Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 1

Как известно, существует всего два электромагнитных прибора, с помощью которых параметры электрической энергии можно преобразовать с максимально возможной эффективностью: дроссель и трансформатор. С технологической точки зрения они практически одинаковы и отличаются только режимом работы: трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал».

В [1] было показано, что при одной и той же преобразуемой мощности и рабочей частоте габаритные размеры трансформатора могут быть до восьми раз меньше чем у дросселя. Однако использование трансформатора приводит к усложнению схемы и проблемам при регулировке выходного напряжения, поэтому маломощные (до 150…200 Вт) преобразователи обычно строятся по схемам на основе дросселя, а мощные…

А с мощными преобразователями будем разбираться в этой статье, которая подводит итог первой части цикла об импульсном преобразовании электрической энергии, посвященного особенностям схемотехники их силовой части. Как обычно, читателю рекомендуется предварительно ознакомиться с уже опубликованными в журнале и на сайте РадиоЛоцман материалами [1 – 8], а для более глубокого понимания сути происходящих процессов – с более «тяжелыми» статьями в научных журналах [9 – 11].

Структурная схема преобразователя на основе трансформатора

Итак, изучив [1 – 7], попробуем синтезировать мощный преобразователь, основным элементом которого является трансформатор. Согласно формулам, полученным в [1], габариты трансформатора зависят от его рабочей частоты. Поскольку частота напряжения на входе и выходе преобразователей невелика (50...400 Гц), а то и вовсе равна нулю (для DC/DC преобразователей), для того чтобы трансформатор работал на высокой частоте, необходимы два дополнительных узла: модулятор и демодулятор. Модулятор преобразует входное низкочастотное напряжение в напряжение высокой частоты, амплитуда которого пропорциональна напряжению на входе, а демодулятор выполняет обратную функцию (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Структурная схема преобразователя на основе трансформатора.

Предвидя возможную (и обоснованную) критику со стороны читателей, уже знакомых со схемотехникой мощных преобразователей, сразу обращаю внимание, что в DC/DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы в свое время назвали, соответственно, «инвертор» и «выпрямитель», поскольку они действительно преобразовывали постоянный ток в переменный и наоборот. Однако импульсным способом можно изменять величину не только постоянного, но и переменного напряжения [8], поэтому соответствующие узлы AC/AC преобразователей, у которых на входе и выходе присутствует переменного напряжение, уже как-то технически некорректно называть инверторами или выпрямителями.

Итак, преобразователь на Рисунке 1 позволяет изменить величину напряжения на входе только на какую-то конкретную величину, однако его еще нужно как-то регулировать, ведь входное напряжение и ток нагрузки практически никогда не бывают стабильными. Можно, конечно, использовать трансформатор с отпайками (Рисунок 2), но такая схема со ступенчатой регулировкой вряд ли удовлетворит требования к качеству выходного напряжения, необходимые в большинстве приложений, да и сложность такой схемы намного больше, чем у известных решений.

Рисунок 2.	Схема преобразователя с дискретной регулировкой выходного напряжения.

Из опыта построения «классических» выпрямителей на основе низкочастотных трансформаторов известно, что для точной регулировки выходного напряжения используют специальный узел – стабилизатор, устанавливаемый на выходе устройства (Рисунок 3). Именно такой принцип – двукратного преобразования напряжения (энергии) – и используется при построении мощных импульсных преобразователей: вначале система модулятор-трансформатор-демодулятор преобразовывает входное напряжение до некоторого промежуточного нестабилизированного уровня, а затем стабилизатор изменяет его до требуемого значения с необходимой точностью.

Рисунок 3.	Структурная схема стабилизированного преобразователя на основе трансформатора.

Способы реализации преобразователя на основе трансформатора

Но какую схему использовать для построения стабилизатора? Использование «классических» компенсационных стабилизаторов, например 78хх/79хх, обладающих большими габаритами из-за наличия радиатора и низким КПД, сведет к нулю весь выигрыш от использования трансформатора. LDO-стабилизаторы, являющиеся разновидностью компенсационных схем, эффективны только при небольшой разнице между входным и выходным напряжением; при ее увеличении их КПД также стремительно падает. Да и большинство компенсационных схем рассчитано на использование в схемах постоянного тока и поддерживают только режим передачи [3]. Но ведь иногда необходимо преобразовать переменное напряжение или работать на нагрузку реактивного характера [3, 8].

