Последовательный, параллельный и однотактный резонансный преобразователь

Введение

Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях в виде энергии переменного напряжения постоянной частоты с определенными номинальными значениями. Зачастую необходимо преобразование или изменение параметров электрической энергии, предоставляемой одной внешней системой, к новым параметрам, которые востребованы другой системой. Следовательно, преобразователь является связующим звеном между двумя электрическими или электронными системами.

Благодаря развитию промышленной электроники, в частности, производству мощных полевых и IGBT транзисторов стало возможным создание различных устройств преобразовательной техники, используемых в электроприводе переменного тока, на электротранспорте, в электротермии, устройствах стабилизации частоты и во многих других случаях [6]. Именно поэтому изучение и совершенствование преобразовательных устройств актуально на сегодняшний день.
Резонансные преобразователи нашли широкое применение в промышленной электронике. Работа данных приборов основана на явлении резонанса – отклике или, своего рода, ответе колебательной системы на периодическое внешнее воздействие. Ответ системы проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с частотой системы.
В работе будет рассмотрен принцип действия и особенности данного типа преобразователей на примере мостового последовательного, параллельного и однотактного резонансного преобразователя.

1. Принцип действия и особенности резонансных преобразователейРезонансные преобразователи получают энергию от входного источника постоянного напряжения, преобразуя ее в энергию переменного или постоянного тока. В отличие от других преобразователей в данной случае управление выходной мощностью производится изменением частоты работы ключей силовой части схемы [4].
Резонансные преобразователи применяются при питании флуоресцентных ламп, позволяя повысить надежность, увеличить продолжительность работы ламп и улучшить качество освещения. Также данные преобразователи используются в устройствах индукционного нагрева, в которых обмотка, обтекаемая током, создает индуцированные токи в объекте нагрева [4].
Основу резонансного преобразователя представляет резонансный контур, к которому поступает симметричное прямоугольное импульсное напряжение или ток, которые формируются ключами. Импульсное напряжение содержит спектр нечетных гармоник, начиная с первой (основной). Элементы резонансного фильтра – L (индуктивность) и C (емкость) – настраиваются в резонанс с первой гармоникой для определенного режима работы преобразователя. Образованный LC резонансный фильтр отфильтровывает высшие гармоники напряжения и тока, причем делает это лучше, чем выше добротность контура Q [2].
Добротность - это параметр колебательной системы, определяющий ширину резонанса и характеризующий, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за время изменения фазы. Добротность обратно пропорциональна скорости затухания собственных колебаний в системе. То есть, чем выше добротность колебательной системы, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания [7].
Ключи выходного каскада резонансного преобразователя должны иметь возможность проводить ток в обоих направлениях, что связано с особенностью резонансной цепи имеющей либо индуктивный, либо емкостной характер на всех частотах за исключением частоты резонанса.
Еще одна особенность резонансного преобразователя связана с процессами переключения транзисторов выходного каскада. Из-за того, что либо ток, либо напряжение на ключе за время переключения близки к нулевому значению, устраняются потери на включение или выключение, а для некоторых режимов и схем – оба вида потерь – на включение и выключение. Поэтому резонансные преобразователи могут работать на значительно более высоких частотах, чем обычные ШИМ - преобразователи (преобразователи, в основе работы которых лежит широтно-импульсная модуляция сигналов) [5].

2. Последовательный резонансный преобразовательНа рисунке 1 изображена схема мостового преобразователя, работающего от источника постоянного напряжения Uвх [4].

Рисунок 1 – Мостовой последовательный резонансный преобразователь
Ключи K1-K4 образуют за период переключения T последовательность замкнутых состояний. В каждой половине полупериода замкнуты диагонально расположенные ключи моста, каждый ключ изменяет свое состояние через половину периода. Нагрузкой преобразователя является активное сопротивление Rн.На рисунке 2 изображена схема замещения мостового последовательного резонансного преобразователя, на которой источник прямоугольного импульсного напряжения u(t) с амплитудой Uвх заменяет мост и источник постоянного напряжения.

