МНОГОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
MULTI-TACT VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области электротехники, в частности, преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании источников электропитания различного назначения.
Известны и широко применяются различные однотактные и двухтактные импульсные преобразователи напряжения, в том числе импульсные стабилизаторы напряжения с последовательным ключевым элементом, содержащие регулирующие транзисторы, дроссели, диоды, конденсаторы и другие элементы, обеспечивающие преобразование и стабилизацию напряжения постоянного тока. Существенным недостатком этих преобразователей являются большие объем и масса их элементов при низком уровне пульсаций выходного напряжения [1; 3, с. 113 - 182].
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, которое может быть принято за прототип, является многотактный (многофазный) преобразователь напряжения, содержащий несколько импульсных ячеек, соединенных параллельно по входу и по выходу. В состав каждой ячейки входят ключевой регулирующий транзистор, дроссель, обратный диод и выходной конденсатор. Каждая ячейка содержит устройство управления, состоящее из индивидуальных элементов - широтно - импульсного модулятора и генератора пилообразного напряжения и общих элементов - распределителя импульсов, задающего генератора и узла обратной связи, включающего в себя усилитель постоянного тока, резисторный делитель напряжения и источник опорного напряжения [2; 3, с. 229 - 239].
Достоинствами многотактного преобразователя напряжения являются низкий уровень и высокая частота пульсаций выходного напряжения и тока потребления, а также низкая частота переключения силовых транзисторов. Недостаток этих преобразователей - большое количество и большой объем и масса входящих в них дросселей, что обусловлено большой амплитудой переменной составляющей их тока.
В предлагаемом многотактном преобразователе напряжения обеспечивается снижение объема и массы комплекта дросселей за счет применения дросселей с несколькими обмотками вместо одной, повышения удельной мощности дросселей на единицу их объема и массы путем уменьшения амплитуды переменной составляющей тока в обмотке и, как следствие уменьшение количества дросселей.
Для достижения технического результата в предлагаемом преобразователе применяется в несколько раз меньшее, чем в известном, количество дросселей с несколькими обмотками, ячейки разделены на группы и их выходы подключены к обмоткам соответствующего дросселя.
В материалах заявки приняты следующие обозначения:
N - общее количество ячеек преобразователя;
m - количество ячеек в каждой группе;
n - число групп;
р - количество дросселей преобразователя;
k - число обмоток дросселя.
В заявке рассматриваются многотактные преобразователи, имеющие следующие параметры: N=2-12; m=2 и 3; n=1-6; p=1-6; k=2-12.
На фиг.1 представлена структурная схема многотактного преобразователя напряжения, имеющего следующие параметры: N=4; m=2; n=2; р=2; k=2.
Преобразователь содержит две ячейки 1, два дросселя 2, каждый из которых имеет две обмотки 3, включенные согласно. Начало обмоток 3 подключено к выходу ячеек 1, а концы обмоток подключены к параллельно соединенным выходному конденсатору 4 и общей нагрузке 5.
Количество ячеек кратно двум, они разделены на две группы по две ячейки в каждой группе: n=N/m=4/2=2. В одну группу входят ячейки, токи которых сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°. Выход ячеек первой группы подключен к началу обмоток первого дросселя, а выход ячеек второй группы - к началу обмоток второго дросселя. Концы обмоток обоих дросселей подключены к нагрузке.
Устройство управления преобразователя содержит индивидуальные для каждой ячейки элементы - широтно - импульсный модулятор 6, генератор пилообразного напряжения 7, а также общие элементы - распределитель импульсов 8, задающий генератор 9 и усилитель обратной связи 10, выход которого подключен к входам широтно - импульсных модуляторов 6, а входы - к резисторному делителю выходного напряжения 11 и источнику опорного напряжения 12.
