Новый тип импульсного преобразователя.

 Новый тип импульсного преобразователя.

Титков Сергей, генеральный директор ООО «СЕТИЛЮМЕН».  Статья опубликована в журнале "Современная светотехника" №4 за 2015г.г

Драйверы светодиодных светильников мощностью до 100 ватт чаще всего выполняются на основе обратноходовых импульсных преобразователей. Функциональная схема обратноходового импульсного преобразователя (1), проиллюстрирована на рис.1. 

   

На рис. 1 позиция 1 – источник постоянного напряжения, поз.2 – дроссель с двумя обмотками (обратноходовый импульсный трансформатор), поз. 3 – ключ. В качестве ключа чаще всего используется полевой транзистор. Во время прямого хода (ток прямого хода обозначен красной линией), при замкнутом ключе, в дросселе происходит накопление энергии, ток в первичной обмотке 2.1 нарастает. Диод 4 во время прямого хода заперт, так как приложенное к нему с вторичной обмотки 2.2 трансформированное напряжение имеет обратную полярность. В обратном ходе, при размыкании ключа, ток в первичной обмотке начинает уменьшаться. Уменьшение тока в первичной обмотке приводит к изменению полярности напряжения на вторичной обмотке, диод 4 открывается, происходит вывод накопленной в дросселе энергии (ток обратного хода обозначен синей линией) в нагрузку 5 и конденсатор 6. Мощность обратноходового преобразователя ограничена энергией, которую способен накопить дроссель.  Основным отличием дросселя с двумя обмотками (обратноходового трансформатора) от обычного импульсного трансформатора является наличие довольно большого немагнитного зазора в его сердечнике. Энергия, которую способен накопить дроссель, пропорциональна толщине немагнитного зазора. Немагнитный зазор предохраняет сердечник от насыщения, но снижает его эффективную магнитную проницаемость, поэтому для получения необходимой индуктивности обмоток требуется большее количество витков. Одним из недостатков обратноходового импульсного преобразователя большие габариты по сравнению с другими импульсными преобразователями при одинаковой мощности. С увеличением мощности обратноходового импульсного преобразователя габариты его дросселя неоправданно возрастают, поэтому такой тип преобразователей в основном применяют в источниках питания мощностью до 100 ватт.  

Напряжение на ключе обратноходового преобразователя во время обратного хода складывается из суммы входного напряжения и напряжения на нагрузке, умноженного на коэффициент трансформации вторичной обмотки, поэтому оно значительно выше входного напряжения. В качестве ключа во многих импульсных преобразователях используются полевые транзисторы, у которых сопротивление открытого канала прямо пропорционально максимальному рабочему напряжению. Применение ключей с высоким рабочим напряжением приводит к дополнительным потерям на сопротивлении открытого канала, таким образом, к недостаткам обратноходового импульсного преобразователя можно отнести и высокое напряжение на ключе. 

Наличие немагнитного зазора не означает, что дроссель с двумя обмотками не может работать как импульсный трансформатор, – во время прямого хода на вторичной обмотке 2.2 схемы рис.1 присутствует трансформированное напряжение первичной обмотки, которое не приводит к появлению тока из-за обратного включения диода 4.

    

Рис.2 иллюстрирует функциональную схему прямоходового импульсного преобразователя (1). В прямоходовом импульсном преобразователе во время прямого хода, при замкнутом состоянии ключа, ток тёчет как в первичной, так и во вторичной обмотке трансформатора 2.3 через открытый диод поз. 8. Во время прямого хода происходит накопление энергии в индуктивности поз.10, питающей нагрузку во время обратного хода через открытый диод поз.9. Во время обратного хода, после запирания ключа, энергия, накопленная в сердечнике трансформатора, выводится благодаря току в обмотке размагничивания 2.4 через открытый диод поз. 7 – происходит размагничивание сердечника и подготовка к такту прямого хода. Если этого не делать, то наступит насыщение сердечника импульсного трансформатора.

Одним из недостатков такого типа преобразователя является наличие обмотки размагничивания, что усложняет конструкцию импульсного трансформатора и приводит к увеличению стоимости преобразователя. Кроме того, во время обратного хода на ключе появляется высокое напряжение из-за трансформации входного напряжения на обмотке размагничивания в первичную обмотку при открытом диоде 7, поэтому, как и в случае с обратноходовым преобразователем, к недостаткам прямоходового импульсного преобразователя можно отнести и высокое напряжение на ключе. 

Существуют многочисленные попытки объединения прямоходовой и обратноходовой схем импульсных преобразователей, в которых во время прямого хода осуществляется трансформация энергии в выходную цепь, а во время обратного вывод энергии, накопленной в импульсном трансформаторе также в выходную цепь.  На рис.3 проиллюстрирована функциональная схема импульсного преобразователя по патенту RU2352050C2 (2).


 Данный импульсный преобразователь, по сути, является прямо-обратноходовым преобразователем, так как в прямом ходе происходит трансформация энергии источника постоянного напряжения в выходную цепь, а во время обратного хода происходит вывод энергии, накопленной в сердечнике трансформатора в выходную цепь. В прямом ходе энергия источника постоянного напряжения трансформируется во вторичную обмотку 2.3, что приводит к появлению тока через открытый диод 8 и накоплению энергии в индуктивности 10. Во  время обратного хода энергия, накопленная в трансформаторе, выводится во вторичную цепь через обмотку размагничивания 2.2, что приводит к появлению тока через открытый диод 4 в нагрузку. Кроме того, во время обратного хода происходит вывод энергии, накопленной в индуктивности 10 в нагрузку.

 Недостатком импульсного преобразователя (рис.3) является обязательное наличие у импульсного трансформатора дополнительной обмотки размагничивания 2.2. Кроме того, напряжение на ключе во время обратного хода всегда будет выше входного напряжения на величину выходного напряжения, умноженного на коэффициент трансформации обмотки размагничивания, что приводит к применению ключей с высоким рабочим напряжением.

 Компания «Сетилюмен» разработала и патентует способ импульсного преобразования напряжения, в котором трансформация энергии во время прямого хода и вывод накопленной в сердечнике импульсного трансформатора энергии во время обратного хода в выходную цепь осуществляется с использованием одной вторичной обмотки импульсного трансформатора. Способ позволяет существенно снизить напряжение на ключе во время обратного хода по сравнению с прямоходовыми и обратноходовыми преобразователями. Кроме того, способ позволяет снизить остаточную индукцию в сердечнике импульсного трансформатора. Функциональная схема импульсного преобразователя проиллюстрирована на рис.4.


Диоды 8-9, индуктивность 10 и конденсатор 11 образуют схему прямого хода, диод 4 и конденсатор 12 образуют схему обратного хода. Работа импульсного преобразователя происходит следующим образом: во время прямого хода, при замкнутом ключе, ток в первичной обмотке 2.1 импульсного трансформатора нарастает, что приводит к появлению трансформированного напряжения во вторичной обмотке 2.3 и накоплению энергии в сердечнике импульсного трансформатора. Напряжение во вторичной обмотке 2.3 вызывает появление тока через открытый диод прямого хода 8, который приводит к накоплению энергии в дросселе прямого хода 10 и заряду накопительного конденсатора прямого хода 11. Во время обратного хода, после размыкания ключа, ток в первичной обмотке уменьшается, что приводит к изменению полярности напряжения на вторичной обмотке 2.3 импульсного трансформатора, диод прямого хода 8 закрывается, энергия, накопленная в дросселе прямого хода 10, поддерживает ток, заряжающий накопительный конденсатор прямого хода 11, замыкающий диод 9 замыкает цепь. Изменение полярности напряжения на вторичной обмотке 2.3 вызывает появление тока через открытый диод обратного хода 4, который заряжает накопительный конденсатор обратного хода 12. Ток во вторичной обмотке во время обратного хода поддерживается энергией, накопленной в сердечнике импульсного трансформатора. Полярности напряжений на накопительных конденсаторах 11-12 обозначены на рис.4 знаками «+» и «-». Нагрузка подключается к последовательно соединённым  накопительным конденсаторам, напряжение на нагрузке определяется суммой напряжений на накопительных конденсаторах. Ток через нагрузку на рис.4 обозначен зелёной линией. Напряжение на ключе во время обратного хода выше входного напряжения на величину напряжения на накопительном конденсаторе обратного хода 12, умноженную на коэффициент трансформации обмотки 2.3. Так как напряжение на накопительном конденсаторе обратного хода меньше напряжения на нагрузке, то и напряжение на ключе во время обратного хода меньше, чем у описанных выше преобразователей. Накопительные конденсаторы прямого и обратного хода могут иметь небольшие емкости, достаточные для накопления энергии, поступающей в них во время прямого или обратного хода. Емкость накопительных конденсаторов должна удовлетворять условию


где P – мощность схем прямого или обратного хода, V – напряжение на накопительном конденсаторе, F – максимальная рабочая частота импульсного преобразователя. Например, для импульсных преобразователей мощностью 100-200 ватт необходимая ёмкость составляет единицы микрофарад, в тоже время через них протекают высокие импульсные токи, поэтому в качестве накопительных конденсаторов целесообразно использовать керамические или плёночные конденсаторы, некритичные к импульсным токам. При нестабильности входного напряжения суммарной емкости последовательно соединённых накопительных конденсаторов может не хватить для сглаживания колебаний напряжения на нагрузке, для этой цели может быть применён дополнительный электролитический конденсатор большой ёмкости, подключенного параллельно нагрузке – поз.6 на рис.4.  Ресурс электролитических конденсаторов снижается при протекании через них импульсных токов. Для подавления импульсных токов через электролитический конденсатор, шунтирующий нагрузку, может быть использован дополнительный фильтрующий дроссель – поз.13 на рис.4. 

