Рис. 3.1

к увеличению параметров выходного сглаживающего фильтра.

Наличие сквозных токов наиболее характерно для нерегулируемых ТДК- В регулируемых ТДК в установившемся режиме существует задержка поступления управляющего сигнала для открывания мощного транзистора в смежный полупериод, обусловленная работой широтно-импульсного модулятора. Однако в переходном режиме и при максимальном токе нагрузки коэффициент заполнения импульсов конвертора стремится к единице. В этих режимах задержка открывания транзисторов отсутствует, что приводит к появлению сквозных токов.

Таким образом, в регулируемых ТДК для исключения протекания сквозных токов необходимо вводить фиксированную задержку подачи управляющего сигнала в начале каждого полупериода. Это приведет к ограничению максимального коэффи-управления, т. е. к некоторому суже-напряжения.

циента заполнения импульсов нию диапазона регулирования

В нерегулируемых ТДК наиболее простым и эффективным средством автоматической задержки открывания транзистора, несмотря на сигнал управления от задающего генератора (ЗГ), является введение дополнительной трансформаторной связи трансформатора со входом мощного транзистора через диод. В этом случае, пока не изменится полярность напряжения на выходной обмотке трансформатора, т. е. до момента окончания протекания тока коллектора, открывания очередного транзистора не произойдет.

На рис. 3.1 приведена схема полумостового нерегулируемого ТДК, в которой исключено протекание сквозных токов за счет введения дополнительных обмоток м»доп, размещенных на магнитопроводе трансформатора Т1. Если транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт, то на обмотках трансформаторов Т1 и Т2 появляются напряжения указанной на рис. 3.1 полярности. При смене полярности напряжения на выходных обмотках ЗГ (Т2) начинается процесс закрывания транзистора VT1, а VT2 не открывается до тех пор, пока напряжение на обмотке м»доп не уменьшится до такого уровня, при котором произойдет закрывание диода VD2. Только после этого начнет открываться транзистор VT2.

Данный способ устранения протекания сквозного тока применим только для ТДК, выполненных по схеме со средней точкой или полумостовой схеме. В мостовом нерегулируемом ТДК автоматическую задержку открывания транзисторов можно связать с моментом окончания обратного тока базы ранее открытого транзистора.

На рис. 3.2, а приведена схема мостового ТДК, в которой реализуется такой принцип автоматической задержки [41], а на рис. 3.2, б показаны временные диаграммы напряжений и токов. В базовые цепи мощных транзисторов включены трансформаторы тока Гт1, Гт2, со вторичных обмоток ш12, 22 которых сигнал поступает на формирователи импульсов управления ФИУ1, ФИУ2, имеющие в своем составе схему совпадения сигналов трансформатора тока и ЗГ.

Предположим, что мощные транзисторы VT1, УТЗ открыты сигналом управления а транзисторы VT2, VT4 закрыты сигналом wg. имеющим противоположную полярность. В момент изменяется полярность сигналов wj, г и по первичным обмоткам трансформатора тока Ti начинает протекать ток в обратном направлении. Это обеспечивает протекание во вторичной обмотке импульса тока ii2, длительность которого определяется максимальным временем расса-

сывания неосновных носителей базы одного из транзисторов, например VT1 (fpi). Этот импульс поступает в ФИУ1 и блокирует поступление управляющего сигнала на транзисторы VT2, VT4 на время задержки з. Сигнал блокировки снимается при уменьшении обратных токов баз /ц до нуля в момент окончания процесса закрывания транзистора VT1. Ток в нагрузке прерывается только с момента 2- когда заканчивается процесс закрывания VT4.

С момента /3 начнется процесс открывания транзисторов VT2, VT4. В момент ti происходит смена полярности сигналов управления «i, и начинается процесс закрывания VT2, VT4. Импульс тока {32 вторичной обмотки W22 трансформатора тока Гт2 блокирует на время закрывания р2 транзистора VT2 поступление управляющего сигнала % со схемы ФИУ2 на транзисторы VT1, УТЗ. Таким образом, введение датчиков тока (Tti- тг) Дало возможность использовать информацию о процессе рассасывания неосновных носителей в базах транзисторов для блокирования сигналов открывания ранее закрытых мощных транзисторов до полного закрывания ранее открытой пары транзисторов, что обеспечивает полное исключение протекания сквозных токов.

