Полумостовой преобразователь. 2

Техническое задание

 

Источник питания.

Входные параметры: 3×380В +10%-15%, 50Гц

Выходные параметры: 1000В±20В, 25А. 
Содержание

 

1. Введение         3
2. Обзор литературы       4
3. Выбор и обоснование структурной схемы   11 
4. Выбор и обоснование принципиальной схемы  13
5. Расчет принципиальной схемы     20
6. Заключение        44
7. Список литературы       45
8. Приложения        46
9. Схема электрическая принципиальная    58
10. Спецификация элементов      59

 

1. Введение

 

Любое электронное средство можно  представить как совокупность нескольких устройств. Неотъемлемой частью любого электронного средства является источник питания.

Только правильно спроектированный и сконструированный источник электропитания способен обеспечить нормальную работу электронного средства за все время  его жизненного цикла. Государственными стандартами дано определение источника электропитания как устройства, преобразующего поступающее на электронное средство напряжение и ток до оговоренных в технической документации номиналов, показателей стабильности и надежности. Именно этот вид источников электропитания наиболее распространен.

Источники электропитания электронных средств содержат функциональные узлы, которые в зависимости от назначения обеспечивают изменение  уровня выходного напряжения, выпрямление, инвертирование, стабилизацию, фильтрацию, защиту, усиления или комбинацию различных функций.

 

2. Обзор литературы

 

Источники питания, применяемые в силовой электронике, можно разделить на линейные и импульсные. Линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, хорошие значения нестабильности по напряжению и току, главным их недостатком является низкий КПД.

Однако импульсные источники  питания являются более популярными  из-за высокой эффективности и  высокой удельной мощности. При сравнении линейных и импульсных источников питания можно сделать следующие выводы. Нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линенйых источников питания, но в импульсных источниках часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения. Импульсные источники также имеют большую длительность переходных процессов, чем линейные, но имеют намного большее время удержания. Также импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений.

По типу входного и  выходного напряжений импульсные источники  питания можно разделить на:

• AC/AC – конверторы;
• AC/DC – конверторы;
• DC/DC – конверторы;
• DC/AC – конверторы.

Условная классификация  импульсных преобразователей напряжения по схеме построения приведена в таблице 1.

Общий принцип действия импульсных ИП  заключается в следующем:

1. Сетевое напряжение преобразуется в высокое постоянное. Оно поступает на первичную обмотку трансформатора через сильноточный полупроводниковый ключ.

 

Таблица 1 – Классификация импульсных преобразователей по схеме построения

Импульсные  преобразователи
Емкостные	Индуктивные преобразователи
	Без гальванической развязки			С гальванической развязкой				Резонансные
	Повышающие	Понижающие	Инвертирующие	Однотактные		Двухтактные
				Прямоходовые	Обратноходовые	Мостовые	Полумостовые

 

 

2. Ключ коммутирует напряжение на первичной обмотке с высокой частотой, гораздо более высокой, чем частота сетевого напряжения. Это позволяет  существенно  сократить  габариты и вес трансформатора, а так же элементов фильтра.
3. Электронный ключ в любой момент времени находится либо в открытом, либо в закрытом состоянии. Он никогда не находится в  «активном»  состоянии. Поэтому на ключе рассеивается  существенно меньшая мощность, чем на проходном транзисторе линейного источника питания.
4. Высокочастотное напряжение на первичной обмотке трансформатора передается во вторичную обмотку. Во вторичную обмотку включаются фильтрующие цепи, а также цепь обратной связи.
5. Цепь обратной связи через гальваническую развязку управляет скважностью включения электронного ключа, обеспечивая поддержание выходного напряжения на заданном уровне.

Обратноходовой  преобразователь.

Является наиболее распространенной схемой маломощных преобразователей (до 150 Вт) из-за простоты схемы и низкой стоимости. С понижением выходного напряжения область оптимального применения схемы смещается в область меньших мощностей. Причина – большие импульсные токи на вторичной стороне.

Рис. 2.1 – Обратноходовой преобразователь.

 

Когда ключ проводит, в первичной обмотке ток повышается линейно. Трансформатор разработан таким образом, чтобы иметь высокую индуктивность и запасти энергию. Полярность обмоток гарантирует, что диод смещен обратно в течение этого периода – во вторичной обмотке при открытом ключе ток не течет, так как его блокирует диод. Ток в нагрузку в течение этого периода поступает через конденсатор С2.

