CC BY
18
Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19, № 1. С. 125-134. ISSN 1999-5458 (print) Electrical and Data Processing Facilities and Systems. 2023. Vol. 19. No. 1. P. 125-134. ISSN 1999-5458 (print)
Научная статья УДК 621.314
doi: 10.17122/1999-5458-2023-19-1-125-134
ОБРАТНОХОДОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ СХЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ
Роберт Эдуардович Петков Robert E. Petkov
магистрант кафедры «Автоматизация, телекоммуникация и метрология», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Александр Измайлович Ишемгужин Alexsandr I. Ishemgujin
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматизация, телекоммуникация и метрология», Уфимский государственный нефтяной технический университет, Уфа, Россия
Актуальность
Преобразователь с передачей энергии на обратном ходу (при запертых силовых транзисторах) является одной из самых популярных топологий импульсных преобразователей постоянного напряжения. Топология обратноходового преобразователя является уникальной в плане эффективной взаимосвязи электромагнитных процессов в нем. Несомненное достоинство преобразователя — предельная простота и дешевизна. Область его широкого использования ограничена устройствами малой и средней мощности как стандартного, так и нестандартного применения. Однако некоторые свойства преобразователя позволяют эффективно решать сложные задачи по построению мощных преобразовательных устройств. В целом разработка и исследование обратноходовых преобразователей является актуальной задачей в деле совершенствования устройств современной преобразовательной техники.
Цель работы
Моделирование обратноходового преобразователя с быстродействующей двухконтурной системой управления по току и напряжению.
Методы исследования
В работе использованы методы исследования силовых электронных устройств импульсного действия, методы исследования цифровых устройств на КМОП структурах (структура металл-оксид-полупроводник). Компьютерное моделирование выполнено в программной среде Electronics Workbench.
Ключевые слова
обратноходовой преобразователь, обратноходовой преобразователь с непрерывным и прерывистыми режимами работы, схема управления обратноходового преобразователя, компаратор, логический элемент, трансформатор
© Петков Р. Э., Ишемгужин А. И., 2023
Результаты
Предложены методы построения быстродействующей системы управления для обратноходового преобразователя на основе применения двух контуров регулирования по току и напряжению. За счет предложенных методов повышаются быстродействие, устойчивость работы преобразователя, обеспечивается защита от короткого замыкания и превышения напряжения на выходе преобразователя. Результаты и выводы подтверждены моделированием.
Для цитирования: Петков Р. Э., Ишемгужин А. И. Обратноходовой преобразователь с быстродействующей схемой управления // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. № 1. Т. 19. С. 125-134. http://dx.doi. org/10.17122/1999-5458-2023-19-1-125-134.
Original article
REVERSE-PASS CONVERTER WITH A HIGH-SPEED CONTROL CIRCUIT
The relevance
The converter with reverse power transmission (with locked power transistors) is one of the most popular topologies of DC voltage pulse converters. The topology of the reverse-pass converter is unique in terms of the effective interconnection of electromagnetic processes in it. The undoubted advantage of the converter is its extreme simplicity and cheapness, the scope of its widespread use is limited to devices of low and medium power, both standard and non-standard applications. However, some properties of the converter make it possible to effectively solve complex problems of building powerful converter devices. In general, the development and research of reverse-flow converters is an urgent task in improving the devices of modern conversion technology.
Aim of research
Simulation of a reverse-flow converter with a high-speed dual-circuit current and voltage control system.
Research methods
The research methods of pulsed power electronic devices, methods of studying digital devices on CMOS structures (metal-oxide-semiconductor) are used in the work. The computer simulation was performed in the Electronics Workbench software environment.
Results
Methods of constructing a high-speed control system for a reverse-flow converter based on the use of two current and voltage control circuits are proposed. Due to the proposed methods, the speed and stability of the converter increases, protection against short circuit and excess voltage at the output of the converter is provided. The results and conclusions are confirmed by modeling.