Для уменьшения динамических потерь при закрывании мощных транзисторов в ТДК применяют форсирующие цепи, сигнал на которые поступает с УУ. Целесообразно процесс форсированного закрывания мощных транзисторов совместить в одном устройстве с автоматической задержкой момента открывания ранее закрытых транзисторов.

Двухтактные конверторы на выходную мощность в сотни ватт между ЗГ и силовым инвертором имеют в своем составе предварительный усилитель, который кроме функций предварительного усиления сигнала управления может также выполнять функцию цепи форсированного закрывания мощных транзисторов с автоматической задержкой их открывания для устранения протекания сквозных токов.

На рис. 3.3. приведена схема нерегулируемого ТДК, силовой инвертор которого выполнен по схеме со средней точкой на транзисторах VTS, УТб и трансфор-

Рис. 3.2

маторе ТЗ [42]. Сигнал управления на мощные транзисторы VT5. VT6 поступает от ЗГ через предварительный усилитель, выполненный по мостовой схеме на транзисторах VTI - V74 с трансформаторным входом Т1 и выходом Т2. Кроме того, имеется обратная связь трансформатора 73 с транзисторами V73, УГ4 предварительного усилителя, осуществляемая при помощи обмоток W;,,, W32 и диодов VD1, VD2 для автоматической задержки открывания одного из мощных транзисторов на время закрывания другого. Непосредственная трансформаторная (wjj, W12) связь ЗГ с транзисторами VTS, УГб через диоды VD3, VD4 обеспечи,вает форсированное их закрывание.

Пусть транзисторы V72, УГ4 открыты сигналом указанной на схеме полярности, поступающим от ЗГ, а транзистор \ТЗ надежно закрыт отрицательным напряжением, поступающим с обмотки w,, трансформатора 73, и транзистор V75 также закрыт. При изменении полярности напряжения на вторичных обмотках 71 задающего генератора от напряжения отрицательной полярности обмотки Wj, трансформатора 71 начинает форсированно закрываться ранее открытый транзистор V75. Закрываются транзисторы V72, V74 и открывается V71, а V73. несмотря на наличие открывающего напряжения на его базе, остается закрыт напряжением обмотки Wn на время рассасывания неосновных носителей в базе транзистора V75. В течение этого времени первичная обмотка трансформатора 72 отсоединена от источника питания и со вторичной обмотки сигнал на открывание транзистора V76 не снимается. По окончании процесса закрывания транзистора V75 напряжения на обмотках трансформатора 73 становятся равным нулю и транзистор V73 под действием напряжения, снимаемого с обмотки 71 открывается, подключая первичную обмотку 72 к источнику питания.

Таким образом, в нерегулирующем ТДК осуществлены форсированное закрывание мощного транзистора и автоматическая задержка открывания другого транзистора для исключения протекания сквозного тока. Схема .может быть использована также для полумостового ТДК. применение же ее в мостовом ТДК связано со значительными сложностями (большое число трансформаторов).

3.2. СИММЕТРИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДВУХТАКТНЫХ КОНВЕРТОРОВ

При построении трасформаторных схем двухтактных конверторов, как правило, возникает несимметричный режим работы их трансформаторов, обусловленный неидентичностью параметров элементов плеч схемы (прежде всего неодинаковым временем закрывания мощных транзисторов, а также разным падением напряжения на них в прямом направлении). Это приводит к тому, что первичная обмотка трансформатора в смежные полупериоды подключена к разным напряжениям в течение неодинаковых промежутков времени. Несимметричный режим характеризуется подмагничиванием магнитопровода трансформатора питания постоянным током, в результате происходит одностороннее его насыщение. Следовательно, в этом случае трансформатор работает в двух режимах: в режиме перемагничивания магнитопровода, за время которого ток коллектора мощного транзистора будет примерно равен приведенному к первичной обмотке току нагрузки; в режиме насыщения, в котором рабочая точка на петле гистерезиса выходит на пологий участок, а напряжение на вторичной обмотке резко падает, энергия в нагрузку не передается и транзистор заходит в активную область.

