8) Широтно-импульсные преобразователи. Принцип работы, достоинства и недостатки.

ШИП — широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИП — высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

8.1.Процессы в транзисторных широтно-импульсных преобразователях 

Изменение величины напряжения потребителя посредством импульсного модулирования входного напряжения называют им­пульсным регулированием. Сущность его состоит в периодичес­ком дозировании потока энергии, передаваемого от источника питания потребителю и обратно. Регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять путем изменения параметров вы­ходных импульсов: их длительности τu и периода следования Т. Отсюда можно получить несколько способов импульсного регули­рования, а именно:

 1) широтно-импульсный, при котором τu = var, T=const;         

 2) частотно-импульсный, при котором τu=const ,T=var;

 3) широтно-частотный, при котором τu = var, T=var.

Чаще всего применяется широтно-импульсное регулирова­ние, при использовании которого достоинства импульсных мето­дов управления проявляются в наибольшей степени.

Выходные каскады широтно-импульсных преобразователей проще выполнять на полностью управляемых вентилях: транзис­торах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится с помощью управляющих импульсов.

При выходной мощности до нескольких десятков кило­ватт   в качестве ключей целесообразно применять транзисторы.

Основными достоинствами транзисторных импульсных преоб­разователей по сравнению с тиристорными являются высокая частота коммутации, позволяющая получать благоприятный спектр выходного напряжения и тока, и полная управляемость, приводящая к отсутствию узлов принудительной коммутации. Не­достатком является наличие коммутационных перенапряжений на транзисторах. Поэтому транзисторные импульсные преобразователи и применяют­ся в источниках вторичного электропитания для вычислительных машин, в системах связи, устройствах автоматики, а также в автоматизированных системах электропривода малой и средней мощности.

Классификация широтно-импульсных преобразователей.

Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) можно класси­фицировать по ряду признаков.

Как указывалось выше, ШИП можно различать в зависимости от типа используемых в силовой части полупроводниковых при­боров:

а) ШИП на полностью управляемых вентилях; 

б) ШИП на тиристорах.

Указанные ШИП разделяют на нереверсивные и реверсивные.

Нереверсивные ШИП преобразуют входное напряжение в импульсное постоянной амплитуды и полярности, но        различной длительности.

Реверсивные ШИП преобразуют входное напряжение или в переменное разной по полупериодам длительности, или в им­пульсное постоянной амплитуды, разной длительности и поляр­ности.

Нереверсивные ШИП в зависимости от места включения управляе­мого вентиля и дросселя фильтра подразделяют на три типа:

1)        понижающие ШИП, в которых управ­ляемый полупроводниковый прибор и дроссель фильтра   включены последовательно с нагрузкой;

2)        повышающие ШИП, в которых дрос­сель включается последовательно, а управляемый вентиль - па­раллельно нагрузке;

3)        инвертирующие ШИП, в   которых управляемый вентиль включен последовательно, а дроссель параллельно по отношению к нагрузке.

8.2 Широтно-импульсные преобразователи понижающего типа. 

Импульсный преобразователь понижающего типа, является преобразователем постоянного напряжения. Полупро­водниковые управляемые ключи, регулирующие процесс передачи электрической энергии от источника питания к нагрузке, ха­рактеризуются двумя состояниями: "замкнуто" и "разомкнуто".

На рис. 6.1,а приведен широко распространенный вариант импульсного преобразователя напряжения понижающего типа (ИПП-1) с диодно-транзисторным переключателем, схема заме­щения которого показана на рис.6.1,6.

Роль регулирующего элемента выполняет транзистор VT. В выходную цепь преобразователя входит нагрузка ZН активно-индуктивного характера и сглаживающий фильтр, в общем случае содержащий дроссель  Lф   и конденсатор  Сф .

Диод VD, включенный в обратном направлении относитель­но напряжения выходной цепи, является необходимым элементом схемы и предназначен для создания в ней контура протекания тока нагрузки при размыкании управляющего ключа.

На интервале включенного ключа SW1 (pис.6.I,в) напряже­ние питания Ud подключается к сглаживающему фильтру и вы­ходное напряжение   Uн=Ud .

Обратный диод VD закрыт и через нагрузку протекает ток iН от источника питания. Ток будет достигать максималь­ного значения в момент размыкания ключа SW1  (рис.6.1,г).

Рис.6.1. Импульсный преобразователь понижающего типа с диодно-транзисторным переключателем.

Далее, напряжение на дросселе изменяет полярность, ток через нагрузку начинает уменьшаться и протекать по контуру через обратный диод, UH = 0.

После замыкания ключа SW2. возможны различные режимы работы схемы, определяемые характером изменения тока.