Ключевые слова
reverse-pass converter, reverse-pass converter with continuous intermittent operation modes, control circuit of the reverse-pass converter, comparator, logic element, transformer
For citation: Petkov R. E., Ishemgujin A. I. Obratnokhodovoi preobrazovatel' s bystrodeistvuyushchei skhemoi upravleniya [Reverse-Pass Converter with a High-Speed Control Circuit]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy — Electrical and Data Processing Facilities and Systems, 2023, No. 1,Vol. 19, pp. 125-134 [in Russian]. http://dx.doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-1-125-134.
126-
Electrical and data processing facilities and systems. № 1, v. 19, 2023
Введение
Преобразователь с передачей энергии на обратном ходу (при запертых силовых транзисторах) является одной из самых популярных топологий импульсных преобразователей постоянного напряжения [1-3]. Топология обратноходового преобразователя является уникальной в плане эффективной взаимосвязи электромагнитных процессов в нем. Несомненное достоинство преобразователя — предельная простота и дешевизна. Область его широкого использования ограничена устройствами малой и средней мощности как стандартного, так и нестандартного применения. Однако некоторые свойства преобразователя позволяют эффективно решать сложные задачи по построению мощных преобразовательных устройств. В целом разработка и исследование обратноходовых преобразователей является актуальной задачей в деле совершенствования устройств современной преобразовательной техники [4, 5].
Обратноходовой преобразователь (ОП) часто используют как инвертирующий преобразователь или как преобразователь с гальванической развязкой при относительно небольших мощностях, меньших 1 кВт [6].
В данной работе рассматривается модель обратноходового преобразователя [6, 7], имеющего предельно простую систему стабилизации выходного напряжения с высоким быстродействием. Одно из достоинств рассматриваемого преобразователя — простая схема стабилизации (управления). Кроме того, в схеме ОП обеспечивается защита от перегрузок и коротких замыканий, а также плавное (без бросков) установление выходного напряжения при включении. Также ОП по рассматриваемой схеме может синхронизироваться от внешнего источника частоты.
Схема обратноходового
преобразователя
с быстродействующим управлением
Обратноходовой преобразователь может работать в следующих режимах:
— в режиме непрерывного тока дросселя (или трансформатора);
— в режиме прерывистого тока дросселя (или трансформатора);
— в режиме граничной проводимости. В этом режиме ток спадает до нуля, затем без паузы начинает нарастать [8].
В настоящее время становится популярным режим граничной проводимости. В режиме интервал времени между проводящим состоянием силового ключа и выпрямительного диода уменьшается до нуля, но перекрытие открытых состояний диода и транзистора отсутствует. Частота коммутации становится переменной, уменьшается кратность импульсного тока по отношению к среднему току, уменьшаются пульсации выходного напряжения, сохраняется устойчивость работы обратноходового преобразователя. В режиме при максимальной нагрузке и меньшем входном напряжении преобразователь работает на меньшей частоте. С уменьшением нагрузки частота работы преобразователя повышается [6].
Режим граничной проводимости может оказаться неприемлемым при необходимости синхронизации от внешнего источника частоты. В двух других режимах преобразователь может работать при постоянной частоте и синхронизироваться от внешнего источника частоты.
На рисунке 1 представлена схема модели обратноходового преобразователя с одним ключом без гальванической развязки (инвертирующий преобразователь напряжения). Схема включает в себя силовую часть: транзистор VT, диод VD1, дроссель L, конденсатор С. При необхо-
димости гальваническом развязки вместо дросселя устанавливается трансформатор. Система стабилизации выполнена на элементах DD1.. .DD4. Генератор задающей частоты (триггер Шмита DD4 и элементы VD2, С3, R7, R8) вырабатывает узкие импульсы длительностью ~1 мкс. Частота импульсов устанавливается резистором Я7 [5]. Она может быть установлена в широких пределах ~10.. .100 кГц (на модели частота установлена 20 кГц). В системе стабилизации два канала управления:
— канал управления по току:
— канал управления по выходному напряжению.
