Импульсные преобразователи: Flyback
27-07-2020
Сердце всех импульсных источников питания – это преобразователь напряжения. Существует достаточно много разновидностей и топологий построения преобразователей. Каждая топология имеет свои особенности, недостатки и преимущества.
Сегодня расскажем про топологию обратноходового преобразователя.
Импульсный преобразователь напряжения – это преобразователь, в котором управляющий элемент (чаще всего транзистор) работает в импульсном режиме, постоянно замыкается и размыкается. За счёт этого ток через него передаётся порциями.
Обратноходовой преобразователь (от англ. flyback converter) – одна из разновидностей и построения преобразователя напряжения.
Импульсные источники питания начали развиваться параллельно трансформаторным с 40-х годов прошлого века. Но производство ИИП приостановилось, потому что оно было дорогим, а сами источники получались сложными и громоздкими.
Под конец XX века с развитием транзисторов и интегральных схем, импульсная схемотехника воскресла. В 2020 году каждый житель планеты пользуется устройствами на импульсной схемотехнике. Это обыкновенные зарядки для телефонов всех мастей, телевизоры, компьютеры, светодиодные лампочки, источники бесперебойного питания… список можно продолжать бесконечно.
Как это работаетОдно из преимуществ обратноходового преобразователя в его простоте. Типовая схема преобразователя состоит из:
Работу Flyback преобразователя можно описать так: транзистор непрерывно закрывается и открывается. Пока транзистор открыт, течет ток и дроссель накапливает энергию.
Происходит это в 2 этапа.
1 этап
Транзистор замкнут, ток протекает через первичную обмотку, энергия запасается в виде магнитного поля.
2 этап
Транзистор размыкается, в первичной обмотке ток перестает течь, но запасённая в магнитном поле дросселя энергия создаёт ток на вторичной обмотке. Диод открывается, в конденсаторе накапливается энергия (для того, чтобы питать нагрузку на этапе 1 и питается нагрузка).
Преимущества обратноходового преобразователяИз-за простоты конструкции и сравнительно небольшом количестве электронных компонентов источники питания на обратноходовом преобразователе надёжные и не дорогие.
Flyback преобразователи:
-
нечувствительны к короткому замыканию на выходе;
-
имеют возможность регулирования выходного напряжения в широких приделах;
-
исключают передачу помех из сети на нагрузку.
Недостаток тоже есть – это ограничение по мощности, до 200Вт. Более мощные источники питания целесообразно делать по другой топологии, иначе неизбежно упадет эффективность.
Компания Бастион выпускает источники бесперебойного питания для охранно-пожарных систем по топологии Flyback. За 29 лет клиенты убедились в надёжности наших ИБП и обратноходовых преобразователей.
5. Импульсные преобразователи постоянного напряжения
Рисунок 5.1
ИППН
предназначены для изменения значения
постоянного напряжения. Они служат для
питания нагрузки постоянным напряжением
UН,
отличающиеся от напряжения источника
питания Е. При этом иногда необходимо
стабилизировать Uн при изменении Е и тока нагрузки или
изменять Uн по определенному закону независимо от
Е.
Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется последовательностью импульсов прямоугольной формы с длительностью tи и паузой tп (рисунок 5.1), амплитуда которых близка к Е, а среднее значение выходного напряжения Uн.
В основе принципа действия ИППН лежит ключевой режим работы регулирующего полупроводникового прибора, осуществляющего периодическое подключение источника питания Е к выходной цепи преобразователя.
Регулирование выходного напряжения ИППН осуществляется импульсными методами путем изменения параметров выходных сигналов. Наибольшее применение нашли широтно-импульсный, частотно-импульсный методы и их комбинация.
Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов tи при неизменном периоде их следования T=const; . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при ШИР:
, (5.1)
где
–
коэффициент регулирования.
В соответствии с этой формулой диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР составляют от нуля (tи =0; γ=0) до Е (tи =T; γ=1).
Рисунок 5.2
Частотно-импульсное регулирование (ЧИР) производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов при неизменной их длительности t и =const. Регулировочные возможности преобразователя характеризуются соотношением: (5.2)
Выходному напряжению Е соответствует предельная частота следования импульсов, равная , а нулевому выходному напряжению .
Совместное применение ШИР и ЧИР заключается в изменении двух параметров выходных импульсов tи и и называется комбинированным.
