СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ НАСЫЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO REDUCE SATURATION OF PULSE CONVERTER TRANSFORMER AND CONVERTER FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано в устройствах электропитания радиоэлектронной аппаратуры, содержащих импульсные преобразователи напряжения с использованием трансформаторов.
Для снижения одностороннего насыщения трансформатора необходимо уменьшать максимальную индукцию в сердечнике на величину индукции подмагничивания или скомпенсировать напряженность подмагничивания путем введения немагнитного зазора в сердечник. Однако такие меры борьбы с подмагничиванием имеют ряд недостатков. Во-первых, они не позволяют учитывать все факторы, вызывающие подмагничивание, а во вторых, приводят к росту габаритов и стоимости трансформаторов или к увеличению потерь на ключевых транзисторах преобразователя, обусловленных необходимостью коммутировать большой по величине намагничивающий ток. Поэтому на практике применяются способы автоматической компенсации подмагничивания. Несмотря на то, что эти способы автоматической компенсации имеют различную схемотехническую реализацию, все они предусматривают использование датчика намагничивания сердечника трансформатора, сигнал которого необходим для организации симметричного режима перемагничивания трансформатора путем изменения длительности импульсов управления ключевыми транзисторами преобразователя. В качестве простейших датчиков намагничивания используют трансформаторы тока и резистивные шунты, включенные последовательно с ключевыми транзисторами, обмоткой трансформатора или в общие цепи питания. Так как подобные датчики контролируют полный ток нагрузки преобразователя, состоящий из тока нагрузки, тока намагничивания трансформатора, то они не способны обеспечить корректную работу во всех возможных режимах.
Для обнаружения насыщения трансформатора используют способ, применяемый в электротехнике для контроля исправности трансформатора и состоящий в том, что с помощью специального многообмоточного трансформатора тока из тока его первичной обмотки вычитаются токи нагрузки вторичных обмоток. В результате удается получить сигнал, пропорциональный току намагничивания и использовать его для устранения подмагничивания (см. Бас А.А., Миловзоров В.П., Усолин А.К. Источники вторичного электропитания с безтрансформаторным входом. М.: Радио и связь, 1997).
Известны также методы прямого контроля намагниченности сердечника трансформатора при помощи магнитопроводов, магниторезисторов и датчиков Холла, а также способы контроля магнитного поля с использованием пояса Роговского. Однако все эти способы отличаются низкой точностью и высокой чувствительностью к различным помехам.
6
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу является способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения, заключающийся в том, что выявляют сигнал, пропорциональный току намагничивания трансформатора, сравнивают его с заданным сигналом, пропорциональным максимально допустимому току намагничивания, и формируют управляющий сигнал, корректирующий режим перемагничивания трансформатора, отличающийся тем, что выявление сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, осуществляют путем измерения тока в короткозамкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода трансформатора (см. RU 2035833, С1, кл. МПК H02M 7/538, опубл. 20.05.1995). Известный способ позволяет уменьшить одностороннее насыщение сердечника трансформатора импульсного преобразователя напряжения.
Недостатки известного способа связаны с тем, что максимальный ток намагничивания может зависеть от различных факторов, таких как нелинейность сопротивления нагрузки, частота преобразования, амплитуды и формы импульсной последовательности и др., а следовательно, привязка управляющего сигнала к какому-то одному значению измеренного тока неадекватно соответствует реальным процессам подмагничивания трансформатора. Низкая точность соответствия установленного максимального значения тока реальным процессам подмагничивания уменьшает помехозащищенность и надежность процесса ограничения одностороннего насыщения трансформатора. При этом занижение установленного порогового значения тока требует применения силовых элементов большей, чем необходимо мощности.
Недостатками известного способа являются также сложность и трудоемкость его осуществления, так как измерение тока в коротко замкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода трансформатора, может быть реализовано лишь выполнением витка в отверстие магнитопровода, а изготовление отверстия в магнитопроводе, в особенности если используется хрупкий ферритовый сердечник, часто приводит к его разрушению, что усложняет и удорожает процесс его изготовления. Кроме того, при отщеплении части магнитопровода уменьшается его полезное сечение, что требует увеличения размеров и стоимости трансформатора при прочих равных условиях. Указанные недостатки снижают область применения известного способа.