Промышленная применимость предлагаемого импульсного преобразователя проверена и подтверждена на драйвере светодиодов от компании «Ирбис» ИПП-220Т035С106Н21, для чего в схему драйвера внесены изменения, приводящие его алгоритм работы в соответствие с алгоритмом работы импульсного преобразователя, проиллюстрированного на рис.4. В драйвере ИПП-220Т035С106Н21 применён контроллер корректора коэффициента мощности  МС33263 с переменной частотой переключения, силовая часть драйвера выполнена по обратноходовой схеме. Входным напряжением для силовой части драйвера является выпрямленное пульсирующее сетевое напряжение. Функционально в конструкцию драйвера была добавлена прямоходовая схема и накопительный конденсатор обратного хода, питание нагрузки осуществлялось от последовательно соединённых накопительных конденсаторов. Рис.5 иллюстрирует фрагмент схемы драйвера ИПП-220Т035С106Н21 с добавленными электронными компонентами. 


Нумерация и функциональное назначение элементов схемы соответствует элементам схемы рис.4. Входные цепи драйвера, контроллер корректора коэффициента мощности в первичной цепи, схемы управления оптроном и активным фильтром пульсаций во вторичной цепи на рис.5 не показаны с целью упрощения рисунка. Добавленные в схему элементы и соединения выделены красным цветом. Резистор поз.14 номиналом 1 Ом практически не влияет на работу драйвера, он установлен до переделки драйвера и предназначен для измерения тока в цепи вторичной обмотки. Вывод обмотки питания схемы управления оптроном и активным фильтром пульсаций во вторичной цепи необходимо перенести, иначе к напряжению на ней добавляется напряжение на накопительном конденсаторе прямого хода 11, что выводит схемы управления  оптроном и активным фильтром пульсаций из строя. Емкость накопительных конденсаторов 11-12 равнялась 1 мкФ, величина индуктивности 10 равнялась 1 мГн. Драйвер подключался к нагрузке из 36 последовательно соединённых светодиодов Z5-M2 с падением напряжения на каждом 3 вольт. Ток на выходе драйвера до и после переделки составлял 0.35А, таким образом, выходная мощность драйвера не зависела от переделки и составляла 37.8 Вт. Осциллограмма рис.6 иллюстрирует ток во вторичной обмотке (напряжение на резисторе 14) до переделки драйвера, осциллограмма рис.7 иллюстрирует ток во вторичной обмотке после переделки.


Отрицательный импульс поз.15 на рис.7 свидетельствует о появлении тока во вторичной обмотке во время прямого хода после переделки драйвера, таким образом, во время прямого хода происходила трансформация энергии в выходную цепь. Максимальный импульсный ток во вторичной обмотке во время обратного хода уменьшился примерно на 20%, что свидетельствует о снижении накопленной энергии в сердечнике дросселя.


Рис.8 иллюстрирует  осциллограммы напряжений с разными частотами развёртки на ключевом транзисторе до переделки драйвера, рис.9 после переделки. 


Напряжение на ключевом транзисторе после переделки драйвера уменьшилось на 152 вольта, с 648 вольт до 496 вольт. Температура сердечника импульсного трансформатора драйвера после переделки уменьшилась с 54 до 48 градусов, что объясняется снижением импульсных токов и уменьшением количества накапливаемой в сердечнике энергии, так как часть энергии поступает в нагрузку благодаря трансформации. Таким образом, результаты испытаний подтвердили возможность осуществления способа импульсного преобразования напряжения, проиллюстрированного на рис.4 и применимость его к модернизации существующих импульсных преобразователей. Например, испытуемый драйвер ИПП-220Т035С106Н21 с изменениями, проиллюстрированными на рис.5 может быть модифицирован следующим образом:
- благодаря снижению напряжения на ключе, в качестве ключа могут применяться транзисторы с меньшим максимальным напряжением и соответственно с меньшим сопротивлением открытого канала, что уменьшит потери на сопротивлении открытого канала
- благодаря снижению накапливаемой в сердечнике импульсного трансформатора энергии может быть уменьшен немагнитный зазор и соответственно количество витков в обмотках, что уменьшит потери в них.

На сайте разработчика  http://www.setilumen.ru можно скачать модель описанного импульсного преобразователя для программы проектирования радиоэлектронных схем Electronics Workbench Multisim.

Литература:

1. Раймонд Мэк «Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению» М, Додэка-XXI, 2008г.

2. Описание изобретения к патенту RU2352050C2 опубл. 10.04.2009


                          

        Рубрику «Изобретения в светотехнике» в журнале «Современная Светотехника» ведём с 2015 года. Обязательный ежемесячный анализ новых изобретений позволяет быть в курсе всего нового.