VT2) і максимальне значення струму первинного ланцюга трансформатора I 1 .

Рішення.Напруга на колекторі закритого транзистора вбирається у рівень напруги харчування, тобто.
.

Максимальне значення струму в первинному ланцюзі трансформатора дорівнює: