Бердников Д. В.
Несимметричный полумостовой преобразователь с существенно сглаженным выходным током

Применение силовой электроники в электротехнике: Материалы докл. науч.-техн. семинара (Москва, 15-19 мая 2000 года). М.:МНТОРЭС им А.С.Попова, 2000, стр. 111.
Интернет версия - http://berdnikov.org/papers/08071505.html

При проектировании современных преобразователей постоянного напряжения (ППН) уменьшение габаритов, увеличение КПД, снижение себестоимости и улучшение потребительских характеристик достигается в настоящее время за счет применения новых схемотехнических решений, обеспечивающих уменьшение статических и динамических потерь в ключах, а также позволяющих минимизировать число магнитных и полупроводниковых компонентов и существенно повысить частоты преобразования.

Описываемая топология обеспечивает гальваническую развязку первичной и вторичной сторон ППН и рассчитана на применение при достаточно большом уровне входного напряжения (сотни вольт) и среднем уровне выходного напряжения (десятки вольт). Первое обстоятельство диктует применение на первичной стороне полумостовой схемы, а второе – использование на вторичной стороне структуры, аналогичной той, которая применяется в интегрированной схеме Кука [1]. Получение этой топологии можно представить как развитие схемы обратноходового преобразователя, на выходе которого включен дополнительный LC-фильтр: конденсатор, стоящий до LC-фильтра, переносится на дополнительную обмотку трансформатора, а дроссель фильтра интегрируется внутрь силового трансформатора. Такая интеграция сглаживающего дросселя и трансформатора достигается за счет особого расположения обмоток.

Благодаря применению этой интегрированной структуры, ток в выходной обмотке трансформатора оказывается существенно сглаженным, что в свою очередь практически сводит к нулю пульсации выходного напряжения. То обстоятельство, что в выходной обмотке трансформатора течет почти постоянный ток, позволяет применить для анализа этого ППН довольно простую модель. Основная особенность этой модели состоит в том, что ток в выходной обмотке считается постоянным и равным току нагрузки.

Для обеспечения переключения при нулевом напряжении (ПНН) ключей первичной стороны ППН (реализованных на МДП транзисторах), последовательно с выпрямительным диодом, включена небольшая индуктивность. Благодаря наличию этой индуктивности можно ограничиться включением в модель только индуктивности намагничивания силового трансформатора и пренебречь рассеянием. Это позволяет избежать экспериментальных измерений параметров силового трансформатора и существенно облегчить инженерный расчет схемы.

При расчетах по этой модели был применен метод разностных уравнений и метод усреднения. Метод разностных уравнений (как более точный) позволил получить максимальное совпадение экспериментальных и теоретических характеристик, а метод усреднения – получить конечные формулы, пригодные для синтеза и позволяющие оценить влияние параметров схемы на характеристики преобразователя.

Рассмотренная топология была реализована в виде стабилизированного ППН мощностью 200 Вт, с выходным напряжением 20 В, работающего в диапазоне входных напряжений 250-330 В. Частота преобразования – 500 кГц. В номинальном режиме (входное напряжение 280 В, ток нагрузки 10 А) КПД преобразователя составил 89%. Габариты устройства – 61 х 94 х 12,7 мм.

Литература
[1] Slobodan Cuk A new Zero – Ripple Switching DC-to-DC Converter and Integrated Magnetics, PESC’80, pp.12-32.

Слайды

© 2000, © 2008 Бердников Д.В.