Однотактный обратноходовый преобразователь. Двухтактный инвертор (31 и 32 в месте)

Преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в одном цикле перемагничивания трансформатора, называются однотактными.

Преобразователи, обеспечивающие передачу энергии в обоих циклах перемагничивания трансформатора, называются двухтактными.

Однотактные преобразователи получили наибольшее распространение в дешевых и маломощных инверторных сварочных источниках, рассчитанных на работу от однофазной сети. В условиях резко переменной нагрузки, каковой является сварочная дуга, однотактные преобразователи выгодно отличаются от различных двухтактных преобразователей тем, что не требует симметрирования и не подвержены такой болезни, как сквозные токи.

Следовательно, для управления этим преобразователем, требуется более простая схема управления, по сравнению с той, которая потребуется для двухтактного преобразователя.

По способу передачи энергии в нагрузку однотактные преобразователи делятся на две группы: прямоходовые и обратноходовые (рис. 1.2).

В прямоходовых преобразователях энергия в нагрузку передается в момент замкнутого состояния, а в обратноходовых преобразователях — в момент разомкнутого состояния ключевого транзистора VT.

При этом в обратноходовом преобразователе энергия запасается в индуктивности трансформатора Т во время замкнутого состояния ключа, и ток ключа имеет форму треугольника с нарастающим фронтом и крутым срезом.

При выборе типа преобразователя ИСИ между прямоходовым и обратноходовым, предпочтение следует отдавать прямоходовому однотактному преобразователю.

Рис. 1.2. Типы однотактного преобразователя и соответствующие им формы тока ключа: а—обратноходовой преобразователь; б—прямоходовой преобразователь

Не смотря на его большую сложность, прямоходовой преобразователь, в отличие от обратноходового, имеет большую удельную мощность. Это объясняется тем, что в обратноходовом преобразователе через ключевой транзистор протекает ток треугольной формы, а в прямоходовом — прямоугольной.

Следовательно, при одном и том же максимальном токе ключа среднее значение тока у прямоходового преобразователя получается в два раза выше. Основными достоинствами обратноходового преобразователя является:

- отсутствие дросселя в выпрямителе;

- возможность групповой стабилизации нескольких напряжений.

Эти достоинства обеспечивают преимущество обратноходовым преобразователям в различных маломощных применениях, каковыми являются:

- источники питания различной бытовой теле- и радиоаппаратуры;

- служебные источники питания цепей управления самих сварочных источников.

Трансформатор однотранзисторного прямоходового преобразователя (ОПП) на рис.1.2, б, имеет специальную размагничивающую обмотку III, Эта обмотка служит для размагничивания сердечника трансформатора Т, который намагничивается во время замкнутого состояния транзистора VT.

В это время напряжение на обмотке III прикладывается к диоду VD3 в запирающей полярности. Благодаря этому размагничивающая обмотка не оказывает никакого влияния на процесс намагничивания. После закрытия транзистора VT напряжение на обмотке III Меняет свою полярность. При этом диод VD3 отпирается, и энергия, накопленная в трансформаторе Т, возвращается в первичный источник питания Uп. Однако на практике, из-за недостаточной связи между обмотками трансформатора, часть энергии намагничивания не возвращается в первичный источник. Эта энергия обычно рассеивается в транзисторе VT и демпфирующих цепочках, ухудшая общую эффективность и надежность преобразователя.

Двухтактные преобразователи содержат большее количество элементов и требуют более сложных алгоритмов управления. Однако эти преобразователи обеспечивают меньшую пульсацию входного тока, а также позволяют получить большую выходную мощность и эффективность, при одинаковой мощности дискретных ключевых компонентов.

На рис. 1.4 изображена схема двухтактного мостового преобразователя. Если сравнивать этот преобразователь с однотактными, то он ближе всего к двухтранзисторному прямоходовому преобразователю (рис. 1.3) и легко в него преобразуется. Для этого нужно убрать пару транзисторов и пару диодов, расположенных по диагонали (VT1, VT4, VD2,VD3 или VT2, VT3, VD1, VD4).

Таким образом, двухтактный мостовой преобразователь является комбинацией двух однотактных преобразователей, работающих поочерёдно.

При этом энергия в нагрузку передается в течение всего периода работы преобразователя, а индукция в сердечнике трансформатора может меняться от -Вm до +Вm.

Рис. 1.4. Двухтактный мостовой преобразователь (ДМП)

Как и в ДПП, диоды VD1—VD4 служат для возврата энергии, накопленной в индуктивности рассеяния Ls трансформатора Т, в первичный источник питания Uп. В качестве этих диодов могут быть использованы внутренние диоды MOSFET.

Общей особенностью двухтактных преобразователей является то, что их трансформаторы работают в условиях с симметричным перемагничиванием.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в момент перемагничивания сердечника трансформатора.

Магнитная индукция В в сердечника трансформатора с симметричным перемагничиванием может изменяется в пределах от отрицательно -Вm до положительной Вm максимальной индукции.

В каждом полупериоде работы ДМП открыты два ключа, расположенные по диагонали. В паузе все транзисторы преобразователя обычно закрыты. Хотя существуют режимы управления, когда некоторые транзисторы преобразователя остаются открытыми и в паузе. Сосредоточимся на режиме управления, согласно которого в паузе все транзисторы ДМП закрыты.

Когда транзисторы VT1, VT4 преобразователя открыты, энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном обратном направлении (участок в-а на рис. 1.4). В паузе, когда транзисторы VT1, VT4 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе L.

При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент одна из вторичных обмоток (IIа или IIб) трансформатора Т замкнута накоротко через открытый диод VD7 и один из выпрямительных диодов (VD5 или VD6). В результате этого индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется.

После завершения паузы открываются транзисторы VT2, VT3 преобразователя, и энергия источника питания Uп через трансформатор Т передается в нагрузку. При этом сердечник трансформатора намагничивается в условном прямом направлении (участок а-б на рис. 1.4). В паузе, когда транзисторы VT2, VT3 закрыты, ток в нагрузке поддерживается за счет энергии запасенной в дросселе L. При этом ток замыкается через диод VD7. В этот момент индукция в сердечнике трансформатора практически не меняется и фиксируется на достигнутом положительном уровне.

Из-за фиксации индукций в паузах, сердечник трансформатора Т способен перемагничиваться только в моменты открытого состояния диагонально расположенных транзисторов.

Чтобы в этих условиях избежать одностороннего насыщения необходимо обеспечить равное время открытого состояния транзисторов, а также симметричность силовой схемы преобразователя.