3.9. Основные параметры, характеризующие работу двухтактного преобразователя постоянного напряжения, выполненного по полумостовой схеме, дппн-III

На рис.21 приведена полумостовая схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-III

Рис.21. Полумостовая схема двухтактного преобразователя постоянного напряжения, ДППН-III

Расчет загрузки элементов схемы и их выбор

Коэффициент заполнения импульса D определяется для двухтактных преобразователей отношением длительности импульса к длительности полупериода выходного напряжения, т.е.

D= t_и / Т',

где Т'^'=T/2 – длительность полупериода выходного напряжения.

Напряжение на нагрузке без учета падения напряжения на элементах схемы определяется по формуле (253):

U_нг=0,5DU_вх/k_тр. (253)

Коэффициент трансформации трансформатора k_тр=W₁/W₂ определим по формуле (254):

k_тр=U₁/U₂=(0,5U_{вх min}- Δ U_кэ.нас- ΔU_т1 )D_max/[U_нг+ΔU_RL++(ΔU_в.пр+ΔU_т2)D_max], (254)

где

U₂ – напряжения вторичной обмотки трансформатора;

U₁ – напряжения первичной обмотки трансформатора;

ΔU_в.пр – падение напряжения на открытом диоде;

ΔU_кэ.нас – напряжение насыщения на открытом транзисторе;

W₁ и W₂ – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно;

ΔU_т1 и ΔU_т2 – падения напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора соответственно.

На этом этапе расчета не известны параметры трансформатора, транзистора и диода. Поэтому необходимо задаться падениями напряжения на элементах схемы [3]:

ΔU_кэ.нас=(1-2) В;

ΔU_в.пр=(1-2) В;

ΔU_RL= I_нгR_L= (0,01-0,02) U_{нг N};

ΔU_т2 = I_нгR_т2=(0,01-0,02)U_{нг N};

ΔU_т1= I_вхR_т1= (0,01-0,02)U_{вх N}.

R_т1 – активное сопротивление первичной обмотки трансформатора;

R_т2 – активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Задаемся значением D_max в пределах 0,85– 0,9, а затем по формуле (254) определяем коэффициент трансформации k_тр.

Отметим, что после выбора элементов силовой схемы необходимо определить падение напряжения на них, сравнить со значениями, принятыми на первом этапе расчета, и, если расхождение превышает 10%, провести повторный уточняющий расчет.

Минимальное значение коэффициента заполнения импульса D_min для полумостовой схемы определяется по формуле (255):

D_min =(U_{нг N} + ΔU_RL) /( U_{2m max}– ΔU_т2–ΔU_в.пр), (255)

где U_{2m max} – максимальное значение амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U_{2m max} = (0,5U_{вх max} -ΔU_кэ.нас -ΔU_т2) / k_тр, (256)

U_{вх max}= U_{вх N}(1+ΔU_вх%/100).

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора в номинальном режиме

. (257)

Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора

U_1N = U_2N k_тр . (258)

Это же напряжение может быть определено через входное напряжение

U_{вх N} и D_N :

(259)

Расчетное значение мощности трансформатора, S_т, для однофазного двухполупериодного выпрямителя определим по формуле

S_тр= (S_тр1+2S_тр2)/2,

где S_тр1=U₁I₁, S_тр2= U₂I₂ – расчетные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора

I_2N = (I₂ / I_d) I_{нг N};

I₂/I_d=0,707 – для однофазного двухполупериодного выпрямителя при наличии индуктивности в цепи нагрузки, (см. таблицу 1).

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

I_1N = (I₁/I_d) I_{нг N} / k_тр;

I₁/I_d=1,0 – для однофазного двухполупериодного выпрямителя при наличии индуктивности в цепи нагрузки, (см.таблицу 1).

По рассчитанным значениям S_тр, U_1N, U_2N, I_1N, I_2N необходимо выполнить расчет трансформатора. Методика расчета трансформатора приведена в п.3.7 «Расчет промежуточного высокочастотного трансформатора»

Загрузка транзисторов и диодов по току и напряжению

Максимальное значение тока транзистора

I_{к max}=2P_нг/(U_вхη γ²_min) + ΔI'_L, (260)

где ΔI'_L – приведенная к первичной обмотке амплитуда пульсаций тока сглаживающего дросселя.

