Полумостовой преобразователь

 

На выходе данного выпрямителя  получается выпрямленное линейное напряжение. Так как выходе напряжение источника  присутствует фильтр, следовательно, после  выпрямителя достаточно поставить фильтровой конденсатор . В данной схеме максимальное напряжение на запертых диодах будет равно максимальному линейному напряжению сети.

 

4.2 Выбор схемы инвертора, выходного выпрямителя и фильтра

Инвертор выпрямленного напряжения организован по полумостовой схеме (VT1, VT2, C1, C2). Переменное напряжение с выхода инвертора поступает на повышающий трансформатор. Далее на выпрямитель, организованный с помощью диодов VD1, VD2 и LC-фильтр. Схема силовой части инвертора, выходного выпрямителя и фильтра (полумостового преобразователя) показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2 – Схема полумостового  преобразователя напряжения

 

Поясним работу данной схемы  с помощью диаграмм приведенных  на рис. 4.3. На конденсаторах  присутствует напряжение равное половине входного , поступающего на схему преобразователя с выпрямителя. В момент времени, когда на затвор первого транзистора поступает отпирающий сигнал конденсатор подключается параллельно к первичной обмотки трансформатора с полярностью – плюс на точке. При этом на коллекторе запертого транзистора присутствует напряжение равное входному напряжению преобразователя. Напряжение с конденсатора  трансформируется во вторичные обмотки и является отпирающим для диода и запирающим для диода . При этом запертый диод подключатся параллельно вторичным обмоткам, таким образом, напряжение на нем равно входному напряжению преобразователя, умноженному на коэффициент трансформации - . Так как диод открыт, следовательно, на напряжение на дросселе равно , с полярностью – плюс слева. При такой полярности ток дросселя начинает нарастать по линейному закону - , протекая по цепи .

 

 

Рис. 4.3 – Диаграммы работы полумостового преобразователя

В момент времени, когда  отпирающий импульс первого транзистора заканчивается - оба транзистора оказываются в запертом состоянии. При этом напряжение на каждом из них равно , как показано на диаграмме. Так как ток дросселя не может изменяться скачком, следовательно он будет замыкаться по двум направлениям - и , тем самым, поддерживая оба диода выпрямителя в открытом состоянии. В этот момент времени к дросселю приложено выходное напряжение с полярностью – плюс справа. Ток дросселя будет спадать по закону - . Ввиду идентичности параметров элементов схемы, токи протекающие по вторичным обмоткам трансформатора будут равно, но направлены встречно, компенсируя друг друга. Таким образом, ток первичной обмотки будет равен нулю. Токи, протекающие в этот момент по диодам , будут равны половине тока дросселя (рис. 4.3). 

В момент времени, когда  на затвор второго транзистора поступает  отпирающий сигнал конденсатор  подключается параллельно к первичной обмотки трансформатора с полярностью – минус на точке. Напряжение с конденсатора  трансформируется во вторичные обмотки и является отпирающим для диода и запирающим для диода . Так как диод открыт, следовательно, на напряжение на дросселе равно , с полярностью – плюс слева. При такой полярности ток дросселя начинает нарастать по линейному закону - , протекая по цепи . Далее процессы повторяются.

Так как средний ток  конденсатора равен нулю в установившемся режиме, следовательно, ток нагрузки будет равен среднему току дросселя. Токи транзисторов буду по форме повторять нарастающие части тока дросселя, умноженные на коэффициент трансформации.

 

3. Выбор схем обратной связи и широтно-импульсной модуляции

Рис. 4.4 – Цепь обратной связи и  ШИМ-контроллер

 

Сигнал обратной связи организуется с помощью микросхемы аналогового контроллера UC39432. Данная микросхема формирует на выходе ток пропорциональный изменению выходному напряжению. Данный ток протекает через светодиод микросхемы транзисторного оптрона. Таким образом, при изменении выходного напряжения будет меняться проводимость транзистора оптопары, а следовательно, и напряжение поступающее на инвертирующий вход усилителя ошибки микросхемы ШИМ-контроллера – UC3825. В соответствии с сигналом обратной связи микросхема ШИМ-контроллера будет регулировать длительность управляющих импульсов, поступающих на силовые транзисторы полумостового преобразователя. Транзисторная оптопара также обеспечивает гальваническую развязку силовой части преобразователя от схемы управления.

Питание микросхемы аналогового  контроллера формируется параметрическим стабилизатором . Напряжение питания ШИМ-контроллера организованно с помощью вспомогательного источника питания, описанного ниже.

4. Схема формирователя импульсов

Рис. 4.5 – Схема формирователя импульсов

 

Формирователь импульсов  организован на микросхеме драйвера IR2213. Данный драйвер является двухканальным, следовательно, для управления полумостовым преобразователем достаточно одной  микросхемы драйвера. Для обеспечения  гальванической развязки схемы преобразователя от ШИМ-контроллера импульсы управления подаются на схему драйвера через транзисторные оптопары. Питание микросхемы драйвера также осуществляется от отдельного источника. Для управления транзисторами в схеме формирователя предусмотрена бустерная цепь, организованная на элементах .

 

4.5 Выбор схемы вспомогательного источника питания

Вспомогательный источник питания спроектирован на базе микросхем  линейных стабилизаторов напряжения . На выходах ВИПа формируется два гальванически развязанных напряжения по +15В – на драйвер формирователя импульсов и на ШИМ-контроллер. Схема ВИПа приведена на рис. 4.6.

