Основные принципы и методы работы обратноходового импульсного источника питания.
Основные принципы и методы работы
Фундаментальный
Когда транзистор Trton переключается, первичная обмотка Np трансформатора имеет ток Ip и сохраняет в ней энергию (E=LpIp/2). Поскольку Np и Ns имеют противоположную полярность, диод D в это время смещен в обратном направлении и отключен, и никакая энергия не передается в нагрузку. При переключении Троффа, согласно закону Ленца: (e=-N△Φ/△T), первичная обмотка трансформатора будет генерировать обратный потенциал. В это время диод D является прямопроводящим, и в нагрузке протекает ток IL. Стационарный сигнал обратноходового преобразователя
Величина времени проводимости ton будет определять амплитуду Ip и Vce:
Vcemax=VIN/1-Dmax
VIN: входное напряжение постоянного тока; Dmax: максимальный рабочий цикл
Dмакс=тонн/т
Видно, что для получения низкого напряжения коллектора Dmax необходимо поддерживать низким, то есть Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.
Рабочий ток коллектора Ie при переключении трубки Tron, то есть первичный пиковый ток Ip, равен: Ic=Ip=IL/n. Поскольку IL=Io, когда Io является постоянным, размер коэффициента витков n определяет размер Ic, приведенная выше формула получена на основе принципа сохранения мощности, а количество первичных и вторичных ампер-витков равно. к NpIp=NsIs. IP также можно выразить следующим методом:
Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: КПД преобразователя
Формула выводится следующим образом:
Выходная мощность: po=LIp2η/2T
Входное напряжение: VIN=Ldi/dt, предполагая di=Ip и 1/dt=f/Dmax, тогда:
VIN=LIpf/Dmax или Lp=VIN*Dmax/Ipf
Тогда po можно выразить как:
po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp
∴Ip=2po/ηVINDmax
В приведенной выше формуле:
VIN: Минимальное входное напряжение постоянного тока (В)
Dmax: максимальный рабочий цикл проводимости
Lp: первичная индуктивность трансформатора (мГн)
Ip: пиковый ток первичной обмотки трансформатора (А)
f: частота преобразования (кГц)
Способ работы
Трансформаторы обратного хода обычно работают в двух режимах:
1. Прерывистый режим тока индуктора DCM (DiscontiniousInductorCurrentMode) или «полное преобразование энергии»: вся энергия, запасенная в трансформаторе в тонне, передается на выход в течение периода обратного хода (toff).
2. Непрерывный режим тока индуктора CCM (ContiniousInductorCurrentMode) или «неполное преобразование энергии»: часть энергии, запасенной в трансформаторе, сохраняется в конце тофф до начала следующего тонноцикла.
DCM и CCM сильно различаются с точки зрения функций передачи небольших сигналов. Их формы сигналов показаны на рисунке 3. Фактически, когда входное напряжение преобразователя VIN изменяется в большом диапазоне или ток нагрузки IL изменяется в большом диапазоне При, это должно охватывать два режима работы. Поэтому обратноходовой преобразователь должен стабильно работать в DCM/CCM. Но спроектировать сложнее. Обычно мы можем использовать критическое состояние DCM/CCM в качестве основы для проектирования. В сочетании с ШИМ для управления текущим режимом. Этот метод может эффективно решить различные проблемы в DCM, но он не устраняет присущую схеме в CCM проблему нестабильности. CCM можно решить, отрегулировав коэффициент усиления контура управления, чтобы отделить полосу низких частот и уменьшить скорость переходного процесса. Неустойчивость вызвана «нулем правой полуплоскости» передаточной функции.
DCM и CCM сильно различаются с точки зрения функций передачи небольших сигналов.
Диаграмма формы сигналов первичного и вторичного тока DCM/CCM
Фактически, когда входное напряжение преобразователя VIN изменяется в большом диапазоне или ток нагрузки IL изменяется в большом диапазоне, это должно охватывать два режима работы. Поэтому для обратноходового преобразователя требуется DCM/CCM. Оба могут работать стабильно. Но спроектировать сложнее. Обычно мы можем использовать критическое состояние DCM/CCM в качестве основы для проектирования и использовать ШИМ для управления текущим режимом. Этот метод может эффективно решить различные проблемы в DCM, но во время CCM в цепи нет проблем, присущих нестабильности. Нестабильность, вызванная «нулевой точкой правой полуплоскости» передаточной функции в CCM, можно решить, отрегулировав коэффициент усиления контура управления, чтобы отделить полосу низких частот и уменьшить скорость переходного процесса.
В устойчивом состоянии изменение приращения магнитного потока ΔΦ при ton должно быть равно изменению при toff, иначе магнитопровод насыщается.
поэтому,
ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns
То есть значение вольт/секунда каждого витка первичной обмотки трансформатора должно быть равно значению вольт/секунда каждого витка вторичной обмотки.
Сравнивая формы сигналов тока DCM и CCM на рисунке 3, мы можем знать, что во время периода Trton в состоянии DCM вся форма волны передачи энергии имеет более высокий первичный пиковый ток. Это связано с тем, что значение первичной индуктивности Lp относительно невелико, что резко увеличивает Ip. Негативный эффект, вызываемый увеличением, заключается в увеличении потерь в обмотке (потери в обмотке) и пульсаций тока конденсатора входного фильтра, что требует, чтобы переключающий транзистор имел высокая допустимая нагрузка по току для безопасной работы.
В состоянии CCM пиковый ток первичной стороны мал, но переключающий кристалл имеет высокое значение тока коллектора в состоянии ton. Это приводит к высокому энергопотреблению переключающего кристалла. В то же время для достижения ККМ необходимо более высокое первичное напряжение трансформатора. Величина боковой индуктивности Lp и остаточная энергия, запасенная в сердечнике трансформатора, требуют, чтобы объем трансформатора был больше, чем у ДКМ, при равенстве остальных коэффициентов.
Подводя итог, можно сказать, что конструкция трансформаторов DCM и CCM в основном одинакова, за исключением определения пикового тока первичной стороны (Ip=Imax-Imin в CCM).