Когда ключ  закрывается, магнитный поток вызывает возникновение  обратного напряжения на вторичной  обмотке и тока, который течет  к нагрузке и заряжает конденсатор C2. Энергия запасается в поле трансформатора в течение открытого периода ключа Q1 и передается в нагрузку в период обратного хода. Конденсатор C2 поддерживает напряжение на нагрузке в течение периода открытого ключа.

Прямоходовой преобразователь.

Рис. 2.2 – Прямоходовой преобразователь

Когда переключающий  транзистор  закрывается, прекращение  тока в обмотке приводит к возникновению  обратного напряжения во вторичной  обмотке. D2 сейчас блокирует прохождение  тока, а D3 проводит, что позволяет энергии, накопленной в L, разрядиться через нагрузку.

Третья обмотка позволяет  энергии, накопленной в трансформаторе во время цикла включения, возвратиться во входную цепь постоянного тока через диод D1.

Дополнительная обмотка  трансформатора прямоходового преобразователя  гарантирует, что к моменту включения ключа магнитное поле сердечника трансформатора нулевое. При отсутствии дополнительной обмотки после нескольких периодов переключения сердечник трансформатора войдет в насыщение, ток первичной обмотки чрезмерно увеличится,  таким образом, ключ  (то есть  транзистор) выйдет из строя.

Прямоходовый преобразователь  является эффективным при мощностях  от 100 до 250 ватт. Прямоходовый преобразователь  является более сложным чем обратноходовый, однако более эффективен при низких выходных напряжениях.

Двухтактный преобразователь.

Рис. 2.3 – Двухтактный преобразователь

 

Двухтактный преобразователь относится  к числу прямоходовых. Как показано на схеме выше, когда ключ Q1 включен, ток течёт через верхнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растет. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D2 смещён в прямом, а D1 – в обратном направлении. D2 проводит и заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1. L1 и C2 составляют схему фильтра.

Когда ключ Q1 выключается, магнитное  поле в  трансформаторе T1 спадает, и  после времени паузы (зависящего от скважности ШИМ), Q2 включается, ток  течёт через нижнюю половину первичной обмотки T1 и магнитное поле в сердечнике T1 растёт в противоположном направлении. Растущее магнитное поле в T1 индуцирует напряжение во вторичной обмотке T1 такой полярности, что диод D1 смещён в прямом, а D2 – в обратном направлении. D1 проводит и  заряжает выходной конденсатор C2 через дроссель L1.

После окончания мёртвого времени  включается ключ Q1 и процесс повторяется.

Полумостовой  преобразователь.

Рис. 2.4 – Полумостовой преобразователь.

 

Полумостовой преобразователь  подобен двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки. Схема управления полумостового преобразователя подобна схеме управления двухтактного преобразователя.

Некоторые из преимуществ  полумостового преобразователя:

• Маленькие магнитные сердечники;
• Нет магнитного промежутка, поэтому низкое магнитное поле рассеяния;
• Частота вторичных цепей равна двойной частоте переключений. Маленькие компоненты фильтра (L и C) во вторичных цепях, так как они работают на двойной частоте, и нет таких импульсных токов, как в обратноходовой схеме:
• Низкая выходная пульсация и шум;
• Относительно низкий излучаемый шум, особенно, если вторичные катушки индуктивности –  тороидальные ядра  (магнитное поле замкнуто в сердечнике).

При изменении напряжения сети в рабочем диапазоне и  при изменении нагрузки от 25 % до 100 % выходные напряжения меняются на ±0,5 %.

Недостаток – поскольку  данный преобразователь работает на половинном выпрямленном напряжении, ток коллектора переключающих транзисторов вдвое выше тока коллектора транзисторов по сравнению с двухтактной схемой.

Мостовой преобразователь.

Рис. 2.5 – Мостовой преобразователь.

 

Мостовой преобразователь подобен  двухтактному преобразователю, только не требуется делать отвод от середины первичной обмотки. Изменение направления магнитного поля достигается изменением направление тока первичной обмотки.

Диагональные пары  транзисторов поочередно проводят,  таким образом,  достигается изменение направления  тока  в  первичной обмотке  трансформатора. Это можно пояснить следующим образом - когда включены ключи Q1 и Q4, ток будет течь “вниз” через первичную обмотку трансформатора (втекать в начало обмотки), а когда включены ключи Q2 и Q3, ток будет течь “вверх”.

