4 Исследование схемы обратноходового преобразователя с трансформатором
Таблица 13 - Исходные данные
N |
L1, мкГн |
L2, мкГн |
R1, Ом |
С1, мкФ |
Rload, Ом |
12 |
32 |
4400 |
108 |
0.88 |
498 |
Рисунок 4.1 - Схема обратноходового преобразователя с трансформатором
Рисунок 4.2 - Зависимость напряжения V(out) на выходе преобразователя и тока I(L1) в первичной обмотке трансформатора
Рисунок 4.3 - Зависимость изменений напряжений и токов первичной V(sw), I(L1) и вторичной V(n001), I(L2) обмоток трансформатора
Рисунок 4.4 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.1
Рисунок 4.5 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.1
Рисунок 4.6 - Схема обратноходового преобразователя с трансформатором, Q = 0.25 (верхний график)
Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.25(нижний график)
Рисунок 4.7 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.25
Рисунок 4.8 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.5
Рисунок 4.9 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.5
Рисунок 4.10 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.75
Рисунок 4.11 - Зависимость выходного напряжения V(out), напряжения на выходе ключа V(sw) и приведенного тока в первичной обмотке трансформатора I(L1)+I(L2) для различных заполнения Q = 0.75
Таблица 14 – Зависимость выходного напряжения от заполнения
Заполнение, Q |
0,1 |
0,25 |
0,5 |
0,75 |
|
Выходное напряжение, Vout, {В} |
Модель |
4,1 |
11,0 |
30,6 |
18 |
Теория |
3,85 |
11,55 |
34,65 |
103,95 |
|
Коэффициент трансформации:
(20)
Теоретическое значение выходного напряжения:
(21)
Где Vin=3B
Рисунок 4.12 - Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.1
Рисунок 4.13 - Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.25
Рисунок 4.14 - Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.5
Рисунок 4.15 - Зависимости напряжений на ключе V(sw), питания V(in); на первичной V(IN, SW) и вторичной V(n001/10) обмотках трансформатора для коэффициента заполнения Q = 0.75
5 Исследование процессов в ключевых элементах импульсных преобразователей
5.1 Импульсный повышающий преобразователь
В режиме разрывного тока ток индуктивности часть периода равен нулю Imin= 0. В этом режиме время до прекращения тока индуктивности та на обратном ходе определяйся условиями в нагрузке, поэтому мы не можем определить tD сразу, через период повторения и длительность обратного хода, как мы это сделали для режима неразрывного тока.
Как мы видели из результатов моделирования, показанных на рис. 3.3, напряжение на выходе преобразователя в режиме разрывного тока постепенно возрастает и будет возрастать до тех пор, пока не установится баланс между энергией, подкачиваемой в нагрузку на прямом ходе, и энергией, расходуемой нагрузкой.
Энергия, накопленная индуктивностью:
(22)
Энергия, израсходованная нагрузкой:
(23)
Приравнивая эти выражения между собой, получим
(24)
Максимальный ток
(25)
В режиме разрывного тока (т.е. при нулевом значении минимального тока)определяется следующим выражением:
(26)
Подставив в уравнение баланса выражение для максимального тока, получим
(27)
Решая это уравнение относительно Vout получим
(28)
Это выражение удобнее представить через заполнение сигнала Q и реактивное сопротивление индуктивности
(29)
(30)
Таким образом, в разрывном режиме увеличение выходного напряжения пропорционально заполнению и корню отношения сопротивления нагрузки к реактивному сопротивлению индуктивности на рабочей частоте преобразователя.
Чем больше сопротивление нагрузки, тем выше выходное напряжение. При бесконечно большом сопротивление выходное напряжение стремится к бесконечности. Такой режим чрезвычайно опасен для элементной схемы (они могут пробиться повышенным напряжением), поэтому включать повышающие преобразователи без нагрузки запрещается.
Максимальный ток индуктивности режима разрывного тока можно записать в следующем наглядном виде в терминах заполнения и реактивного сопротивления:
(31)
Другими словами, чем меньше реактивное сопротивление индуктивности , тем больше максимальный ток. . И чем больше заполнение, тем больше ток. Поскольку максимальное заполнение не может превышать 1,максимальный ток разрывного режима не может превышать определённого значения
(32)
Это условие является определяющим при выборе минимального значения индуктивности дросселя импульсного преобразователя.
Таблица 15 - Исходные данные
N |
L1, мкГн |
C1, мкФ |
R1, Ом |
Rload, Ом |
12 |
32 |
19 |
108 |
108 |
Рисунок 5.1.1 - Схема повышающего преобразователя для режима разрывного тока
Рисунок 5.1.2 - Изменение напряжений на выходе преобразователя V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) в разрывном режиме повышающего преобразователя
Рисунок 5.1.3 - Упрощенная схема преобразователя для обратного хода
Рисунок 5.1.4 - Изменение напряжений на выходе V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) упрощенной схемы повышающего преобразователя на интервале обратного хода 10 мкс
Частота осцилляций составляет примерно 4.2 МГц.
Рисунок 5.1.5 - Изменение напряжений на выходе V(out), на ключе V(sw); тока индуктивности I(L1) упрощенной схемы повышающего преобразователя на интервале обратного хода 3 мс
Рисунок 5.1.6 - Упрощенная схема преобразователя для обратного хода без диода
Рисунок 5.1.7 - Колебательный процесс в схеме без диода
В схеме без диода период колебаний близок к 150 мкс, а соответствующая частота близка к 6.667 кГц.
В данной схеме колебания возникают в контуре, образованным индуктивность L1 и конденсатором фильтра C1. Соответствующая резонансная частота fLC определяется формулой:
(33)
В схеме с диодом возникают высокочастотные колебания с частотой около 4МГц. Соответствующая емкость колебательного контура должна быть значительно меньше емкости фильтра. Использую формулу, получим
(34)
Рисунок 5.1.8 – Схема замещения диода на обратном ходе повышающего преобразователя
Рисунок 5.1.9 - Пример сопоставления работы двух схем в общем окне симулятора
Рисунок 5.1.10 - Переходные процессы в схеме замещения диода в разных фазах обратного хода: открытый диод IL(0) = 240 мА; Rd = 0.1 Ом; Cp = 49 пФ
Рисунок 5.1.11 - Переходные процессы в схеме замещения диода в разных фазах обратного хода: частично закрытый диод IL(0) = 2 мА; Rd = 10 кОм; Cp = 49 пФ