Ячейки 1, дроссели 2 и их обмотки 3 имеют нумерацию в виде дроби, числитель которой показывает тип элемента, а знаменатель - его порядковый номер. Ячейки имеют круговую нумерацию. Номера ячеек сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол 360°/N, т.е. при N=4-0° соответствует ячейке с номером 1, 90° - 2, 180° - 3, 270° - 4; при N=6-0° - соответствует ячейке с номером 1, 60° - 2, 120° - 3, 180° - 4, 270° - 5, 330° - 6.
В преобразователе, схема которого приведена на фиг.1, ячейки образуют две группы, в первую группу входят ячейки 1/1 и 1/3, а во вторую - ячейки 1/2 и 1/4. Токи ячеек в каждой группе находятся попарно в противофазе по своим номерам, т.е. сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180°.
Выражение токи сдвинуты по фазе означает, что начала импульсов тока ячеек и дросселей, имеющих разные номера, сдвинуты по фазе относительно начало периода коммутации ключевых элементов на соответствующий угол.
Выход ячеек первой группы подключен к началу обмоток 3/1 и 3/2, дросселя 2/1, а выход ячеек второй группы - к началу обмоток 3/1 и 3/2 дросселя 2/2. Концы обмоток 3/1 и 3/2 дросселей 2/1 и 2/2 подключены к выходному конденсатору 4 и нагрузке 5, соединенным параллельно.
На фиг.2-4 приведены структурные схемы силовой части многотактных преобразователей напряжения, имеющих соответственно следующие параметры: N=6, m=3, n=2, р=2, k=3; N=4, m=2, n=2, р=1, k=4; N=6, m=3, n=2, р=1, k=6.
Ячейки, входящие в предлагаемый многотактный преобразователь напряжения, могут быть выполнены по схеме импульсного стабилизатора напряжения с последовательным ключевым элементом, а также по схемам однотактного или двухтактного преобразователя напряжения [3, с. 113 - 182].
Параметры многотактных преобразователей напряжения, выполненных по описанному принципу, а также варианты подключения обмоток дросселей к выходу ячеек, приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, предлагаемый преобразователь имеет большое количество модификаций и вариантов. Вследствие этого имеется возможность выбора оптимальной схемы, обеспечивающей минимальные объем и массу его элементов и улучшенные выходные характеристики при заданных исходных данных. При выборе схемы преобразователя и количества дросселей необходимо учитывать технологичность изготовления многообмоточных дросселей.
Многотактный преобразователь напряжения, являющийся стабилизированным источником питания, работает следующим образом.
Напряжение питающей сети подается на вход ячеек 1 и преобразовывается в импульсы которые с выхода каждой ячейки через соответствующую обмотку 3 дросселя 2 поступают на параллельно соединенные выходной конденсатор 4 и нагрузку 5. Устройство управления осуществляет широтно - импульсную стабилизацию напряжения на нагрузке. При изменении по какой - либо причине этого напряжения устройство управления изменяет длительность управляющих импульсов, поступающих с выхода широтно - импульсных модуляторов 6 на вход ключевых элементов ячеек 1 и длительность силовых импульсов тока, подаваемых с выхода ячеек 1 на обмотки 3 дросселей 2. Вследствие этого напряжение на нагрузке возвращается практически к первоначальной величине.
Импульсы тока всех дросселей суммируются в выходном конденсаторе и сопротивлении нагрузки.
И
И
Длительность указанных импульсов t соответствует времени открытого состояния ключевого элемента ячейки и определяется длительностью периода коммутации ключевого элемента и значением коэффициента заполнения импульсного напряжения γ=t/T.
н
п
н
п
Коэффициент заполнения γ определяет зависимость среднего значения выходного напряжения преобразователя U от напряжения питающей сети U : U=γU, т.е. регулировочная характеристика многотактного преобразователя аналогична регулировочной характеристике однотактного преобразователя и среднее значение напряжения на нагрузке многотактного преобразователя равно среднему значению напряжения на выходе каждой ячейки.