В конце интервала приложения напряжения ток iH может быть положительным или равным нулю. Первый случай получил название режима непрерыв­ного тока, его временные диаграммы приведены на рис. 6.2. Ука­занный режим возникает, если в конце интервала дискретности сохраняется часть энергии, накопленной реактивными элемента­ми: дросселем Lф и индуктивностью нагрузки LH.

Рис.6.2. Временные диаграммы напряжения и токов понижающего преобразователя в режиме непрерывно­го тока

            Если же запасаемая энергия равна нулю, то возникает вто­рой случай, называемый режимом прерывистого тока (риc.6.3).

Рис.6.3. Временные диаграммы напряжения ж токов по­нижающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Характер изменения тока в нагрузке в значительной степе­ни определяет вид количественных, соотношений, описывающих схемы импульсных преобразователей напряжения.

Следует отметить, что режим непрерывного тока при по­вышенной мощности нагрузки и широком диапазоне ее изменения по сравнению с режимом прерывистого тока обеспечивает преоб­разователям определенные положительные свойства.

Среднее значение напряжения на нагрузке равно:

где      γ = τи/T коэффициент заполнения импульсов; τи  - длительность импульсов;    Т   - период коммутации;   Ud - на­пряжение источника.

Таким образом, изменяя величину коэффициента заполне­ния, можно получать на выходе широтно-импульсного преобразователя различные значения среднего напряжения на нагрузке, которое для преобразователей понижающего типа меньше напря­жения   источника питания.

Мгновенные значения тока нагрузки во время импульса и паузы могут быть получены различными способами, например, из решения дифференциальных уравнений, описывающих электро­магнитные процессы в преобразователе.

В режиме непрерывного тока указанные уравнения имеют вид при условии, что внутреннее сопротивление источника пи­тания и активное сопротивление дросселя стремятся к нулю

где L - суммарная индуктивность фильтра и нагрузки; RH -активное сопротивление цепи     нагрузки.

Решение для тока нагрузки имеет вид:

постоянная времени цепи нагрузки.

Максимальное и минимальное значения тока нагрузки (тока через транзистор и обратный диод) можно найти из выраже­ния (5.1) для моментов     t=0 и t = tи :

Амплитуда пульсаций тока нагрузки

(5.2)

Из выражения (2.2) следует, что амплитуда     максимальна при    γ = 0,5.

Среднее значение тока нагрузки

определяется средним значением напряжения и     сопротивлением нагрузки.

В режиме прерывистого тока амплитуда размаха   пульсаций тока зависит от его максимального значения:

8.3 Импульсный преобразователь постоянного напряжения повышающего типа.

На рис.6.4,а приведена простейшая силовая схема повы­шающего импульсного преобразователя постоянного напряжения с параллельным включением транзистора и нагрузки и последова­тельным по отношению к ним включением дросселя Iф, Схема замещения такого преобразователя показана на рис.6.4,б.

При открытом состоянии транзистора VT дроссель Lф под­ключен к источнику электрической энергии, диод VD закрыт, на­грузка от источника отключена и конденсатор поддерживает уро­вень выходного напряжения.

На указанном интервале времени ток iL через дроссель увеличивается до максимального значения (рис.6.4,в). При за­пирании транзистора, т.е. при размыкании ключа SW1 и замыкании SW2 (рис.6.4,г), энергия, накопленная в дросселе на первом интервале, поступает на выход схемы в RC-цепь. При этом ток дросселя Lф уменьшается по линейному закону, до­стигая в конце интервала своего минимального значения. Если преобразователь работает в режиме непрерывного тока (рис.6.5), то максимальное и минимальное значения тока дросселя, тран­зистора и диода определяются следующими выражениями:

Рис.6.4. Импульсный преобразователь напряжения повышающего типа

Рис.6.5. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме непрерывного тока

Амплитуда пульсаций тока дросселя

Среднее значение тока нагрузки будет определяться   то­ком дросселя на втором участке периода коммутации

где Тэ=Lф/Rэ;  t0 – момент запирания транзистора

Если принять допущения, что пульсации входного и выход­ного токов, а также напряжения питания отсутствуют, можно получить из выражения (2.3) уравнения внешней характеристи­ки:  

где RВH  - внутреннее сопротивление источника литания; Е - ЭДС источника.

При увеличении сопротивления нагрузки ток IL уменьшает­ся быстрее и может наступить режим прерывистых токов дроссе­ля (рис.6.6).

Рис.6.6. Временные диаграммы токов и напряжений повышающего преобразователя в режиме прерывис­того тока.

Если в режиме непрерывного тока за счет увеличения ин­дуктивности размах пульсаций можно сделать сколь угодно ма­лым, то в режиме прерывистого' тока

8.4 Инвертирующий широтно-импульсный преобразователь.

В инвертирующем ШИП (рис. 6,7,а, б) дроссель фильтра включен параллельно, а мощный транзистор -   последовательно по отношению к нагрузке.