Схема управления работает так же, как и для двухтактного и полумостового  преобразователя, за исключением того, что надо управлять четырьмя транзисторами, а не двумя.

Некоторые из преимуществ  мостового преобразователя:

Токи и обратные напряжения транзисторов меньше по сравнению с другими схемами;

Недостаток – использование  четырёх  транзисторов, каждый из которых  должен быть гальванически развязан от схемы управления, делает эту схему сложной и дорогой.

 

3. Выбор и обоснование структурной схемы

 

Структурная схема источника  питания имеет вид:

 

 

Рис. 3.1 – Структурная схема

 

На схеме:

В1 – выпрямитель сетевого напряжения;

Ф1 – фильтр;

ПМИ – полумостовой инвертор;

Тр – трансформатор;

В2 – выпрямитель напряжения инвертора;

Ф2 – фильтр;

ЦОС – цепь обратной связи;

ШИМ – блок широтно-импульсной модуляции;

ФИ – формирователь импульсов на ключевые элементы инвертора;

ВИП – вспомогательный источник питания.

Описание структурной  схемы:

Напряжение трехфазной сети поступает на схему выпрямителя В1 и фильтр Ф1, тем самым формируется постоянное напряжение на входе блоку полумостового инвертора ПМИ. На выходе инвертора формируется переменное импульсное напряжение, типа меандра. Так как выходная мощность источника питания достаточно велика, следовательно, необходимо обеспечить гальваническую развязку выходных каскадов от входной сети. Эту функцию выполняет трансформатор Тр. Для получения на выходе постоянного напряжения сигнал с выхода трансформатора поступает на выпрямитель В2 и фильтр Ф2.

Для обеспечения на выходе стабильного  напряжения в схеме организована цепь обратной связи ЦОС, которая  формирует напряжение для блока  широтно-импульсной модуляции ШИМ. ШИМ производит сравнение сигнала  обратной связи с опорным напряжением, регулируя тем самым длительность импульсов управления ключевыми элементами блока инвертора. Для гарантированного отпирания силовых ключей схемы инвертора импульсы управления с ШИМ поступают на блок формирователя импульсов, который обеспечивает достаточную мощность для отпирания ключей.

Вспомогательный источник питания  формирует гальванически развязанные  напряжения питания для блоков ШИМ  и ФИ.

 

4. Выбор и обоснование принципиальной схемы

4.1 Выбор схемы выпрямителя сетевого напряжения

Выпрямитель сетевого напряжения организован по мостовой схеме.

Рис. 4.1 – Схема мостового трехфазного выпрямителя

 

На выходе данного выпрямителя  получается выпрямленное линейное напряжение. Так как выходе напряжение источника  присутствует фильтр, следовательно, после  выпрямителя достаточно поставить фильтровой конденсатор . В данной схеме максимальное напряжение на запертых диодах будет равно максимальному линейному напряжению сети.

 

4.2 Выбор схемы инвертора, выходного выпрямителя и фильтра

Инвертор выпрямленного напряжения организован по полумостовой схеме (VT1, VT2, C1, C2). Переменное напряжение с выхода инвертора поступает на повышающий трансформатор. Далее на выпрямитель, организованный с помощью диодов VD1, VD2 и LC-фильтр. Схема силовой части инвертора, выходного выпрямителя и фильтра (полумостового преобразователя) показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2 – Схема полумостового  преобразователя напряжения

 

Поясним работу данной схемы  с помощью диаграмм приведенных  на рис. 4.3. На конденсаторах  присутствует напряжение равное половине входного , поступающего на схему преобразователя с выпрямителя. В момент времени, когда на затвор первого транзистора поступает отпирающий сигнал конденсатор подключается параллельно к первичной обмотки трансформатора с полярностью – плюс на точке. При этом на коллекторе запертого транзистора присутствует напряжение равное входному напряжению преобразователя. Напряжение с конденсатора  трансформируется во вторичные обмотки и является отпирающим для диода и запирающим для диода . При этом запертый диод подключатся параллельно вторичным обмоткам, таким образом, напряжение на нем равно входному напряжению преобразователя, умноженному на коэффициент трансформации - . Так как диод открыт, следовательно, на напряжение на дросселе равно , с полярностью – плюс слева. При такой полярности ток дросселя начинает нарастать по линейному закону - , протекая по цепи .