6
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является преобразователь, содержащий трансформатор с сердечником, коллекторные обмотки которого подключены через силовые транзисторы к входным зажимам преобразователя, базовые обмотки, подключенные через базовые резисторы к переходам база-эмиттер силовых транзисторов, коммутирующие транзисторы, подключенные параллельно переходам база-эмиттер силовых транзисторов, нагрузочные резисторы трансформатора тока с сердечником, подключенные к вторичным обмоткам трансформатора тока, и шунтирующие переходы база-эмиттер коммутирующих транзисторов, короткозамкнутый виток, охватывающий часть сердечника трансформатора и являющийся одновременно первичной обмоткой трансформатора тока, вторичную обмотку трансформатора, подключенную к нагрузке преобразователя. При этом короткозамкнутый виток выполняют, пропустив проводник либо в отверстие в сердечнике трансформатора недалеко от края, либо между витками витого сердечника. Для того чтобы не уменьшить сколь-нибудь заметно площадь сечения сердечника трансформатора, площадь сечения сердечника, охватываемая короткозамкнутым витком, выбирается равной не более 0,1 от площади сечения сердечника трансформатора за счет соответствующего расположения отверстия, через которое пропускают виток (см. RU 2035833, С1, кл. МПК H02M 7/538, опубл. 20.05.1995).
Недостатками известного решения являются низкие помехозащищенность и надежность процесса ограничения одностороннего насыщения трансформатора, либо необходимость применения силовых элементов повышенной мощности.
Недостатками известного преобразователя являются также сложность и трудоемкость его изготовления, так как изготовление отверстия в магнитопроводе, в особенности если используется хрупкий ферритовый сердечник, часто приводит к его разрушению, что усложняет и удорожает преобразователь. Кроме того, при отщеплении части магнитопровода уменьшается его полезное сечение, что требует увеличения размеров и стоимости трансформатора преобразователя при прочих равных условиях. Указанные недостатки снижают область применения известного способа.
Задачей и обусловленным ею техническим результатом является расширение области применений за счет повышения точности и помехозащищенности измерения постоянной составляющей тока подмагничивания, улучшение синусоидальности выходного напряжения, а также упрощение, уменьшение габаритов и стоимости устройств для его реализации.
Указанный результат достигается тем, что в способе уменьшения насыщения трансформатора импульсного преобразователя, заключающемся в формировании сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, и формировании управляющего сигнала, корректирующего режим перемагничивания трансформатора, формирование сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, осуществляют путем определения действующих значений напряжения прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения и суммировании этих значений, а управляющим сигналом корректируют скважность импульсов преобразователя.
Кроме того, определение действующих значений напряжения прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения осуществляют путем измерения напряжения на отдельной обмотке трансформатора импульсного преобразователя,
- определяют действующие значения напряжения прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения усреднено с заранее заданным периодом усреднения,
- осуществляют суммирование значений напряжения прямой и обратной полуволн выходного напряжения с учетом знака этих значений напряжения.
Задачей и обусловленным ею техническим результатом является расширение области применений за счет повышения точности и помехозащищенности измерения постоянной составляющей тока подмагничивания, улучшение синусоидальности выходного напряжения, а также упрощение, уменьшение габаритов и стоимости импульсного преобразователя.
Указанный результат достигается тем, что в импульсном преобразователе, содержащем трансформатор, с первичной обмоткой и вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке преобразователя, введены измерительная обмотка трансформатора, выходы которой подключены к входам интегратора, выход которого через формирователь управляющего сигнала подключен к входу управления формирователя ШИМ сигнала, выходы которого подключены к выводам первичной обмотки трансформатора.
Кроме того трансформатор выполнен на основе автотрансформатора.
Изобретение поясняется с помощью чертежей, где на Фиг.1 показана структурная схема импульсного преобразователя, на Фиг.2 - осциллограммы работы импульсного преобразователя.
На чертежах сделаны следующие обозначения:
1 - трансформатор,
2 - первичная обмотка,
3 - вторичная обмотка,
4 - нагрузка преобразователя,
5 - измерительная обмотка трансформатора,
6 - интегратор,
7 - формирователь управляющего сигнала,
8 - формирователь ШИМ сигнала,
9 - вход запуска формирователя ШИМ сигнала,
10 - осциллограмма выходного напряжения без компенсации тока подмагничивания трансформатора,
11 - осциллограмма выходного напряжения с компенсацией тока подмагничивания трансформатора.
Способ уменьшения насыщения трансформатора импульсного преобразователя заключается в том, что формируют сигнала, пропорциональный току намагничивания трансформатора путем измерения действующих значений напряжения прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения и суммировании этих значений с учетом их знака, затем формируют управляющий сигнал, корректирующий режим перемагничивания трансформатора путем корректировки скважности импульсов преобразователя. При этом определение действующих значений напряжения прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения осуществляют путем измерения напряжения на отдельной обмотке трансформатора импульсного преобразователя. Действующие значения напряжения прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения определяют усреднено с заранее заданным периодом усреднения.
Способ уменьшения насыщения трансформатора импульсного преобразователя используется следующим образом.