Рассмотрим
наиболее распространенные принципы
построения схем ИППН (рисунок 5.2.а).
Регулирующий элемент условно покажем
в виде ключа, функцию которого обычно
выполняет тиристор или силовой транзистор.
В выходную цепь входит нагрузка Zн активно-индуктивного характера и при
необходимости сглаживающий дроссель
Lф.
Иногда применяются более сложные
сглаживающие фильтры, например Г –
образный LC
фильтр. Диод VD
Рассмотрим
процессы протекающие в таком
преобразователе. На интервалах включенного
состояния ключа t1-t2,
t3-t4,
t5-t6 напряжение подключается ко входу
сглаживающего фильтра , Uвых=Е,
диод VD0 закрыт. Через нагрузку протекает ток
iн по цепи (+Е)-К- Lф-Zн –(-Е). На интервалах отключенного
состояния ключа t2-t3,
t4-t5 связь выходной цепи с источником питания
отсутствует, однако ток через нагрузку
продолжается. Он поддерживается энергией,
накопленной реактивными элементами –
дросселем Lф и индуктивностью нагрузки Lн и замыкается через VD0 вследствие чего Uвых=0.
При переходе к большим мощностям нагрузки (свыше 100кВт) возникают трудности в построении преобразователей по рассмотренной схеме. Они вызваны большими токами , и необходимостью применения большого числа параллельно включенных тиристоров. Кроме того, трудно осуществима конструкция дросселя с большой индуктивностью. ИППН большой мощности выполняют по многотактному принципу, основанному на параллельном включении Т-отдельных преобразователей, работающих на общую нагрузку от общего источника постоянного тока.
Полупроводниковые и системные решения – Infineon Technologies
Будь то солнечная энергия, зарядка электромобилей, центр обработки данных или тягач, карбид кремния кардинально меняет способы производства, передачи и потребления энергии.
Смотреть видео
Infineon выпускает PSoC™ 4100S Max
Высокоинтегрированное недорогое решение с технологией нового поколения CAPSENSE™, позволяющее инженерам легко проектировать и быстро выводить на рынок недорогую систему человеко-машинного интерфейса.
Учить больше
Электрификация основного электрораспределенияУзнайте, как мегатенденции в автомобилестроении вызывают децентрализацию и электрификацию системы электроснабжения.
кликните сюда
Экологически чистая мобильность
Мобильность экологична, интеллектуальна, персональна.
Как Infineon способствует устойчивой мобильности?
Узнайте здесь
Производительность GiGaNtic в адаптерах/зарядных устройствах USB-C
Первая в отрасли комбинированная ИС с коррекцией коэффициента мощности и гибридной обратной связью для конструкций сверхвысокой плотности. Узнай одним из первых!
Скачать техническое описание
Новинка! PSoC™ 62S2 Wi-Fi BT Matter Pioneer Kit
Надежное решение Matter over Wi-Fi со сверхнизким энергопотреблением, которое поможет вам быстро выйти на рынок
Учить больше
Новости
23 августа 2022 г.
| Business & Financial Press
Infineon расширяет базу поставщиков пластин карбида кремния / Соглашение о поставках подписано с американской компанией II-VI Incorporated
11 августа 2022 г. | Business & Financial Press
Infineon приобретает стартап Industrial Analytics и расширяет свое предложение в области анализа машин и промышленного оборудования с помощью ИИ
Новости рынка
02 ноября 2022 г. | Новости рынка
Infineon PSoC™ 4100S Max поддерживает технологию CAPSENSE™ пятого поколения с более высокой производительностью, меньшим энергопотреблением и стоимостью для приложений HMI
Посетите Infineon в Twitter
Импульсные преобразователи силовой электроники в учебном пособии по силовой электронике 02 ноября 2022 г.
— Изучите импульсные преобразователи силовой электроники в учебном пособии по силовой электронике (25626)Что такое импульсные преобразователи в силовой электронике?
Преобразователь с фазовым управлением
Преобразователь с фазовым управлением будет преобразовывать переменный ток в постоянный (линейная коммутация), что означает, что его можно использовать для преобразования мощности переменного тока с фиксированной частотой и фиксированным напряжением в переменное выходное напряжение постоянного тока. Это может быть выражено как
- Фиксированный вход — напряжение, частота и мощность переменного тока
- Переменный выход — выход постоянного напряжения
Входное напряжение переменного тока, которое поступает в преобразователь, обычно имеет фиксированное среднеквадратичное значение и фиксированную частоту. Включение тиристоров с фазовым управлением в преобразователь обеспечит достижение переменного выходного напряжения постоянного тока, и это может быть достигнуто путем изменения фазового угла, при котором тиристоры будут срабатывать.