Но почему стабилизатор обязательно должен быть компенсационным? Обратите внимание, что этот узел тоже является преобразователем напряжения, а это значит, что для его построения, теоретически, можно использовать любую из схем на основе как дросселя, так и трансформатора. Однако преобразователь на основе трансформатора в устройстве уже есть, и мы как раз пытаемся компенсировать его недостатки, поэтому остаются «дроссельные» схемы, способные в силу своего принципа работы [2, 3] плавно изменять в широких пределах коэффициент передачи, что полностью компенсирует недостаток плохо регулируемых «трансформаторных» схем.

В [2] показано, что «базовой» схемой для «дроссельных» преобразователей является обратноходовая. Но в ней через магнитопровод дросселя передается вся мощность нагрузки, а это означает, что в устройстве все равно остается дроссель, габариты которого будут как минимум в 8 раз больше трансформатора. А поскольку обратноходовая схема обеспечивает гальваническую развязку и за счет изменения коэффициента трансформации дросселя [4] может работать при любом соотношении напряжений на входе и выходе, то использование трансформатора вместе с сопутствующими узлами (модулятором и демодулятором) при построении стабилизатора по обратноходовой схеме становится полностью бессмысленным.

Но есть еще три схемы «дроссельных» преобразователей, которые можно получить, соединив определенным образом вход и выход обратноходового импульсного регулятора [2] c входом и выходом преобразователя: понижающая, повышающая и инвертирующая. Инвертирующую схему можно сразу исключить, поскольку она по своим характеристикам мало чем отличается от обратноходовой, а вот на понижающую и повышающую следует обратить внимание, ведь их главный недостаток – отсутствие гальванической развязки – устраняется наличием трансформатора.

Рисунок 4.	Зависимость величины относительной преобразуемой мощности от соотношения напряжений на входе и выходе «дроссельных» преобразователей.

В [2] было показано, что при соединении входа или выхода импульсного регулятора последовательно с входом и выходом преобразователя величина преобразуемой мощности Р_ИР(мощности, проходящей через магнитное поле магнитопровода дросселя) зависит от соотношения напряжений на входе и выходе U_ВХ и выходе U_ВЫХ преобразователя (Рисунок 4). Таким образом, если нам необходимо уменьшить (увеличить) напряжение только на 10%, то при использовании понижающей (повышающей) схемы необходим дроссель с размерами в 10 раз меньшими, чем у дросселя обратноходового преобразователя (при условии, что магнитопроводы дросселей будут выполнены из одного и того же материала и работать в одинаковых режимах [6]). В этом случае размеры дросселя уже становится соизмеримыми с размерами трансформатора, работающего на той же частоте. Но какую схему использовать для построения стабилизатора: понижающую или повышающую?

Рисунок 5.	Схемы преобразователей на основе трансформатора с импульсными стабилизаторами понижающего (вверху) и повышающего (внизу) типов.

На первый взгляд оба варианта (Рисунок 5) идентичны. В общем случае в этих схемах трансформатор и стабилизатор могут работать в асинхронном режиме на разных частотах и быть совершенно независимыми узлами. Даже если трансформатор и дроссель стабилизатора будут работать синхронно на одной частоте, использование такого подхода уже даст неплохой выигрыш в габаритах индуктивных элементов по сравнению с дросселем «базовой» обратноходовой схемы: трансформатор будет меньше в 8 раз, а дроссель – в 5…10 раз (при использовании оптимальных режимов работы магнитопровода [6]). Это в итоге позволит уменьшить общую массу и габариты индуктивных элементов такого устройства как минимум вдвое. Однако сложность такой схемы теперь становится очень высокой – только наличие двух контроллеров, даже работающих в синхронном режиме, уже может создать множество проблем для разработчика, ну а наличие шести силовых ключей приведет к уменьшению КПД и увеличению, за счет дополнительных радиаторов, габаритов и стоимости преобразователя.

Список источников