ΔI'_L= ΔI_L/(2k_тр);

ΔI_L=I_Lmax-I_Lmin – полный размах пульсации тока дросселя.

По справочным данным, приведенным в таблицах 63-69 выбираем транзистор, номинальное значение тока коллектора которого I_{к N}>2 I_{к max}, а напряжение U_{кэ N}>2U_{вх max}.

Отметим, что для полумостовой схемы ток I_{к max} больше в 2 раза по сравнению с полномостовой схемой. Благодаря этому полумостовые схемы находят применение для преобразователей меньшей мощности, чем полномостовые

Среднее значение тока диода выпрямителя I_в.ср=0,5I_{нг N}.

Максимальное обратное напряжение на закрытом диоде в этой схеме равно 2U_2m.

По справочным данным, приведенным в таблицах 54, выбираем диоды с учетом коэффициентов запаса по току k_з.т=2 и напряжению k_з.н=2.

Емкость конденсатора входного делителя для полумостовой схемы необходимо рассчитывать исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций U_{m п} выбранного типа конденсатора по формуле

С₁=Р_нг/(4ηf_пU_{m п}U_{вх min}), (261)

где f_п – частота пульсаций выпрямленного напряжения: f_п=2f_р;

U_{вх min} – минимальное значение входного напряжения.

Обратим внимание на то, что допустимая амплитуда пульсаций напряжения конденсаторов C₁ и C₂ определяется по справочным данным на выбранный тип конденсаторов, например по справочным данным, приведенным в табл. 60–62. По данным табл. 60-62 значение U_{m п} можно определить, перемножив допустимое значение амплитуды переменной составляющей тока конденсатора I_{пер max} и полное сопротивление кондесатора на частоте, равной f_п, т.е.:

где х_C=1/(2πСf_п);

r_c –внутреннее активное сопротивление конденсатора, ESR.

Минимальное значение индуктивности дросселя сглаживающего фильтра L_min определяется из условия обеспечения непрерывного характера тока нагрузки по формуле (262):

L_min>U_нг(1-D_min )/(2I_{нг min} f_п). (262)

Выбираем по справочным данным, приведенным в табл. 47-51, дроссель, индуктивность которого более рассчитанного значения L_min (примерно в 1,5–2,0 раза), а номинальное значение тока обмотки – не менее номинального значения тока нагрузки.

Максимальный ток дросселя, I_{L max}, определяется с учетом амплитуды пульсаций тока дросселя ΔI_L:

I_Lmax=I_{нг N}+ ΔI_L/2=I_{нг N} +[U_{вх max}/(2k_тр)-U_нг] D_min /(4L f_п). (263)

Амплитуду первой гармоники тока дросселя I_L1m можно определить из выражения

I_{L1 m}=ΔI_L/[2π²D_min(1- D_min)]. (264)

Емкость конденсатора С_ф определяется с учетом требований по пульсациям выпрямленного напряжения U_п2:

U_п2 = k_п2U_нг;

С_ф= I_L1m/(4πU_п2 f_п )=U_нг(1- D _min)/(8U_п2 f²_п), (265)

где U_п2 – допустимая по техническому заданию амплитуда пульсаций напряжения нагрузки.

Выбираем по справочным данным, приведенным в таблицах 60-61, конденсатор, емкость которого не менее рассчитанного значения С_ф, рабочее напряжение не менее 2U_{нг N}, а величина допустимого действующего значения тока переменной составляющей I_пер.д.з не менее действующего значения преременной составляющей тока фильтра

Величину ΔI_L=ΔI_C определим по формуле

ΔI_L=ΔI_C= I_Lmax- I_Lmin=[(U_{вх max}/2k_тр)-U_нг]D_min /(4L f_п). (266)

Кроме этого, необходимо провести проверку сглаживающего фильтра на отсутствие резонанса аналогично тому, как это выполнено в п.3. 7.

Расчет площади радиаторов для транзисторов проводится по методики, приведенной п. 3.1.

Статический расчет системы выполняется по методики, приведенной в п. 3.1.

Оценку динамических характеристик спроектированного преобразователя провести по методике, приведенной в п. 3.7.