Устройство и применение высокочастотного выпрямителя (стр. 2 из 3)
(5)где d(t) - коэффициент заполнения импульсов для силового ключа.
Поэтому
(6)Пульсации тока дросселя (потребляемого тока) в течение периода коммутации силового ключа (Ts) составляют
(7)Среднее значение относительно Ts тока дросселя равно
(8)В любой момент времени должно выполняться условие режима непрерывного тока в дросселе:
(9)Используя выражения (7) и (8), получим: d(t)<2L/Re·Ts
Тогда, подставив выражение для d{t) в (6), получим:
(10)Вывод основных соотношений для режима разрывного тока в дросселе.
Рассмотрим работу выпрямителя в режиме разрывного тока в дросселе, который имеет место, когда um(t) близко к нулю. На рис.3 представлена диаграмма тока дросселя в этом режиме.
Рис. 3 Диаграмма тока дросселя в режиме разрывного тока
Согласно равенству нулю вольт-секундного баланса напряжения на дросселе относительно периода Ts длительность интервала d2Ts составляет
(11)При этом необходимо учесть, что d1 = d. Максимальный ток дросселя определяется выражением
(12)Найдем средний (относительно Ts) ток дросселя. В течение каждого интервала времени его величина определяется выражениями
Среднее значение тока относительно периода Ts может быть представлено как
(13)определим регулировочную характеристику в режиме разрывного тока в дросселе. Согласно выражению (3), которое имеет место в любом режиме тока в дросселе,
(14)Так как Re={Um}Ts/{iL}Ts
(15)Подставив это выражение в (13), получим:
(16)Найдем условие, при котором происходит переход из режима непрерывного тока в режим разрывного тока. Подставив в условие (9) выражение для пульсаций тока (7) и регулировочную характеристику (16), получим:
С учетом того, что 1-{Um}Ts/U0=d и выражения (15) это условие можно записать в следующем виде:
(17)Анализ данного условия показывает, что переход из режима непрерывного тока в разрывный зависит только от d при неизменных параметрах схемы, таких как выходное напряжение и L.
Окончательная система выражений для регулировочной характеристики выпрямителя с ККМ имеет вид:
(18)Где
Аналогично можно получить систему выражений для коэффициента заполнения;
(19)График зависимости d от времени в течение полупериода сетевого напряжения представлен на рис. 4а. Зависимость условия от времени и график входного напряжения приведены на рис. 4б.
Рис. 4.а График зависимости d от времени
Рис. 4.б График входного напряжения
Режим разрывного тока характерен при входных напряжениях, близких к нулю. При этом коэффициент заполнения импульсов должен быть близок к единице.
Реализация алгоритма управления высокочастотным выпрямителем с ККМ без обратной связи.
Один из важных этапов проектирования высокочастотного выпрямителя - реализация алгоритма управления силовым ключом.
Согласно выражению (1) im(t)~Uвх(t), что соответствует {iL(t)}Ts~{Um(t)}Ts, где коэффициент пропорциональности - Re.
Если на выпрямитель не возлагается задача стабилизации выходного напряжения, то Re - постоянная величина. Тогда для реализации алгоритма управления (рис.5) необходимо сравнить ток дросселя и выпрямленное мостовым выпрямителем напряжение Um, умноженное на постоянный коэффициент Кv. Полученное таким образом напряжение ошибки Ue подается на ШИМ-контроллер. При этом в качестве информации о токе дросселя используется сигнал с датчика тока с сопротивлением Rs. Коэффициент Kv характеризует параметр Rе. Рассмотрим зависимость Re и Kv. Согласно (1), iL(t)=Um(t)/Re.
Так как Re=Um(t)/iL(t) и Uref(t)=Kvum(t),
Рис. 5 Схема реализации алгоритма управления выпрямителем без стабилизации выходного напряжения
в установившемся режиме сигнал ошибки близок к нулю, следовательно, Uref(t)= iL(t)Rs
Re=Rs/Kv (20)
Если учесть (3), то можно определить Kv (при номинальных значениях выходного тока и напряжения). Однако в данном алгоритме не учитывается изменение выходного напряжения. Изменение тока нагрузки в неявной форме учитывается током iL.
Реализация алгоритма управления высокочастотным выпрямителем с ККМ с обратной связью.
Для того, чтобы учитывать изменение выходного напряжения, необходимо ввести дополнительный сигнал исоп. Так как в формировании коэффициента заполнения участвует пилообразное напряжение и напряжение, пропорциональное модулю sin(ωt), то простое суммирование сигнала, характеризующего Re, неприемлемо. Стандартным решением этой проблемы является перемножение напряжения Um и сигнала, характеризующего изменяющееся Re. Схема реализации такого алгоритма представлена на рис.6.
Аналогично выражению (20) можно определить
(21)где Re(t)=U2вхrms/pn(t), а pn(t)-изменяющаяся мощность нагрузки.
Рис. 6 Схема реализации алгоритма управления высокочастотным выпрямителем с ККМ с обратной связью
Рис. 7 Функциональная схема выпрямителя с двумя контурами обратной связи
Алгоритм управления с умножителем и интегратором
В большинстве случаев требуется стабилизация выходного напряжения. Она необходима для выпрямителя как в составе системы распределённого питания, так и отдельного устройства. Для обеспечения стабилизации вводится второй контур обратной связи по выходному напряжению. Тогда в качестве сигнала Ucon выступает сигнал с усилителя ошибки по выходному напряжению. Функциональная схема выпрямителя с двумя контурами обратной связи показана на рис.7.
При данном алгоритме управления используется умножитель напряжения, что усложняет систему управления. Однако возможна и более простая реализация двухконтурной системы управления. Она основана на следующих соотношениях. Допустим, выпрямитель работает в режиме непрерывного тока, тогда, согласно (6),
где iвх - потребляемый ток.
Согласно (1), (1-d)U0sign(iвх)=Re·iвх
Если использовать датчик тока с сопротивлением Rs, то:
Для малых приращений можно заменить Uo на Ue - сигнал с усилителя ошибки:
(22)Такой алгоритм может быть легко реализован с помощью цифровых или аналоговых средств. Правая часть выражения получается с датчика тока, который может быть как резистивного типа, так и токовым трансформатором. Левая часть выражения получается путем интегрирования сигнала с усилителя ошибки по периоду коммутации для получения пилообразного напряжения Ue·t/Ts.
Другое достоинство данного алгоритма - отсутствие зависимости от входного напряжения. Схема реализации данного алгоритма управления приведена на рис.8.
Рис. 8 Схема реализации алгоритма управления с умножителем и интегратором
Анализ возможных вариантов однофазных корректоров коэффициента мощности показал, что наиболее предпочтительны два варианта цепи обратной связи: с умножением и интегрированием. Вариант управления с умножением обеспечивает простую реализацию двухконтурной системы управления и может быть создан на основе цифровых или аналоговых средств. Вариант управления с интегрированием допускает простую реализацию одноконтурной системы управления.
4. Пример высокочастотного выпрямителя 07/06/2004. Высоковольтные высокочастотные мостовые выпрямители из карбидокремниевых диодов Шоттки FBS10-06SC и FBS16-06SC фирмы IXYS.