Режим насыщения трансформатора характеризуется уменьшением КПД схемы ТДК и снижением ее надежности, поскольку создаются условия для вторичного пробоя в мощных транзисторах.

Для ТДК, работающих на частотах 10-50 кГц, наиболее опасен несиммет-ный режим работы трансформатора в случае применения материала с прямоугольной петлей гистерезиса, так как ток намагничивания в момент достижения магнитопроводом насыщения практически мгновенно \ пеличивается до предельного, в результате происходит отказ мощных транзисторов. Расчет показал, что постоянная составляющая напряженности поля подмагничивания при прочих равных условиях для частот 1 и 100 кГц составляет соответствент, 11,2и 328 А/м.

Подмагничивание магнитопровода наиболее характерно для конверторов, выполненных по схеме со средней точкой и по мостовой схеме. В полумостовой схеме конвертора при установившемся режиме работы отсутствует постоянная составляющая тока в конденсаторах емкостного делителя и, следовательно, нет постоянной составляющей тока в первичной (коллекторной) обмотке трансформатора. Однако трансформатор полумостового конвертора может насыщаться как при его запуске, так и при скачкообразном изменении тока нагрузки.

В процессе запуска конвертора управляющее напряжение на базы мощных транзисторов подается, как правило, с некоторой задержкой относительно коллекторного напряжения, обусловленной временем формирования управляющего напряжения. В этом случае конденсаторы емкостного делителя конвертора вначале заряжаются почти до амплитудного значения напряжения сети и к моменту запуска транзисторов напряжение на конденсаторах распределяется обратно пропорционально их емкости, допуск на которую у электролитических конденсаторов, например типа К50-24, составляет ±о % от номинального значения. В установившемся же режиме напряжения на конденсаторах обратно пропорциональны времени открытого состояния разряжающих их транзситоров и, следовательно, переходный процесс установления на конденсаторах делителя соответствующих напряжений будет сопровождаться протеканием постоянной составляющей тока через обмотку трансформатора.

Аналогичные процессы будут происходить и при резком изменении тока нагрузки, так как изменяется избыточность базового тока и, следовательно, за счет увеличения времени рассасывания избыточного заряда в базах мощных транзисторов меняется время их открытого состояния. Таким образом, полумостовую схему двухтактного конвертора нельзя считать защищенной от подмагничивания трансформатора постоянным током.

Уменьшить влияние этого подмагничивания на режим работы ТДК можно за счет использования материала магнитопровода с низким коэффициентом пря-

моугольности петли гистерезиса или вводом в магнитопровод воздушного зазора. Эти решения приводят к дополнительным потерям в силовых цепях ТДК-

В мостовой схеме ТДК для исключения протекания тока подмагничивания трансформатора последовательно с первичной обмоткой включают конденсатор [43], который заряжается до среднего значения разности напряжений первичной обмотки в смежные полупериоды. Для данного случая характерно повышение пульсаций выпрямленного напряжения.

На практике находят применение методы автоматического симметрирования режимов работы ТДК, одним из которых является компенсационный метод, используемый в регулируемых ТДК- Он заключается в изменении уровня несимметрии в смежных полупериодах и во введении соответствующей коррекции в длительность сигналов управления мощными транзисторами. Исходя из требований по перегрузкам мощных транзисторов данный метод симметрирования ТДК должен иметь возможность обнаружить наступающее насыщение магнитопровода трансформатора, когда увеличение тока коллектора транзистора еще значительно, и до момента насыщения магнитопровода откорректировать по-•длительности сигнал управления. Следовательно, одним из основных вопросов реализации данного метода является измерение несимметрии плеч ТДК с помощью датчика, в качестве которого, например, может быть использован магнитный пояс [44], расположенный на магнитопроводе трансформатора, или тран-трансформатор тока, включенный в каждое плечо инвертора либо в общую цепь питания. Применение магнитного пояса связано с усложнением конструкции трансформатора.