 

Рис. 4.6 – Вспомогательный источника питания.

 

В данном случае можно  применять трансформатор, работающий на частоте сетевого напряжения (50Гц). Размеры данного трансформатора будут невелики, ввиду маленькой выходной мощности.

 

5. Расчет принципиальной схемы

 

1. Расчет полумостового преобразователя.

 

Рис. 5.1 – Схема полумостового  преобразователя напряжения

 

 

На вход схемы поступает  напряжение с трехфазного выпрямителя. Так как выпрямитель представляет собой мостовую схему с емкостным  фильтром, то можно определить диапазон входных напряжений, для полумостовой схемы:

Напряжение на конденсаторах равно половине напряжения поступающего на схему полумоста:

.

Оценим величину коэффициента трансформации:

.

Так как на LC-фильтр поступает  импульсное напряжение с частотой вдвое большей, чем частота работы транзисторов полумоста, следовательно, выходное напряжение будет определяться как среднее значение импульсного напряжения, поступающего на фильтр. Отсюда следует, что коэффициент трансформации необходимо задавать больше, чем было рассчитано выше (для учета коэффициента заполнения). Примем .

Рассчитаем диапазон необходимых коэффициентов заполнения импульсов напряжения во вторичной  обмотке трансформатора TV1, приняв падение  напряжения на открытых диодах равным :

;

;

.

Расчет элементов LC- фильтра.

Для уменьшения пульсаций  выходного напряжения и импульсного  значения токов диодов необходимо чтобы LC-фильтр работал в режиме непрерывного тока дросселя. В критическом режиме за время действия импульса напряжения ток дросселя нарастает с нулевого значения и спадает до нуля за время паузы (рис. 2).

Рис. 5.2 – Диаграмма тока дросселя в критическом режиме

 

Так как, средний ток конденсатора в установившемся режиме равен 0, следовательно, ток нагрузки равен среднему току дросселя. Таким образом, в критическом режиме ток нагрузке равен половине максимума тока дросселя.

За время действия импульса напряжения ток дросселя меняется по линейному закону:

.

Наибольшее значение тока индуктивности будет при  максимальном входном напряжении:

,

где - частота импульсного напряжения, поступающего на LC- фильтр, равная двойной частоте работы транзисторов полумоста. Примем частоту работы транзисторов равной 50кГц. Тогда .

Критическую величину индуктивности  фильтра можно определить приняв .

.

Для обеспечения режима непрерывного тока дросселя необходимо выбирать значение индуктивности больше . Примем .

Расчет дросселя:

Приведем диаграмму  тока дросселя в непрерывном режиме:

Рис. 5.3 – Диаграмма тока дросселя.

 

Определим :

;

;

.

Действующее значение тока дросселя:

.

Рассчитываемый дроссель работает на частоте 100кГц, поэтому  в качестве материала для сердечника выберем феррит 2000НМ.

1). Находим произведение 

2). Из справочника [6] выберем необходимый магнитопровод.

ПЛМ 25-40-46

  

Размеры, мм						Lср, cм	Sок*Sст, см^4	Gст, г	Sок, См^2
A,мм	B,мм	H,мм	C,мм	C	H
25	40	46	24	47	96	21.85	110.4	167	11.04

 

3). Рассчитаем число витков.

4). Определим диаметр  и площадь поперечного сечения  обмоточного провода.

.

Из справочника [7] выберем обмоточный провод - ПСД.

Номинальный диаметр  жилы –  3.5 мм.

 

5). Проверка коэффициента заполнения окна.

 

.

6). Рассчитаем величину  зазора.

 

               mо=        

 

7). Рассчитаем величину  потерь в дросселе.

 

 

 

_.

Полученный коэффициент  заполнения окна удовлетворяет требованиям.

Величина емкости фильтрового  конденсатора определяется соотношением:

,

где - разброс выходного напряжения, 40В. Отсюда получаем

.

Из справочника [5] выбираем конденсатор: К52-5-600В-6.8мкФ±10%, два последовательно соединенных. Таким образом, суммарная емкость получатся – 3.4мкФ.

Выбор диодов выпрямителя  VD1, VD2.

Приведем диаграммы  токов и напряжений на диодах:

Рис. 5.4 – Диаграммы токов и  напряжений на диодах VD1, VD2.

 

Из диаграмм видно, что  максимальное напряжение на диодах достигает значения . Определим параметры для выбора диодов выпрямителя. Действующий ток диода:

.

Таким образом, определим  ток диода с учетом коэффициента запаса 1.25:

.

Максимальное обратное напряжение прикладываемее к диодам:

;

Частота работы диодов:

.

Из приведенных параметров видно, что в каждом плече выпрямителя  необходимо применять два последовательно  соединенных диода, так как напряжение на закрытом диоде достаточно высоко. Выберем диоды [8] компании SEMICRON – SKKE60F. Параметры данных диодов приведены в приложении.

Таким образом, схема  примет следующий вид:

Рис. 5.5 – Схема полумостового  преобразователя напряжения

Расчет температуры  нагрева вентиля

1) Мощность потерь , образующихся в полупроводниковой структуре.

Где - пороговое напряжение (напряжение отсечки), В;

- динамическое (дифференциальное) сопротивление прямой вольт-амперной  характеристики вентиля в открытом  состоянии , Ом ;