При открытом состоянии силового транзистора VT диод VD закрыт под действием сумм напряжений источника питания и нагрузки, приложенных к нему в обратном направлении, вслед­ствие чего, нагрузка от источника электроэнергии отключена (рис.6,7,.в). При этом параллельно источнику подклинен дрос­сель   Lф, в котором происходит накопление энергии.

В момент закрывания транзистора VT энергия, накоплен­ная в дросселе, поступает в конденсатор Сф и нагрузку через открывшийся диод (рис.2.7,г), а полярность выходного напря­жения преобразователя будет противоположной полярности пи­тающего напряжения. Временные диаграммы токов и напряжения для режима непрерывного тока дросселя приведены на рис.6.8.

Для режима непрерывного тока учитываем, что при откры­том состоянии транзистора к дросселю приложено напряжение питании   Ud , а при закрытом - UH.

Максимальное и минимальное значения тока дросселя, тран­зистора и диода:

Рис.6.7. Инвертирующий преобразователь постоянного напряжения

Рис.6.9. Временные диаграммы токов и напряжений ин­вертирующего преобразователя в режиме прерывистого тока.

Граница между режимами непрерывного и прерывистого   то­ков может быть определена неравенством:

где γVT относительная продолжительность открытого со­стояния транзистора   VT.

При выполнении указанного неравенства имеет место ре­жим непрерывного тока.

Инвертирующий ШИП, как и повышающий преобразователь, позволяет получать выходное напряжение выше напряжения   ис­точника питания.

В отечественной литературе встречаются и другие назва­ния ШИП с последовательным включением ключа и параллельным включением дросселя. Например, такие преобразователи называют реверсирующими.

Необходимо отметить, что повышающий и инвертирующий пре­образователи характеризуются худшим использованием элементов фильтра, значительно большими габаритами и массой, большим внутренним сопротивлением, худшим использованием по току ре­гулирующего транзистора и диода по сравнению с понижающим преобразователем.

8.5 Реверсивный широтно-импульсный преобразователь 

В приведенных схемах преобразователей напряжение на вы­ходе имеет один знак. Для получения переменного напряжения применяются реверсивные преобразователи. Наиболее распростра­ненной из них является схема, построенная на основе понижаю­щего преобразователя. Для пояснения ее работы вначале рас­смотрим модификацию схемы понижающего преобразователя, по­казанную на рис.6.10,а. При включении транзисторов образует­ся такой же контур (рис.2.10,б), как в понижающем преобразо­вателе, и на участке

0 < t < γT ток возрастает. При выклю­чении обоих транзисторов за счет ЭДС дросселя включаются ди­оды и образуется контур (рис.2.10, в), в который, в отличие от контура с проводящим диодом понижающего преобразователя, вхо­дит источник Ud, подключенный к нагрузке с противоположной полярностью. В результате на участке γT < t < T напряжение на нагрузке отрицательно, а ток уменьшается быстрее. Источник напряжения должен допускать протекание обратного тока через него, обычно это осуществляется включением конденсатора С, параллельно источнику напряжения, как показано пунктиром на рис.6.10,а.

Если к моменту очередного включения транзисторов ток не успевает уменьшаться до нуля, то он имеет непрерывный харак­тер, как показано на рис.2.II,а. Такой режим именуется не­прерывным, в этом режиме включены или транзисторы, или ди­оды. Если ток уменьшится до нуля раньше момента включения транзисторов, то происходит выключение диодов и в кривых то­ка и напряжения появляется участок с нулевым значением (рис.6.11,б), где все вентили выключены. Такой режим имену­ется прерывистым.

Среднее значение напряжения на нагрузке UH  равно:

Рис.6.10. ШИП понижающего типа с форсированным спадом тока:

 а - схема преобразователя;  б -контур протекания тока при замкнутых тиристо­рах;

в - контур для протекания тока при замк­нутых диодах.

Рис.6.II. Временные диаграммы процессов в схеме преобразователя:

а - при непрерывном токе на­грузки; 6 - при прерывистом токе   нагрузки.

Рис.6.12. Схема реверсивного ШИП.

Рис.6.13. Временные диаграммы процессов в схеме реверсивного преобразователя

            Хотя выходное напряжение в этой схеме может принимать отрицательные значения, но VH  и так не могут быть отрицательными, поэтому данную схему нельзя использовать в качестве реверсивного преобразователя. Объединяя две подобные схемы, получим реверсивный преобразователь, показанный на рис. 6.12, диаграмма его работы приведена на рис. 6.13, где элементы схемы, проводящей ток на каждом интервале времени отмечены их позиционными обозначениями.

            Диаграмма на рис. 6.13 соответствуют случаю симметричного управления, когда на оба диагональных транзисторах подаются одинаковые сигналы. Применяя несимметричное уравнение, например, оставляя закрытыми транзисторы VT3 и VT4 и открытым транзистор VТ2, можно получить однополярное напряжение.