С помощью трансформатора тока можно измерить среднее за период значение токов мощных транзисторов за счет введения интегрирующей цепи и преобразовать полученную разность средних значений токов в сигнал, корректирующий длительность импульсов управления транзистора.ми [45]. В этом случае симметрирование длительности тактов (полупериодов) осуществляется только в установившемся режиме, так как наличие интегрирующей цепи не позволяет осуществить симметрирование в переходных режимах при включении схемы или резком изменении тока нагрузки.

Эффективным средством борьбы с подмагничиванием является введение в схему регулируемого ТДК обратной связи по мгновенному значению тока коллектора мощного транзистора. В этом случае при подмагничивании трансформатора намагничивающий ток начинает увеличиваться и при достижении последним порогового уровня /пор, широтно-импульсный модулятор форсированно закрывает мощные транзисторы до начала следующего полупериода.

На рис. 3.4, а приведена схема автоматического симметрирования ТДК по мгновенному току коллектора мощного транзистора, а на рис. 3.4, б - временные диаграммы напряжений [46]. Схема автоматической коррекции длительности работы мощных транзисторов VTJ, VT2 включает трансформатор тока Г., пороговое устройство ПУ, триггер VAJ с инверсным управлением, схему И VA2.

Отношение витков обмоток w[ и ш.2 трансформатора тока выбирается равным отношению витков обмоток и Шз трансформатора Т. Обмотки w[ и включены встречно, поэтому по обмотке Шд протекает ток, пропорциональный коллекторному току мощного транзистора, и при номинальном его значении (Ug на рис. 3.4, б) ПУ не срабатывает и на его выходе (и), а также на выходе триггера поддерживается единичное напряжение {и,}. Сигнал с ЗГ (%) через широтно-импульсный модулятор ШИМ («5) схему И (Ug) и формирователь сигнала управления ФСУ поступает на базы транзисторов VTI, VT2.

Если сигнал с в момент превышает пороговый уровень из-за уве-

личения тока транзистора, то срабатывает ПУ, опрокидывается триггер VAI и на его выходе появляется нулевое напряжение Ur,, которое препятствует прохождению ШИМ сигнала через схему И. Следовательно, с момента транзистор начинает закрываться и процесс намагничивания магнитопровода Т прекращается. Сигнал с Тт уменьшается, и в момент /2 Т1У возвращается в исходное состояние. Триггер VA1 в исходное состояние переводится в момент задним фронтом им-

Puc. 3.4

пульса sr. Поэтому к началу последующего полупериода схема возвращается в исходное состояние.

Устройство вступает в работу в самом начале процесса несимметричного намагничивания магнитопровода Т, препятствует его развитию и способствует восстановлению нормального режима. Однако, несмотря на запирающий сигнал устройства управления, во время зак закрывания транзистора продолжает увеличиваться коллекторный ток, который состоит из тока нагрузки 1н, приведенного к первичной обмотке трансформатора, и тока намагничивания

Как правило, ток в десятки раз меньше тока /н, поэтому при максимальном токе нагрузки Гцщах (рис. 3.5,а) ток при подмагничивании трансформатора увеличивается в 2-3 раза по сравнению с током при симметричном режиме. При срабатывании ПУ ток коллектора ij, продолжает \ величиваться в течение времени закрывания транзистора. При минимальном токе нагрузки min (рис. 3.5, б) ток увеличивается намного больше, чем в первом случае, а это означает, что магнитопровод оказывается в режиме более глубокого насыщения, скорость нарастания тока к концу управляющего импульса увеличивается и превышение током порогового уровня будет больше {iy ч< iyi)- Таким образом, процесс

симметрирования схем ТДК по мгновенному току коллектора зависит от тока нагрузки.

При использовании в трансформаторах магнитопроводов с прямоугольной петлей гистерезиса, которые подмагничиваются даже при питании от симметричного источника напряжения, средством защиты мощных транзисторов от перегрузок является введение в цепь питания токо-ограничивающего линейного дросселя.

Приращение тока коллектора Му

транзистора, когда трансформатор насыщен, определяется согласно выражению = EtneplL, где /дер - время действия перегрузки; L - индуктивность линейного дросселя. Однако потери в стали линейного дросселя достаточно велики, так как его перемагничивание происходит по пол-

Рис. 3.5