В процессе преобразования напряжения на нагрузке преобразователя формируется выходное напряжение, обеспечивающее наличие заданного выходного тока. Выходной ток однотактного преобразователя кроме переменной составляющей содержит постоянную составляющую, которая вызывает магнитный поток подмагничивания в сердечнике трансформатора преобразователя. В двухтактных преобразователях магнитный материал сердечника трансформатора поочередно перемагничивается в противоположных направлениях разнополярными импульсами выходного тока преобразователя. При этом наличие постоянной составляющей в выходном токе нежелательно, так как может вызвать одностороннее подмагничивание и даже насыщение материала сердечника трансформатора. Однако создать преобразователь, способный обеспечить абсолютную симметричность процесса перемагничивания сердечника трансформатора, практически невозможно из-за невозможности обеспечить абсолютную идентичность элементов плеч силовой схемы преобразователя. Даже, если будут сформированы абсолютно равные по длительности противофазные импульсы управления транзисторами преобразователя, то транзисторы одного типа имеют разные сопротивления в открытом и закрытом состоянии, различные времена запаздывания, а также длительность фронтов нарастания и спада тока. Это приводит к тому, что в первичной обмотке трансформатора в различные периоды перемагничивания прикладываются импульсы напряжения, имеющие различную амплитуду и длительность. Кроме того, транзисторы преобразователя зачастую находятся в заведомо разных температурных условиях, обусловленных неоднородным креплением и охлаждением. Все эти причины при комплексном воздействии могут вызвать одностороннее насыщение трансформатора, что, в свою очередь, приводит к снижению эффективности преобразователя, сбоям в его работе и повреждению ключевых транзисторов.
Проблема одностороннего подмагничивания увеличивается с повышением частоты преобразования, так как составляющая подмагничивающего тока, обусловленная различиями параметров переключения транзисторов, растет пропорционально частоте. Подмагничивание сердечника трансформатора наиболее характерно для мостовых преобразователей, выполненных на трансформаторе со средней точкой. Для полумостовых преобразователей в установившемся режиме постоянная составляющая в первичной обмотке отсутствует, так как последовательно с ней включен конденсатор. Однако трансформатор полумостового преобразователя может насыщаться в момент запуска, а также в режиме изменения тока нагрузки. Таким образом, любой топологии преобразователей присуще одностороннее подмагничивание трансформатора.
Для исключения одностороннего подмагничвания трансформатора в соответствии с заявленным способом измеряют действующие значения напряжений прямой и обратной полуволн периода выходного напряжения с последующим их суммированием, причем сигналам положительной полуволны соответствует знак «+», а сигналам отрицательной полуволны соответствует знак «-», так что суммирование приводит фактически к вычитанию отрицательных значений из положительных. В процессе суммирования осуществляют непрерывное усреднение на временном периоде, кратном периоду выходного напряжения.
Результат суммирования - величина, пропорциональная току одностороннего подмагничивания, а ее знак указывает на направление вектора тока подмагничивания.
По результатам суммирования корректируют скважность импульсной последовательности, подаваемой на первичную обмотку трансформатора, причем изменение скважности осуществляют таким образом, что последовательно выполняемые измерение, суммирование и формирование ШИМ сигнала образуют петлю отрицательной обратной связи, направленной на снижение величины тока одностороннего подмагничивания трансформатора.
Таким образом, появление некоторой даже небольшой величины одностороннего подмагничивания трансформатора приводит к изменению постоянной составляющей тока в первичной обмотке, вызывающей обратное одностороннее подмагничивание, компенсирующее существующее, которое, в результате, стремится к своему минимальному значению, определяемому параметрами измерения, постоянной интегрирования, коэффициентом усиления петли обратной связи и др.
Благодаря интегрированию, обеспечивающему вычисление разности между интегрированными значениями положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения, осуществляется изменение формы выходного тока, приближающее ее к форме гармонического сигнала - синусоиде. Приведение же формы к синусоидальной обеспечивает повышение КПД преобразователя и его надежности.
Интегрирование на интервале, значительно превышающем период импульсной последовательности, обеспечивает повышение помехозащищенности и точности компенсирования тока одностороннего подмагничивания трансформатора.
Пример. Для снижения или даже исключения явления одностороннего подмагничивания трансформатора в преобразователе напряжения трансформатор тока выполняют с дополнительной измерительной обмоткой, выходы которой подключают к входам интегратора. Измерительная обмотка трансформатора, как и остальные обмотки, выполняется обычными средствами, не требующими изменения или деформации магнитопровода.
Постоянная интегрирования интегратора выбирается равной нескольким периодам, так, что при подаче на его вход синусоидального сигнала с нулевой постоянной составляющей на выходе интегратора формируется «0». При появлении отличной от нуля постоянной составляющей входного сигнала на его выходе формируется сигнал, пропорциональный величине этой постоянной составляющей.