Следовательно, будет получена пульсирующая форма волны тока нагрузки.
Во время полупериода входного питания тиристор будет находиться в прямом смещении и будет включен при подаче достаточного количества стробирующего импульса (триггера). Ток начнет протекать после включения тиристора, т. е. в точке от ωt=α до точки ωt=β. В момент, когда ток нагрузки упадет до нуля, тиристор выключится в результате линейной (естественной) коммутации.
Существует множество преобразователей мощности, использующих естественную коммутацию, включая
- преобразователи переменного тока в постоянный
- Преобразователи переменного тока в переменный
- Регуляторы напряжения переменного тока
- Циклопреобразователи
В следующих главах мы обсудим приведенные выше силовые преобразователи.
2-импульсный преобразователь
2-фазный преобразователь импульсов, который также известен как генератор широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 2-го уровня, будет использоваться для генерации импульсов для преобразователей широтно-импульсной модуляции, основанных на несущей.
Это будет сделано с использованием топологии второго уровня. Этот блок управляет коммутационными устройствами, которые можно использовать для управления такими устройствами, как IGBT и FET, которые поставляются в трех типах преобразователей:
- 1 плечо (однофазный полумост)
- 2 плеча (однофазный полный мост)
- 3 плеча (трехфазный мост)
Здесь опорный входной сигнал в 2-импульсном преобразователе будет сравниваться с несущей. Если опорный входной сигнал больше несущего, импульс станет равным 1 для верхнего устройства и 0 для нижнего устройства.
Для управления устройством с однофазным полным мостом (2 плеча) важно применять однополярную или биполярную широтно-импульсную модуляцию. При униполярной модуляции одно из двух плеч будет управляться независимо, а второй опорный входной сигнал будет создаваться внутренним образом с использованием смещения исходной опорной точки на 180°
После применения биполярной ШИМ состояние нижнего коммутационного устройства во втором однофазном полномостовом устройстве станет аналогичным состоянию верхнего переключателя в первом однофазном полномостовом устройстве.
Использование однополярной модуляции приведет к плавным формам сигналов переменного тока, тогда как биполярная модуляция приведет к низкому изменению напряжения.
3-импульсный преобразователь
Предположим, трехфазный 3-импульсный преобразователь, в котором каждый тиристор будет находиться в режиме проводимости во время третьего цикла питания, и в начальный момент времени тиристор будет переведен в режим проводимости, который находится под углом 30° в ссылка на фазное напряжение.
Работу 3-импульсного преобразователя можно объяснить тремя тиристорами и тремя диодами. После замены тиристоров Т1, Т2 и Т3 на диоды Д1, Д2 и Д3 проводимость начнется под углом 30° к фазным напряжениям uan, ubn и ucn соответственно. Таким образом, угол открытия α будет первоначально измеряться при 30° по отношению к связанному с ним фазному напряжению.
Ток течет в одном направлении через тиристор, что аналогично режиму работы инвертора, когда мощность будет течь со стороны постоянного тока на сторону переменного тока.
Кроме того, напряжение на тиристорах будет регулироваться за счет изменения угла открытия, и это может быть достигнуто, когда α = 0 (возможно в выпрямителе). Следовательно, 3-импульсный преобразователь будет выполнять функции инвертора и выпрямителя.
6-импульсный преобразователь
На рисунке ниже показан шестиимпульсный преобразователь с мостовым управлением, подключенный к трехфазному источнику. В этом преобразователе количество импульсов будет в два раза больше количества фаз, т.е. p = 2m. Используя ту же конфигурацию преобразователя, два моста шестиимпульсного преобразователя могут быть объединены для получения преобразователя с двенадцатью или более импульсами.
При отсутствии коммутации в любой момент времени будут работать два диода. Кроме того, чтобы добиться падения напряжения на нагрузке, два диода должны быть расположены на противоположных плечах моста. Например, диоды 3 и 6 не могут быть включены одновременно. Таким образом, падение напряжения на нагрузке постоянного тока будет складываться с линейным напряжением VL от трехфазного источника.