Канал управления по току
Канал управления по току организован с помощью датчика тока и элементов DD1, DD2. Канал по выходному напряжению реализуется с помощью делителя Я, Я, и элементов DD и DD0.
57 6 3 2
Канал управления по току ограничивает амплитуду тока через силовой тран-
зистор УТ. При превышении заданного уровня тока в транзисторе УТ элемент DD1 переходит в состояние логической единицы и устанавливает Я^-триггер DD2 в нулевое состояние. На выходе DD3 при этом появляется логический ноль — транзистор УТ переходит в непроводящее состояние. Отпирание УТ произойдет с приходом очередного запускающего импульса с задающего генератора. Таким образом, амплитуда тока через силовой транзистор УТ всегда ограничена и не может быть выше значения, определяемого коэффициентом передачи датчика тока и порогом срабатывания элемента DD1. Это ограничение тока происходит при запуске преобразователя, при перегрузке и коротком замыкании на его выходе.
Канал управления по напряжению
Канал управления по напряжению ограничивает выходное напряжение на уровне, определяемым делителем Я5, Я6 и порогом переключения элемента DD3. При увеличении выходного напряжения
Рисунок 1. Схема модели обратноходового преобразователя Figure 1. Scheme of the reverse-pass converter model
элемент ВБ3 переключается в нулевое состояние и блокирует прохождение отпирающих импульсов на затвор силового транзистора УТ. При уменьшении выходного напряжения частота прохождения отпирающих импульсов на затвор силового транзистора УТ увеличивается вплоть до частоты задающего генератора [9].
Таким образом, при заданных входном и выходном напряжениях амплитуда тока остается постоянной, интервалы открытого состояния силового ключа УТ и открытого состояния силового диода VD1 также остаются постоянными при неизменном сопротивлении нагрузки. На рисунке 2 приведены осциллограммы тока в транзисторе УТ (1) и диоде VD1 (2) для двух значений сопротивлений нагрузки. В верхней части рисунка показаны осциллограммы при токе нагрузки 5 А. В нижней части рисунка приведены осциллограммы при токе нагрузки 0,5 А. Форма токов одна и та же, однако частота работы при токе нагрузки 0,5 А примерно в 10 раз меньше. В обоих случаях частота работы задаю-
щего генератора постоянна, а сам преобразователь может быть синхронизирован с внешней частотой.
Рассмотрим основные соотношения для модели ОП в соответствии с рисунком 1. Напряжение на дросселе Ь при открытом УТ [3, 6, 10]:
и, = Ь—.
ь (К
Считая, что ток нарастает линейно и, принимая прерывистый режим тока ОП, получаем
Иь = гМ
ч
где ^ — время открытого состояния ключа УТ;
1Ьт — максимальное значение тока через дроссель Ь;
иь — напряжение на дросселе Ь в течение времени ^
Для 1Ьт имеем [11, 12]
= ^ (1)
Энергия, запасаемая в дросселе за время ^:
Oscilloscope
1
1
Time base |0.05ms/diu Trigger BJae t| Channel A | 2 V/Oiu |т1 | 2 WOiu ÈJ Reduce
ït position | 0.00 Irl Level | 0.00 Y position | 0.00 |rl Y position | 0.00 It) Reverse
_BWj A/Bj B| Ect | ACj AC | ii Save
Рисунок 2. Осциллограммы тока в транзисторе VT (1) и диоде VDj (2) Figure 2. Current waveforms in transistor VT (1) and diode VDj (2) Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 1, т. 19, 2023
I?m L L 2
Мощность, передаваемая дросселем в нагрузку [13, 14]:
U^ iLm^-1 IrmL
Р = U I = — =
гн ,jH1H D К„
= (2)
где Т, f — период и частота отпирания ключа УТ.
Из выражения (2) получаем формулы для определения напряжения на нагрузке:
U„ = I
Lm,
|RHL _ т f RHLf I 2T - iLm^ 2 ■
(3)
Подставляя из (1), получаем формулу связи входного и выходного напряжений:
= = (4)
Обратимся к рисунку 1: Ян= 2 0м,Ь = 0.01 ■ Ю-3 Гн, 1Ьт= 25 А, Т = 61.76 -10~6с, гг= 11 ■ 10~6с, \]ь= 24В. По формуле (3) имеем:
UH— Ibrn
RHL
2Т
= 25
2 ■ 0,01 ■ 10"3
2 ■ 61,76 ■ Ю-6
S10,0B.
По формуле (4) имеем:
UH = ULtx
RH
2TL
= 24-11-10"6>
2 ■ 61,76 ■ IQ"6 ■ 0,01 ■ Ю-3
= 10,623 В.
Отличие результата расчета по формуле (4) от значения 10 В объясняется тем, что в не учтены потери в силовых элементах ОП, то есть силовые элементы приняты идеальными. Результата расчета по формуле (3) учитывают эти потери за счет непосредственного измерения тока в действующей модели.
Пульсации выходного напряжения определяются в основном тремя факторами [13]:
— значением емкости С '
значением сопротивления наг-
рузки; 130 —
— значением периода тактовой частоты.
Качественно влияние этих факторов в предложенной модели следующее.
При увеличении емкости пульсации напряжения на нагрузке ожидаемо уменьшаются.
При уменьшении сопротивления нагрузки конденсатор С2 разряжается медленнее, однако в этом случае уменьшается и частота работы преобразователя, что не дает существенного уменьшения пульсаций.
При уменьшении частоты задающего генератора при неизменной нагрузке пульсации возрастают.
На рисунке 3 показаны осциллограммы, иллюстрирующие эти факторы.
Самая верхняя осциллограмма — это пульсации выходного напряжения при сопротивлении нагрузки 2 Ом и емкости конденсатора С2 4000 мкФ. Размах пульсаций не превышает 50 мВ. Вторая осциллограмма — пульсации выходного напряжения при сопротивлении нагрузки 20 Ом и емкости конденсатора С2 4000 мкФ. Размах пульсаций не превышает 80 мВ. Следующие осциллограммы — это пульсации выходного напряжения при сопротивлениях нагрузки 2 Ом и 20 Ом и емкости конденсатора С2 2000 мкФ. Размах пульсаций примерно составляет 150 мВ. Как видно из осциллограмм, пульсации выходного напряжения при уменьшении сопротивления нагрузки не уменьшаются, а даже несколько увеличиваются, что связано с уменьшением частоты ОП и увеличением времени разряда конденсатора С2.
При включении в работу ОП не наблюдается бросков напряжения на выходе и перегрузок по току. ОП плавно переходит из режима стабилизации по току в режим стабилизации по напряжению. На рисунке 4 показаны осциллограммы тока и напряжения при включении ОП. Время включения составляет примерно 3,5 мс.
X
Электротехнические комплексы и системы
Рисунок 3. Осциллограммы пульсаций напряжения на выходе обратноходового
преобразователя
Figure 3. Waveforms of voltage ripples at the output of a reverse-pass converter
Рисунок 4. Осциллограммы тока VT и напряжения на выходе преобразователя
при включении
Figure 4. Waveforms of the current VT and voltage at the output of the converter when turned on
Максимальный ток стабилизируется на уровне, определяемом каналом управления по току.
При коротком замыкании в нагрузке ОП переходит в режим стабилизации по току [14-17].
Осциллограммы тока транзистора УТ и тока диода У01 при коротком замыкании представлены на рисунке 5.
В режиме короткого замыкания наблюдается непрерывный режим [15-17]. Транзистор УТ открывается на короткое время, затем в оставшуюся часть периода течет ток через диод УОг Если необходимо предусмотреть режим длительного короткого замыкания, следует выбирать диод с допустимым постоянным током, равным амплитудному току [14].
Данные преобразователи используются в устройствах электропитания: сетевые и несетевые (внутри аппаратуры). Примерами несетевых являются компьютеры и различные современные промышленные приборы [3].