п
Распределитель импульсов 8 обеспечивает время и последовательность подачи управляющих импульсов на ячейки преобразователя. Начало импульсов, подаваемых на следующую ячейку, сдвинуто по времени (по фазе) относительно предыдущей на время Т=T/N или 360°/N.
п
Время Т является периодом пульсаций выходного напряжения преобразователя, которые формируются на нагрузке при суммировании переменной составляющей токов обмоток всех дросселей. Следовательно, частота указанных пульсаций в N раз выше частоты коммутации ключевых элементов ячеек.
Ток нагрузки преобразователя равен сумме токов всех ячеек, т.е. среднее значение тока одной ячейки в N раз меньше тока нагрузки.
Кратко повторим особенности работы многотактных преобразователей напряжения. В многотактных преобразователях каждая ячейка через соответствующую обмотку дросселя подключена к параллельно соединенным выходному конденсатору и нагрузке. Среднее значение и амплитуда импульсов тока, протекающего через каждую обмотку дросселя, определяется количеством ячеек, количеством дросселей и числом их обмоток, а также сопротивлением нагрузки и значением коэффициента заполнения импульсного напряжения. Применение нескольких ячеек, включенных параллельно, обеспечивает возможность уменьшить частоту коммутации и снизить коэффициент нагрузки ключевых элементов, а также уменьшить амплитуду и увеличить частоту пульсаций выходного напряжения преобразователя.
При работе преобразователя коэффициент у изменяется в определенных пределах в зависимости от изменения напряжения питающей сети, тока нагрузки и других дестабилизирующих фактров.
и
п
За время периода коммутации ключевого элемента, входящего в каждую ячейку, Т происходит нарастание тока дросселя в течение времени t=γT и его спад в течение времени t=(1-γ)T.
Приведем обоснование того, что предлагаемое устройство обеспечивает положительный эффект.
и
Выходное напряжение ячейки в виде импульсов прямоугольной формы длительностью t подается на обмотку дросселя. Параметры этих импульсов определяют среднее значение тока дросселя и амплитуду его переменной составляющей. Ток нагрузки преобразователя складывается из среднего значения тока всех ячеек, а его выходное напряжение равно среднему значению напряжения ячейки.
Пульсации выходного напряжения формируются в выходном конденсаторе и нагрузке в виде суммарной переменной составляющей тока всех обмоток дросселей.
В известных многотактных преобразователях с индивидуальным однообмоточным дросселем ток, протекающий по его обмотке, имеет большую амплитуду. Вследствие этого, дроссели, входящие в известные преобразователи, имеют большие удельные объем и массу на единицу мощности и, следовательно, большие объем и массу. Отметим, что габаритные размеры и массу дросселей с постоянной составляющей тока в его обмотке необходимо рассчитывать не по электромагнитной энергии, а по электромагнитной мощности, учитывающей как постоянную, так и переменную составляющие тока [3, с. 30-38;5].
Вследствие этого, снижение переменной составляющей магнитной индукции и напряженности магнитного поля в магнитопроводе дросселей предлагаемого преобразователя за счет уменьшения амплитуды импульсов переменной составляющей тока в их обмотках, обеспечивает снижение суммарной электромагнитной мощности. Уменьшение указанной амплитуды тока осуществляется путем взаимной компенсации переменной составляющей тока двух или трех обмоток дросселя следующим образом.
Когда по двум обмоткам дросселя протекают одинаковые по амплитуде синусоидальные токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180° (находятся в противофазе), в его магнитопроводе наводятся соответствующие магнитные потоки, которые также находятся в противофазе и взаимно уничтожаются. Вследствие этого, суммарный ток в общей нагрузке, подключенной к этим обмоткам, равен нулю.
При протекании двух одинаковых токов, имеющих треугольную форму и сдвинутых по фазе на 180°, по двум обмоткам дросселя в его магнитопроводе наводятся соответствующие этим токам магнитные потоки, направленные навстречу друг другу. В связи с тем, что магнитные потоки имеют треугольную (а не синусоидальную) форму, они полностью не уничтожаются, а частично взаимно компенсируются. Вследствие этой компенсации амплитуда магнитного потока уменьшается, что обеспечивает уменьшение амплитуды импульсов переменной составляющей суммарного тока обмоток дросселя и, следовательно, снижение его удельных объема и массы на единицу электромагнитной мощности.