 

 

Рис. 4.3 – Диаграммы работы полумостового преобразователя

В момент времени, когда  отпирающий импульс первого транзистора заканчивается - оба транзистора оказываются в запертом состоянии. При этом напряжение на каждом из них равно , как показано на диаграмме. Так как ток дросселя не может изменяться скачком, следовательно он будет замыкаться по двум направлениям - и , тем самым, поддерживая оба диода выпрямителя в открытом состоянии. В этот момент времени к дросселю приложено выходное напряжение с полярностью – плюс справа. Ток дросселя будет спадать по закону - . Ввиду идентичности параметров элементов схемы, токи протекающие по вторичным обмоткам трансформатора будут равно, но направлены встречно, компенсируя друг друга. Таким образом, ток первичной обмотки будет равен нулю. Токи, протекающие в этот момент по диодам , будут равны половине тока дросселя (рис. 4.3). 

В момент времени, когда  на затвор второго транзистора поступает  отпирающий сигнал конденсатор  подключается параллельно к первичной обмотки трансформатора с полярностью – минус на точке. Напряжение с конденсатора  трансформируется во вторичные обмотки и является отпирающим для диода и запирающим для диода . Так как диод открыт, следовательно, на напряжение на дросселе равно , с полярностью – плюс слева. При такой полярности ток дросселя начинает нарастать по линейному закону - , протекая по цепи . Далее процессы повторяются.

Так как средний ток  конденсатора равен нулю в установившемся режиме, следовательно, ток нагрузки будет равен среднему току дросселя. Токи транзисторов буду по форме повторять нарастающие части тока дросселя, умноженные на коэффициент трансформации.

 

3. Выбор схем обратной связи и широтно-импульсной модуляции

Рис. 4.4 – Цепь обратной связи и  ШИМ-контроллер

 

Сигнал обратной связи организуется с помощью микросхемы аналогового контроллера UC39432. Данная микросхема формирует на выходе ток пропорциональный изменению выходному напряжению. Данный ток протекает через светодиод микросхемы транзисторного оптрона. Таким образом, при изменении выходного напряжения будет меняться проводимость транзистора оптопары, а следовательно, и напряжение поступающее на инвертирующий вход усилителя ошибки микросхемы ШИМ-контроллера – UC3825. В соответствии с сигналом обратной связи микросхема ШИМ-контроллера будет регулировать длительность управляющих импульсов, поступающих на силовые транзисторы полумостового преобразователя. Транзисторная оптопара также обеспечивает гальваническую развязку силовой части преобразователя от схемы управления.

Питание микросхемы аналогового  контроллера формируется параметрическим стабилизатором . Напряжение питания ШИМ-контроллера организованно с помощью вспомогательного источника питания, описанного ниже.

4. Схема формирователя импульсов

Рис. 4.5 – Схема формирователя импульсов

 

Формирователь импульсов  организован на микросхеме драйвера IR2213. Данный драйвер является двухканальным, следовательно, для управления полумостовым преобразователем достаточно одной  микросхемы драйвера. Для обеспечения  гальванической развязки схемы преобразователя от ШИМ-контроллера импульсы управления подаются на схему драйвера через транзисторные оптопары. Питание микросхемы драйвера также осуществляется от отдельного источника. Для управления транзисторами в схеме формирователя предусмотрена бустерная цепь, организованная на элементах .

 

4.5 Выбор схемы вспомогательного источника питания

Вспомогательный источник питания спроектирован на базе микросхем  линейных стабилизаторов напряжения . На выходах ВИПа формируется два гальванически развязанных напряжения по +15В – на драйвер формирователя импульсов и на ШИМ-контроллер. Схема ВИПа приведена на рис. 4.6.

 

Рис. 4.6 – Вспомогательный источника питания.

 

В данном случае можно  применять трансформатор, работающий на частоте сетевого напряжения (50Гц). Размеры данного трансформатора будут невелики, ввиду маленькой выходной мощности.

 

5. Расчет принципиальной схемы

 

1. Расчет полумостового преобразователя.

 

Рис. 5.1 – Схема полумостового  преобразователя напряжения

 

 

На вход схемы поступает  напряжение с трехфазного выпрямителя. Так как выпрямитель представляет собой мостовую схему с емкостным  фильтром, то можно определить диапазон входных напряжений, для полумостовой схемы:

Напряжение на конденсаторах равно половине напряжения поступающего на схему полумоста:

.

Оценим величину коэффициента трансформации:

.