Также используются для управления двигателей с реверсами и без реверсов, для преобразования широкого диапазона регулирования; используются в мощных многофазных преобразовательных устройствах на несколько киловатт [18]; применяются для управления двигателями постоянного тока для системы автоматического регулирования и робототехники [19].
Выводы
В представленной модели обратнохо-дового преобразователя применена новая схема управления, отличающаяся простотой и высоким быстродействием.
В представленной модели преобразователя реализовано двухконтурное управление — по току и напряжению.
Обратноходовой преобразователь с предложенной схемой управления может нормально функционировать при пуске, перегрузке и коротком замыкании на выходе.
Рисунок 5. Осциллограммы тока УТ и тока при коротком замыкании на выходе
обратноходового преобразователя
Figure 5. Waveforms of current VT and current VDj in case of a short circuit at the output reverse-pass converter
Список источников
1. Мэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2008. 272 с.
2. Макашов Д. Обратноходовой преобразователь [Электронный ресурс]. 2005. URL: https://zipstore.ru/wa-data/public/blog/download/ flyback.pdf?ysclid=lddcpdsf70617986049 (дата обращения: 24.01.2023).
3. Володин В. Я. Модель малого сигнала обратноходового преобразователя [Электронный ресурс]. 2022. URL: http://valvolodin.narod. ru/articles/Flyback_SSM.pdf?ysclid=ldg4hzuazb 879554160 (дата обращения: 25.01.2023).
4. Савелов А.А. Расчет импульсных источников питания устройств авионики. М.: МГТУ ГА, 2015. 96 с.
5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Техносфера, 2009. 712 с.
6. Ненахов С.М. Расчет обратноходового преобразователя напряжения в установившемся режиме [Электронный ресурс]. ИЦ «АпельсИнн» URL: https://mp36c.ru/pdf/library/ articles/PowerSupply/ru/opn-ust.pdf (дата обращения: 24.01.2023).
7. Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями электроэнергии. М.: Техносфера, 2011. 576 с.
8. Петков Р.Э., Ишемгужин А.И. Быстродействующая система управления обратнохо-довым преобразователем постоянного напряжения // Научный альманах Центрального Черноземья. 2022. № 1. Ч. 7. С. 110-115.
9. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. 632 с.
10. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. 448 с.
11. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. 12е изд. Т. II. М.: ДМК Пресс, 2007. 942 с.
12. Корис Р., Шмидт-Вальтер X. Справочник инженера-схемотехника. М.: Техносфера, 2008. 608 с.
13. Найвельт Г.С. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио и связь,1985. 576 с.
14. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990.
15. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. М.: Солон-ПРЕСС, 2011. 416 с.
16. Семенов Б.Ю. Силовая электроника от простого к сложному. М.: Солон-Р, 2005. 416 с.
17. Chryssis G. High Frequency Switching Power Supplies. McGrawHill, 1984.
18. Rashid M.H. Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications. 2nd ed. Prentice Hall, 1993.
19. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. Киев: МК-Пресс, 2005. 288 с.
References
1. Mek R. Impul'snye istochniki pitaniya. Teoreticheskie osnovyproektirovaniya i rukovodstvo po prakticheskomu primeneniyu [Switching Power Supplies. Theoretical Foundations of Design and a Guide to Practical Application]: Transl. from Engl. Moscow, Izdatel'skii dom «Dodeka-KhKh1», 2008. 272 p. [in Russian].
2. Makashov D. Obratnokhodovoi preobra-zovatel' [Reverse-Pass Converter] [Electronic Resource]. 2005. URL: https://zipstore.ru/wa-data/ public/blog/download/flyback.pdf?ysclid=lddcpdsf 70617986049 (accessed 24.01.2023). [in Russian].
3. Volodin V. Ya. Model' malogo signala obratnokhodovogo preobrazovatelya [Model of a Small Signal of a Reverse-Pass Converter] [Electronic Resource]. 2022. URL: http:// valvolodin.narod.ru/articles/Flyback_SSM. pdf?ysclid=ldg4hzuazb879554160 (accessed 25.01.2023). [in Russian].