Аналогично, когда три одинаковых по амплитуде синусоидальных тока, сдвинутых по фазе относительно друг другу на 120°, протекают по трем обмоткам дросселя, они взаимно уничтожаются в общей нагрузке.
Когда три тока треугольной формы, сдвинутые по фазе на 120°, протекают по трем обмоткам дросселя, они также частично взаимно компенсируются. При наличии указанной компенсации удельные показатели дросселей с тремя обмотками значительно лучше, чем у дросселей с одной обмоткой, рассчитанных на ток с большой амплитудой импульсов его переменной составляющей.
Для повышения степени взаимной компенсации переменной составляющей тока обмотки дросселя целесообразно располагать таким образом, чтобы между ними обеспечивалась наиболее полная магнитная связь. В некоторых случаях может быть использована бифилярная намотка обмоток дросселя двумя или тремя проводами, сложенными вместе.
При изменении коэффициента у происходит изменение амплитуды переменной составляющей в обмотках каждого дросселя и положение максимума кривой тока в течение периода Т. Вследствие этого, степень компенсации также изменяется. Это приводит к тому, что результирующий суммарный ток выходного конденсатора изменяется при изменении коэффициента γ в процессе работы преобразователя. В критических точках, при γ=1/N, 2/N,…1, происходит полная компенсация переменной составляющей двух или трех ячеек и сумарный ток выходного конденсатора равен нулю.
Вследствие этого, рабочий диапазон изменения коэффициента заполнения у следует, по возможности, выбирать в районе одной из критических точек.
Анализ диаграмм тока дросселя в различных режимах работы показывает, что в преобразователе, собранном по любой предлагаемой схеме, при любом коэффициенте γ, изменяющемся в пределах от 0 до 1, суммарная амплитуда переменной составляющей тока многообмоточного дросселя всегда меньше, чем амплитуда переменной составляющей тока в однообмоточном дросселе известного преобразователя.
Таким образом, применение одного дросселя с несколькими обмотками вместо нескольких дросселей с одной обмоткой обеспечивает снижение электромагнитной мощности комплекта дросселей за счет уменьшения амплитуды суммарных импульсов тока в их обмотках.
Заметное снижение суммарного объема и массы комплекта дросселей, входящих в преобразователь, обеспечивается за счет снижения их количества. Это объясняется тем, что удельные объем и масса электромагнитных элементов на единицу габаритной (расчетной) мощности снижаются при ее увеличении [4; 6, с. 150 - 155]. Ухудшение удельных характеристик намоточных изделий при снижении их мощности обусловлено необходимостью увеличения их размеров для обеспечения заданного перегрева их обмоток, а также увеличением влияния на их габаритные размеры и массу технологических элементов конструкции - каркаса, катушки, крепежа и т.д.
Литература
1. Виленкин А.Г. Импульсные транзисторные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1970, с. 3 - 35.
2. Шуваев Ю.Н., Виленкин А.Г. Многофазные импульсные стабилизаторы. - В кн. Электронная техника в автоматике / Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Советское радио, 1977, вып. 9, с. 70-83.
3. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 1986, - 386 с.
4. Шуваев Ю.Н. Выбор оптимальной схемы многофазного низковольтного выпрямителя по габаритно - массовым и энергетическим показателям. - Вопросы радиоэлектроники. - Сер. общетехническая, 1978, вып. 3, с. 77 - 89.
5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973, с. 268-271.
6. Шуваев Ю.Н. Многофазные низковольтные выпрямители с улучшенными объемно - массовыми и энергетическими показателями за счет применения нескольких независимых дросселей фильтра. - М.: МЭИ, 1982, 217 с. Кандидатская диссертация.