Сигнал с выхода интегратора подают на вход управления формирователя ШИМ сигнала, обеспечивающего формирование импульсного сигнала, постоянная составляющая которого в общем случае пропорциональна величине управляющего сигнала.
Выводы первичной обмотки трансформатора подключают к выходам формирователя ШИМ сигнала в такой полярности, чтобы увеличение тока одностороннего подмагничивания приводило бы к возрастающему изменению скважности импульсной последовательности, вызывающему появление компенсирующего тока одностороннего подмагничивания с обратным знаком. В результате автоматического регулирования скважности импульсного сигнала происходит отслеживание, в данном случае, нулевого уровня тока одностороннего подмагничивания трансформатора в целях исключения негативного влияния одностороннего подмагничивания.
Зависимость изменения скважности импульсов формирователя ШИМ сигнала от величины сигнала интегратора в общем случае является линейной, однако эта зависимость может быть выполнена и иной, например логарифмической, для расширения динамического диапазона регулирования.
Заявленный способ может быть реализован на стандартных элементах: импульсный трансформатор, силовые транзисторы или иные ключевые элементы, интегральные микросхемы и другие радиоэлементы, в том числе с применением процессора.
Таким образом, применение способа уменьшения насыщения трансформатора импульсного преобразователя обеспечивает расширение области применения за счет повышения точности и помехозащищенности измерения постоянной составляющей тока подмагничивания, улучшения синусоидальности выходного напряжения, повышения надежности и КПД преобразования, а также упрощение, уменьшение габаритов и стоимости устройств для его реализации.
Импульсный преобразователь (Фиг.1) содержит трансформатор, с первичной обмоткой и вторичной обмоткой, подключенной к нагрузке преобразователя, а также измерительной обмоткой, выходы которой подключены к входам интегратора, выход которого через формирователь управляющего сигнала подключен к входу формирователя ШИМ сигнала, выходы которого подключены к выводам первичной обмотки трансформатора.
Трансформатор выполнен на основе автотрансформатора, имеющего общую часть первичной и вторичной обмотки.
Импульсный преобразователь работает следующим образом.
Выходное напряжение преобразователя, снимаемое с измерительной обмотки трансформатора, подают на вход интегратора. Постоянная интегрирования интегратора больше периода выходного напряжения. В результате интегрирования положительные и отрицательные полуволны выходного напряжения компенсируют друг друга, и на выходе выделяется некомпенсированная часть периодического сигнала, пропорциональная постоянной составляющей входного сигнала и соответствует току одностороннего подмагничивания трансформатора.
С выхода интегратора сигнал подается на вход формирователя управляющего сигнала, на выходе которого формируется сигнал управления с параметрами, согласованными с параметрами входа формирователя ШИМ сигнала. В качестве формирователя управляющего сигнала может быть использован, например, усилитель напряжения или тока.
Формирователь ШИМ сигнала управляется сигналом с выхода формирователя управляющего сигнала и обеспечивает изменение скважности выходной импульсной последовательности в некотором диапазоне. При этом на вход запуска формирователя управляющего сигнала подаются импульсные сигналы с выхода импульсного генератора.
Последовательно подключенные измерительная обмотка импульсного трансформатора, интегратор, формирователь управляющего сигнала, формирователь ШИМ сигнала, первичная обмотка импульсного трансформатора образуют петлю отрицательной обратной связи, отрабатывающей ток одностороннего подмагничивания на выходе трансформатора, снижая его значение к близкому к нулевому. При этом наличие тока одностороннего подмагничивания приводит к формированию такой скважности импульсов на выводах первичной обмотки, которая компенсирует наличие тока одностороннего подмагничивания, снижая его к нулю.
Благодаря наличию интегратора в цепи обратной связи, обеспечивающего вычисление разности между интегрированными значениями положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения осуществляется изменение формы выходного тока, приближающее ее к форме гармонического сигнала - синусоиде. Приведение же формы к синусоидальной обеспечивает повышение КПД преобразователя и его надежности.
Интегрирование на интервале, значительно превышающем период импульсной последовательности, обеспечивает повышение помехозащищенности и точности компенсирования тока одностороннего подмагничивания трансформатора.
Намотка обмоток трансформатора, в том числе измерительной обмотки, выполняется стандартными методами без применения специальных деформаций магнитопровода.
Заявленный импульсный преобразователь может быть реализован на стандартных элементах: импульсный трансформатор, силовые транзисторы или иные ключевые элементы, интегральные микросхемы и другие радиоэлементы, в том числе с применением процессора.
Таким образом, импульсный преобразователь имеет более широкую область применений за счет повышения точности и помехозащищенности измерения постоянной составляющей тока подмагничивания, улучшения синусоидальности выходного напряжения, а также более прост в изготовлении, имеет меньшие габариты и стоимость, более высокие КПД и надежность.