4. Savelov A.A. Raschetimpul'snykh istochnikov pitaniya ustroistv avioniki [Calculation of Switching Power Supplies for Avionics Devices]. Moscow, MGTU GA, 2015. 96 p. [in Russian].
5. Bukreev I.N., Goryachev V.I., Mansurov B.M. Mikroelektronnye skhemy tsifrovykh ustroistv [Microelectronic Circuits of Digital Devices]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2009. 712 p. [in Russian].
6. Nenakhov S.M. Raschet obratnokhodovogo preobrazovatelya napryazheniya v ustano-vivshemsya rezhime [Calculation of a Reverse Voltage Converter in Steady-State Mode] [Electronic Resource]. ITs «Apel'slnn» URL: https://mp36c.ru/ pdf/library/articles/PowerSupply/ru/opn-ust.pdf (accessed 24.01.2023). [in Russian].
7. Meleshin V.I., Ovchinnikov D.A. Upravlenie tranzistornymi preobrazovatelyami elektroenergii [Control of Transistor Converters of Electric Power]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2011. 576 p. [in Russian].
8. Petkov R.E., Ishemguzhin A.I. Bystro-deistvuyushchaya sistema upravleniya obratnokho-dovym preobrazovatelem postoyannogo naprya-zheniya [High-Speed Control System of a Reverse-Pass DC Voltage Converter]. Nauchnyi al'manakh Tsentral'nogo Chernozem'ya — Scientific Almanac of the Central Chernozem Region, 2022, No. 1, Ch. 7, pp. 110-115. [in Russian].
9. Meleshin V.I. Tranzistornaya preobra-zovatel'naya tekhnika [Transistor Converter Technology]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2005. 632 p. [in Russian].
10. Geitenko E.N. Istochniki vtorichnogo elektropitaniya. Skhemotekhnika i raschet [Sources of Secondary Power Supply. Circuit Design and Calculation]. Moscow, SOLON-PRESS Publ., 2008. 448 p. [in Russian].
11. Tittse U., Shenk K. Poluprovodnikovaya skhemotekhnika [Semiconductor Circuitry]: Transl. from Germ. 12 ed. Vol. II. Moscow, DMK Press Publ., 2007. 942 p. [in Russian].
12. Koris R., Shmidt-Val'ter X. Spravochnik inzhenera-skhemotekhnika [Handbook of a Circuit Engineer]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2008. 608 p. [in Russian].
13. Naivel't G.S. e.a. Istochniki elektropitaniya radioelektronnoi apparatury [Power Sources of Electronic Equipment]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1985. 576 p. [in Russian].
14. Cheti P. Proektirovanie klyuchevykh istochnikov elektropitaniya [Design of Key Power Sources]: Transl. from Engl. Moscow, Energo-atomizdat Publ., 1990. [in Russian].
15. Semenov B.Yu. Silovaya elektronika: professional'nye resheniya [Power Electronics: Professional Solutions]. Moscow, Solon-PRESS Publ., 2011. 416 p. [in Russian].
16. Semenov B.Yu. Silovaya elektronika ot prostogo k slozhnomu [Power Electronics from Simple to Complex]. Moscow, Solon-R Publ., 2005. 416 p. [in Russian].
17. Chryssis G. High Frequency Switching Power Supplies. McGrawHill, 1984.
18. Rashid M.H. Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications. 2nd ed. Prentice Hall, 1993.
19. Braun M. Istochniki pitaniya. Raschet i konstruirovanie [Power Sources. Calculation and Construction]. Kiev, MK-Press Publ., 2005. 288 p. [in Russian].
Статья поступила в редакцию 30.01.2023; одобрена после рецензирования 20.02.2023; принята к публикации 23.02.2023. The article was submitted 30.01.2023; approved after reviewing 20.02.2023; accepted for publication 23.02.2023.
