Несимметричные полумостовые преобразователи

Несимметричные полумостовые преобразователи относятся к преобразователям с мягким переключением. Область применения таких преобразователей — получение постоянного выходного напряжения при постоянном и достаточно высоком входном напряжении (составляет сотни вольт), большой частоте коммутации ключей, которая составляет десятки и сотни килогерц.

Режим мягкого переключения, то есть включение транзистора при нулевом напряжении на нем, позволяет значительно уменьшит потери на переключении.

Одним из вариантов построения несимметричного полумостового преобразователя (НПП) является преобразователь с выходным сглаживающим LC-фильтром и двухполупериодным выпрямителем (рис. 1). Однако стоит учесть тот факт, что выходная часть рассматриваемого преобразователя может быть выполнена следующими схемотехническими решениями: с одно- или двухполупериодным выпрямителем, с удвоителем тока, с емкостным фильтром и др. Но в любом случае сохраняются основные особенности, присущие несимметричному полумостовому преобразователю.

Рис. 1. Несимметричный полумостовой преобразователь с LC-фильтром и двухполупериодным выпрямителем.

Режим мягкого переключения, то есть включение транзистора при нулевом напряжении на нем, позволяет значительно уменьшит потери на переключении.

Несимметричные полумостовые преобразователи обладают рядом достоинств перед другими схемными решениями: позволяют реализовать переключение транзисторов при нуле напряжения (ПНН), используют только два транзистора на стороне первичной обмотки трансформатора, напряжение на запертых ключах не превышает значение входного напряжения . Перечисленные достоинства рассматриваемых преобразователей очень важные, позволяющие использовать их в преобразователях и системах электропитания различного назначения.

Недостатки НПП обнаруживается при работе преобразователей в широком диапазоне входного или выходного напряжения. Такие недостатки являются существенными. Они сужают возможные области применения и не позволяют увеличивать удельную мощность источника питания.

Примем обычные для анализа преобразователя допущения: транзисторы и диоды — идеальные переключающиеся элементы, а конденсаторы  неограниченно большой емкости, индуктивности рассеивания и активные сопротивления обмоток трансформатора равны нулю. Под интервалом импульса  понимается включенное состояние транзистора Т1 и выключенное состояние транзистора Т2 (рис. 1). Коэффициент заполнения импульсов определяется по формуле:

где  — период переключения транзисторов. Также коэффициент заполнения импульсов обозначается как  Схема замещения НПП показана на рис. 2. Параллельно включенные элементы  а также дроссель  (рис. 1) заменены источником тока , реальный трансформатор заменен индуктивностью намагничивания  приведенной к первичной обмотке, и идеальным (обмотки  трансформаторам (рис. 2).

Рис. 2. Схема замещения несимметричного полумостового преобразователя

Регулировочная характеристика преобразователя (РХ) имеет вид:

                                                                            (1)

Если в исходной схеме (рис. 1) предположить, что , получим преобразователь с однополупериодным выходным выпрямителем, РХ которого соответствует выражению:

(2)

или

                                                                        (3)

Из выражений (1–3) можно видеть, что зависимость выходного напряжения от D — параболическая, где максимум соответствует  Обычно при управлении преобразователем используется диапазон

При равенстве витков  трансформатора коэффициент трансформации будет иметь вид:

Тогда РХ преобразователя (в режиме непрерывного тока дросселя) определяется по формуле:

                                                                                    (4)

Коэффициент передачи постоянного напряжения от хода  к выходу  выразим из (4):

.                                                                                     (5)

Выбор коэффициента трансформации  выполняется для максимального значения , для идеального случая  Используя (5) получим следующие выражение:

(6)

Напряжение на запертых диодах могут быть определены с помощью выражений:

                                                                                                                  (7)

с учетом (5) и (6):

                                                                                            (9)

                                                                                  (10).

При проектировании DC-DC преобразователей возможны два предельных случая:

1.                  Входное напряжение  изменятся в широком диапазоне, в то время как выходное напряжение  стабилизируется в узких пределах и остается почти постоянной величиной;

2.                 Входное напряжение  практически не меняется.

Из (9) и (10) можно сделать вывод, что напряжение на запертых диодах становятся не равными при уменьшении  причем различия в напряжении тем больше, чем меньше . При малых значениях  к запертому диоду  приложено очень большое напряжение, которое может превосходить выходное в несколько раз. Кроме того, при уменьшении  возрастает средний ток в диоде  за период.

Такое состояние одного из диодов схемы (), то есть возрастания среднего прямого тока и обратного напряжение при уменьшении  характерно для НПП при любом построении его вторичной стороны.

Произведем сравнение НПП с двумя широко известными схемами: однотактным прямоходовым преобразователем (рис. 3) и мостовым преобразователем (рис. 4). Сравним обратные напряжения на диодах НПП с напряжениями на диодах в схемах прямоходового и мостового преобразователя.

Рис. 3. Однотактный полумостовой преобразователь

Рис. 4. Мостовой преобразователь

Рис. 5. Относительные напряжения на диодах в зависимости от коэффициента передачи регулировочной характеристики для различных схем при  и изменяющимся

На рис. 5 и 6 показаны нормализированные напряжения на диодах для тех схем в функции относительного коэффициента  для двух случаев:

1)                стабилизация  когда  меняется (рис. 5);

2)                изменение  в широких пределах при постоянных значениях .

Параметр  определяется по формуле:

                                                                                                                     (11)

В первом случае , а во втором —

Рис. 6. Относительные напряжения на диодах в зависимости от коэффициента передачи регулировочной характеристики для различных схем при  и изменяющимся

В любом из этих случаев напряжение на диоде  в НПП значительно превышает напряжения на диодах в других схемах (рис.3,4). Это является существенным недостатком НПП — тяжелые условия работы одного из выходных диодов и, как следствие, необходимость выбора этого диода с более высоким допустим напряжением. В результате могут быть ухудшены основные параметры преобразователя.

Вторым серьезным недостатком является потеря включения транзистора  при нуле напряжения при уменьшении коэффициента заполнения.

При возрастании «несимметричности» НПП, что происходит снижение , увеличиваются потери в ключах первичной стороны, обмотках трансформатора и выходных диодах.

Литература:

1.         Мелешин В. И., Овчинников Д. А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергиями, Москва: Техносфера, 2011–576 с.

2.         Мелешин В. И., Транзисторная преобразовательная техника, Москва: Техносфера, 2006–632 с.