Рисунок 2 – Схема замещения мостового последовательного резонансного преобразователя

При резонансе собственная частота LC-фильтра ω0 равна круговой частоте ωк [1]:
ω0=ωк=1LC=2πf.(1)
Ток в контуре почти синусоидален при высокой добротности, а его максимальное значение определяется амплитудой 4/πUвх и сопротивлением нагрузки Rн.
Известно, что при ωк<ω0 сопротивление последовательного LC-контура является емкостным, а при ωк>ω0 – индуктивным [1].
Если частота коммутации ключей намного меньше резонансной частоты:
μ=ωкω0≪1;(2)
ток в контуре будет определяться большим количеством гармоник напряжения и мгновенный ток в контуре будет отличаться от синусоидального. Однако, при ограничении нижней границы ωк, выполняя ωк min, не слишком удаленной от ω0, кривая тока будет определяться первой гармоникой напряжения и содержание высших гармоник в токе будет незначительным.
Выражение, определяющее значение тока контура при μ≪1 (для CэR цепи):
i≈I1sinωt+φ;I1=4UвхπZCэR=4UвхπRн∙11(μRнω0Cэ)2+1;φ=arctg1RнωкCэ;(3)
где I1 - амплитуда первой гармоники тока.
При μ=1 (резонанс), как следует из (3), амплитуда тока определяется выражением (4), а при уменьшении отношения μ значение амплитуды тока также уменьшается.
I1=4UвхπRн.(4)
При увеличении частоты коммутаций μ>1,ток приближается к синусоидальному, поскольку высшие гармоники тока убывают как из-за уменьшения напряжения данной гармоники, так и вследствие возрастания соответствующего индуктивного сопротивления
Величина тока контура для LэR цепи соответствует выражению:
i≈I1sinωt-φ;I1=4UвхπZLэR=4UвхπRн∙1μω0LэRн2+1;φ=arctgωкLэRн.(5)
И в данном случае при резонансе ток в контуре равен максимальному значению. Амплитуда тока снижается при возрастании μ. Соотношения (3) и (5) показывают возможность управления выходным током и, соответственно, выходной мощностью при изменении частоты коммутации, то есть при изменении параметра μ.Скорость спада тока в контуре и, следовательно, напряжение на нагрузке зависят, как показывают выражения (3) и (5), еще и от добротности контура Q, определяемой по формуле [3]:
Q=1ω0RнC=ω0LRн.(6)
Чем выше добротность контура, тем меньше требуется кратность изменения частоты ωк по отношению к частоте ω0. Большее значение добротности означает применение дросселя с большей индуктивностью и конденсатора с меньшей емкостью при одном и том же значении частоты ω0. При возрастании добротности, к тому же, увеличивается энергия как дросселя, так и конденсатора. Следовательно, возрастание добротности контура ведет к увеличению размеров, а также стоимости реактивных элементов [3].
Работа ключей в схеме рисунка 1 требует, чтобы они обладали двухсторонней проводимостью для прохождения тока как в прямом, так и в обратном направлении. Если ключ выполнен на полевом транзисторе, данное требование автоматически выполняется. Более того, в обратном направлении ток может проходить через внутренний диод транзистора, что позволяет на данном временном интервале не подавать отпирающее напряжение на затвор [4].
При выполнении ключа на основе биполярного или некоторых типов IGBT транзисторов потребуется блокирующий диод, включаемый параллельно выводам коллектора и эмиттера.
Поскольку при ωк<ω0 ток в контуре опережает напряжение, в ключе (транзисторе) присутствуют потери при включении и нет потерь при выключении. Во втором случае при ωк>ω0 ток отстает от напряжения, поэтому в транзисторе отсутствуют потери на включения. Необходимо заметить, что при использовании полевых транзисторов более весомыми оказываются потери на их включение, чем на выключение. В реальных схемах для предотвращения сквозного тока через транзисторы необходимо сформировать короткую паузу после выключения одной диагональной пары до включения другой.

3. Параллельный резонансный преобразовательПреобразователь, использующий параллельный резонансный контур и работающий от источника тока, является двойственным по отношению к последовательному, так как на частоте коммутации входная цепь преобразователя имеет большое сопротивление [4].
На рисунке 3 представлена схема такого преобразователя, где требуемое высокое сопротивление входного источника получено подключением дросселя Lвх к источнику напряжения Uвх. В схеме замещения, представленной на данном рисунке, источник напряжения, ключи и дроссель замещены импульсный источником тока с амплитудой Iвх [4].