Так как на LC-фильтр поступает  импульсное напряжение с частотой вдвое большей, чем частота работы транзисторов полумоста, следовательно, выходное напряжение будет определяться как среднее значение импульсного напряжения, поступающего на фильтр. Отсюда следует, что коэффициент трансформации необходимо задавать больше, чем было рассчитано выше (для учета коэффициента заполнения). Примем .

Рассчитаем диапазон необходимых коэффициентов заполнения импульсов напряжения во вторичной  обмотке трансформатора TV1, приняв падение  напряжения на открытых диодах равным :

;

;

.

Расчет элементов LC- фильтра.

Для уменьшения пульсаций  выходного напряжения и импульсного  значения токов диодов необходимо чтобы LC-фильтр работал в режиме непрерывного тока дросселя. В критическом режиме за время действия импульса напряжения ток дросселя нарастает с нулевого значения и спадает до нуля за время паузы (рис. 2).

Рис. 5.2 – Диаграмма тока дросселя в критическом режиме

 

Так как, средний ток конденсатора в установившемся режиме равен 0, следовательно, ток нагрузки равен среднему току дросселя. Таким образом, в критическом режиме ток нагрузке равен половине максимума тока дросселя.

За время действия импульса напряжения ток дросселя меняется по линейному закону:

.

Наибольшее значение тока индуктивности будет при  максимальном входном напряжении:

,

где - частота импульсного напряжения, поступающего на LC- фильтр, равная двойной частоте работы транзисторов полумоста. Примем частоту работы транзисторов равной 50кГц. Тогда .

Критическую величину индуктивности  фильтра можно определить приняв .

.

Для обеспечения режима непрерывного тока дросселя необходимо выбирать значение индуктивности больше . Примем .

Расчет дросселя:

Приведем диаграмму  тока дросселя в непрерывном режиме:

Рис. 5.3 – Диаграмма тока дросселя.

 

Определим :

;

;

.

Действующее значение тока дросселя:

.

Рассчитываемый дроссель работает на частоте 100кГц, поэтому  в качестве материала для сердечника выберем феррит 2000НМ.

1). Находим произведение 

2). Из справочника [6] выберем необходимый магнитопровод.

ПЛМ 25-40-46

  

Размеры, мм						Lср, cм	Sок*Sст, см^4	Gст, г	Sок, См^2
A,мм	B,мм	H,мм	C,мм	C	H
25	40	46	24	47	96	21.85	110.4	167	11.04

 

3). Рассчитаем число витков.

4). Определим диаметр  и площадь поперечного сечения  обмоточного провода.

.

Из справочника [7] выберем обмоточный провод - ПСД.

Номинальный диаметр  жилы –  3.5 мм.

 

5). Проверка коэффициента заполнения окна.

 

.

6). Рассчитаем величину  зазора.

 

               mо=        

 

7). Рассчитаем величину  потерь в дросселе.

 

 

 

_.

Полученный коэффициент  заполнения окна удовлетворяет требованиям.

Величина емкости фильтрового  конденсатора определяется соотношением:

,

где - разброс выходного напряжения, 40В. Отсюда получаем

.

Из справочника [5] выбираем конденсатор: К52-5-600В-6.8мкФ±10%, два последовательно соединенных. Таким образом, суммарная емкость получатся – 3.4мкФ.

Выбор диодов выпрямителя  VD1, VD2.

Приведем диаграммы  токов и напряжений на диодах:

Рис. 5.4 – Диаграммы токов и  напряжений на диодах VD1, VD2.

 

Из диаграмм видно, что  максимальное напряжение на диодах достигает значения . Определим параметры для выбора диодов выпрямителя. Действующий ток диода:

.

Таким образом, определим  ток диода с учетом коэффициента запаса 1.25:

.

Максимальное обратное напряжение прикладываемее к диодам:

;

Частота работы диодов:

.

Из приведенных параметров видно, что в каждом плече выпрямителя  необходимо применять два последовательно  соединенных диода, так как напряжение на закрытом диоде достаточно высоко. Выберем диоды [8] компании SEMICRON – SKKE60F. Параметры данных диодов приведены в приложении.

Таким образом, схема  примет следующий вид:

Рис. 5.5 – Схема полумостового  преобразователя напряжения

Расчет температуры  нагрева вентиля

1) Мощность потерь , образующихся в полупроводниковой структуре.

Где - пороговое напряжение (напряжение отсечки), В;

- динамическое (дифференциальное) сопротивление прямой вольт-амперной  характеристики вентиля в открытом  состоянии , Ом ;