Двухтактный последовательный резонансный преобразователь

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Волков С.В., Чапаев В. С.
ДВУХТАКТНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Современные мощные источники питания главным образом строятся по инверторному принципу [1]. Увеличение частоты преобразования является желательным с точки зрения снижения массогабаритных показателей, что может быть достигнуто лишь с использованием -мягкой& quot- коммутации силовых полупроводниковых приборов. Широко применяемые в настоящее время схемы с ШИМ-управлением и -жестко& quot- коммутируемыми IGBT и MOSFET транзисторами с демпфирующими (снабберными) цепочками имеют ограниченную частоту преобразования 20… 60 кГц. Потери переключения ограничивают частоту, поэтому для увеличения частоты преобразования, необходимо уменьшать потери, используя резонансные и -мягко& quot- коммутируемые топологии [2,3].
В резонансных преобразователях для переключения транзисторов используются резонансные цепи. Переключение происходит, когда-либо соответствующее напряжение, либо ток пересекают нулевой уровень, что позволяет снизить нагрузку на транзисторы, уменьшить уровень коммутационных помех и повысить помехозащищенность схемы.
Для регулирования выходного напряжения схемы резонансный преобразователь управляется импульсами постоянной длительности, но разной частоты. Длительность тактовых импульсов должна равняться половине периода резонансной частоты. При выполнении этого условия переключение транзисторов происходит при пересечении нулевого уровня их токами или напряжениями.
Существует много типов резонансных преобразователей. Например, резонансный контур может располагаться либо в первичной, либо во вторичной цепи. Другая альтернатива — использование либо последовательного, либо параллельного резонансного контура, определяемое тем, от чего должно происходить переключение схемы: от пересечения нулевого уровня током или напряжением. Основным недостатком, пре-
пятствующим применению резонансных преобразователей, является сложность реализации цепи управления силовыми полупроводниковыми приборами. Значительно упростить задачу позволяет реализация цепи управления на ПЛИС.
На рис. 1 показана обобщенная схема реализации двухтактного последовательного резонансного преобразователя на ПЛИС XC953 6 фирмы Xilinx [4]. Резонансный контур преобразователя состоит из катушки L и конденсатора ^ Считается, что в начальный момент времени напряжение ^ на конденсаторе С равно нулю. При открытии транзистора 01 первую половину периода ток течет через цепь: 01, Ь, Тр, С. Ток
протекающий через контур при малом затухании близок к гармоническому. Во время этого полупериода конденсатор С заряжается от 0 до №х. По окончании полупериода транзистор 01, закрывается (при этом никаких потерь энергии не происходит). Через короткий промежуток времени открывается транзистор 02, и начинается вторая половина периода, в течение которой конденсатор С разряжается до 0.
Во время каждого полупериода происходит передача энергии с первичной цепи трансформатора во вторичную. Первичная обмотка трансформатора Тр работает как источник напряжения. При протекании тока через первичную обмотку часть выходного напряжения
N и 1 = ивьк -2 —
возвращается в первичную цепь, при этом происходит передача энергии, величина которой определяется выражением
Энергия передается два раза в течение одного резонансного периода. Следовательно, для выходной мощности справедливо следующее соотношение
Ррь = г 2.
Резонансная частота равна:
Е° = 2 '-
На этой частоте обеспечивается минимальное время включения транзисторов. Однако время открытия транзисторов должно быть несколько больше резонансного периода. Это необходимо для того, чтобы ток успел снизиться до нуля. Для обеспечения максимальной энергии передачи ^ должно равняться половине №х. При выполнении этого условия отношение числа витков в обмотках трансформатора определяется как:
-1=
-2 иеь1Х ¦
Количество переданной в каждом полупериоде энергии зависит от значений L и С Чем больше емкость С и меньше индуктивность L (при соблюдении условий резонанса), тем больше передается энергии.
Для получения требуемой выходной мощности Pвых при выполнении условия
и 1 = - и"
2 81
значения L и С должны определяться соотношением [2]: ч 2
и Л 2? к
С Р
вых
Диаграммы токов и напряжений двухтактного последовательного резонансного преобразователя представлены на рис. 2. Сокращения на рисунке: ЗГ- задающий генератор высокой частоты, ПНЧ- преобразователь напряжение-частота с логическим выходом, ПЛИС- программируемая логическая интегральная схема, Драйвер IGBT- двухканальный драйвер для гальванической развязки и согласования с выходными IGBT-транзисторами (может быть реализован на ^ Ш2210, Ш2213).
На рис. 3 представлены результаты моделирования и вариант проекта в САПР WebPАСК ISE 10.1 фирмы Xilinx, реализующий управление двухтактным резонансным преобразователем на базе ПЛИС XC9536. При этом более 50% ресурсов микросхемы не задействовано, что дает возможность для дальнейшего усовершенствования и доработки проекта. К примеру, задающий ВЧ-генератор можно реализовать на ПЛИС в этом же проекте.
Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет обратной связи через преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). В качестве ПНЧ может быть использован генератор управляемый напряжением. Выходной сигнал ПНЧ, согласованный по уровню, служит основой для формирования внутри ПЛИС управляю-
щих сигналов с заданными временными интервалами. В каждом из двух каналов формирования выходных сигналов & quot-vyhod1"- и & quot-vyhod2"- (рис. 3) счетчик подсчитывает количество импульсов от задающего генератора ЗГ по переднему фронту выходного сигнала ПНЧ для канала 1 и по заднему фронту для канала 2. Дешифратор определяет код, соответствующий длительности выходных импульсов, равной половине периода резонансной частоты контура Fo и обнуляет счетчик, блокируя его до прихода следующего фронта импульса с ПНЧ. По выходу предусмотрена схема блокировки выходных сигналов при случайных сбоях работы для исключения сквозного тока выходных IGBT-транзисторов.
В дополнение к основным преимуществам резонансных преобразователей: низким потерям при переключении и высокой помехоустойчивости, рассматриваемый преобразователь имеет два дополнительных достоинства:
1) Также как и преобразователь обратного хода он может регулировать несколько выходных напряжений при помощи одной схемы управления, поскольку со стороны первичной цепи выходные цепи рассматриваются как параллельно включенные. Энергия всегда передается на выход с наименьшим значением напряжения (при этом должны учитываться соотношения витков в обмотках).
2) Без всяких дополнительных цепей он защищен от короткого замыкания, и ему не страшны отключения нагрузки, поскольку при ^=^х выходное напряжение не может превысить двойного номинального значения, а
входной ток не может превысить двойного номинального значения выходного тока.
Рассматриваемый преобразователь обладает наименьшими потерями при переключении и максимальной помехозащищенностью.
Рис. 1
Рис. 2
0 ps to 31 071 971 ps
Рис. З
ЛИТЕРАТУРА
1. А.И. Иванов-Цыганов Электропреобразовательные устройства РЭС. -Москва: Высшая школа, 19 91 г.
2. Р. Корис, Х. Шмидт-Вальтер Справочник инженера-схемотехника. -Москва: Техносфера, 2 0 0 6 г.
3. http: //valvolodin. narod. ru/schems/Soft switch. html
4. http: //www. xilinx. com

Показать Свернуть
Заполнить форму текущей работой