а) б)
Рисунок 3 – а) параллельный резонансный преобразователь;
б) схема замещения параллельного резонансного преобразователя
При резонансе, когда ωк=ω0, параллельное соединение L, C и R представляет собой активное сопротивление для основной гармоники. Более высокие гармонические составляющие тока встречают комплексные сопротивления, соответствующие данной гармонике. Чем выше частота гармоники входного тока, тем меньше модуль комплексного сопротивления цепи. Поэтому напряжение в точках а и б при резонансе оказывается близким к синусоидальному и совпадает по фазе с током.
При изменении частоты ωк от ω0 изменяется характер сопротивления цепи подобно тому, как это происходило в последовательном резонансном преобразователе.
При ωк<ω0 параллельное соединение L и C образует в результате индуктивное сопротивление. Повышение частоты (ωк>ω0) приводит к емкостному характеру параллельной цепи L, C [1].
При μ<1 напряжение на участке а, б определяется выражением [4]:
uаб≈U1sinωt+φ;U1=4IвхπyLэR=4IвхRнπ∙1Rнμω0Lэ2+1;φ=arctgRнωкLэ;(7)
где U1 - амплитуда первой гармоники напряжения.
При резонансе (μ=1) напряжение на L, C, Rн контуре (в точках а, б) максимально:
U1=4IвхRнπ.(8)
При μ>1 напряжение в точках а, б равно:
uаб≈U1sinωt-φ;U1=4IвхπyCэR=4IвхRнπ∙1(μω0CэRн)2+1;φ=arctgωкCэRн.(9)
Отличительной особенностью данного вида резонансных преобразователей является изменение знака напряжения на нагрузке, требующее включения диода последовательно с транзистором [4].

4. Однотактный резонансный преобразовательРассмотренные ранее резонансные преобразователи относятся к двухтактным, так как передача энергии в нагрузку производится в каждом полупериоде переключения и работа схемы происходит симметрично за период. Однако существуют и однотактные схемы, принцип работы которых связан с явлением резонанса. Схема одного из них представлена на рисунке 4 [4].

Рисунок 4 – Однотактный резонансный преобразователь
Управление мощностью в нагрузке производится изменением частоты переключения транзистора Т. Диаграммы процессов в схеме представлены на рисунке 5 [4].

Рисунок 5 – Диаграммы процессов в однотактном резонансном преобразователе
До включения транзистора (до момента времени 0) ток дросселя iLф, равный току нагрузки, проходит через диод D2, диод D1 заперт. При включении транзистора нарастает ток iL и ток во вторичной обмотке iw2 (iD1) [4].
Нарастание тока iL после момента времени t=0 происходит по линейному закону, поскольку напряжения на обмотках трансформатора Тр при открытых диодах D1 и D2 равны нулю. В момент времени t1 ток в диоде D1 достигает значения тока нагрузки Iн, а ток в индуктивности L становится равным nIн. Начиная с момента времени t1 диод D2 оказывается запертым, и происходит резонансный процесс в элементах схемы L, C.
В момент t2 ток в дросселе L становится равным нулю, транзистор можно запирать. Напряжение на конденсаторе C, начиная с момента t2 линейно снижается до нуля, поскольку его разряд происходит под действием постоянного тока Iн. В момент времени t2+∆t2 напряжение на конденсаторе достигает нуля, что приводит к отпиранию диода D2, через который начинает протекать ток нагрузки. По окончанию периода T снова происходит отпирание ключа, и процесс повторяется [4].
Поскольку изменение тока iL определяется резонансным процессом, включение транзистора, как и его выключение, происходит при нулевом токе, что принято называть переключением при нулевом токе. Потери в транзисторе на переключение оказываются пренебрежимо малыми.

Заключение

Итак, на примере нескольких устройств был рассмотрен принцип действия и основные особенности резонансного преобразователя. Отличительной особенностью данного преобразователя является тот факт, что нагрузка подключается к колебательному контуру. При этом ток нагрузки близок к синусоидальной форме, его величина практически не зависит от величины нагрузки, а зависит от параметров реактивных элементов колебательного контура и напряжения источника питания.
Довольно очевидными являются недостатки резонансных преобразователей, связанные с тем, что установленная мощность ключей значительно превышает аналогичную мощность ШИМ - преобразователей, поскольку ток в ключе или напряжение на нем, а часто оба параметра, одновременно изменяются во времени по закону, близкому к синусоидальному. Отсюда следует, что максимальный ток или напряжение ключа будут значительными.
Непрерывное совершенствование электронной базы, создание на ее основе современных устройств преобразовательной техники позволило повсеместно внедрять данные устройства во все сферы нашей жизни. Таким образом, инженер или разработчик должен тщательно обосновывать выбор того или иного устройства, рассматривая достоинства и недостатки каждого типа и каждой схемы.

Список используемых источников и литературы

1. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 2017. 638 с.
2. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов. – М.: Высшая школа. 2019. – 468 с.
3. Глебов Б. А., Жигачев В. А. Резонансный мостовой преобразователь напряжения. 2016. Бюл. № 21. – 10 с.
4. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Техносфера, 2015. 532 с.
5. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат, 2018. – 342 с.
6. Ромаш Ю. М., Драбович Ю. И., Юрченко Н. Н., Шевченко П. Н. Высокочастотные транзисторные преобразователи. – М.: Радио и связь, 2016. – 288 с.: ил.
7. Добротность // Интернет ресурс: https://ru.wikipedia.org/.