Пример расчета магнитного накопителя для обратноходового сетевого

Пример расчета магнитного накопителя для обратноходового сетевого преобразователя.
В обратноходовом преобразователе передача энергии происходит порциями с
промежуточным накоплением всей порции в магнитном сердечнике.
Цикл работы содержит прямой ход (1), когда с помощью ключевого транзистора на
первичную обмотку накопителя поступает напряжение и происходит заряд сердечника ток первичной обмотки линейно возрастает, и обратный ход (2,3), когда закрывается
транзистор, напряжение на всех обмотках меняет полярность и ток перехватывается
выпрямителями вторичных обмоток. Начальный участок обратного хода (2) начинается с
разряда индуктивности рассеяния первичной обмотки через диод и стабилитрон. Ток
вторичной обмотки линейно уменьшается до нуля к началу следующего прямого хода.
Это не обязательно, чтобы сердечник полностью размагничивался, но в сетевых
высоковольтных преобразователях так в более безопасном режиме работает ключевой
транзистор, особенно биполярный, потому, что следующий прямой ход начинается с
нулевого тока. Участок (4) на приведенной временной диаграмме соответствует
отсутствию заряда в сердечнике. Вторичный ток заряжает конденсатор выпрямителя при
пуске и и поддерживает выходное напряжение на нагрузке в процессе работы. В
обратноходовом преобразователе обязательно нужно предусматривать ограничение или
стабилизацию выходного напряжения. Это - генератор тока и выходное напряжение
может возрастать до тех пор, пока что-нибудь не взорвется. Работа цепи стабилизации
приводит к тому, что при возрастании выходного напряжения уменьшается длительность
прямого хода, что влечет за собой уменьшение порций энергии, передаваемых через
накопитель в единицу времени, и это приводит к восстановлению выходного напряжения.
Обратноходовой преобразователь может содержать несколько вторичных обмоток
накопителя. Достаточно стабилизировать напряжение одного из выходов, как другие
также будут стабилизированы, правда немного хуже по изменению нагрузки.
Стабилизация по всем выходам происходит потому, что импульсы напряжения и прямого
и обратного хода (в данном случае нас интересуют импульсы обратного хода) существуют
пропорционально виткам на всех обмотках накопителя и изменение нагрузки по любому
выходу влечет за собой изменение амплитуды импульсов напряжения обратного хода.
Обратноходовой преобразователь получается самым простым и дешевым при небольших
мощностях, особенно при нескольких выходных напряжениях. Для бытовой аппаратуры
выпускаются ИС, состоящие из высоковольтного полевого транзистора и схемы
управления. SGS-Thomson предлагает ViPower design - программный пакет для
разработки обратноходовых источников питания на ИС, которые эта фирма и выпускает.
Контроллер ViRERа выполнен на основе известной UC3842 так, что область применения
этого пакета может быть шире, чем фирменная продукция SGS-Thomson.
Исходные данные.
Выходная мощность 10 ВА. Феррит Ш 6х6. Напряжение питания 220 В, рабочая частота
100 кГц.
Применим полевой транзистор на выходе, например BUZ90, можно и что-нибудь
послабее (IRFBC30). Управляющую часть дешевле всего выполнить на ИС UC3842(:45).
Можно применить интегрированный преобразователь ViPER* или TOP*. Базовое
уравнение: UT = LI = Bsn. Это соотношение годится для случая, когда на обмотку подан
прямоугольный импульс напряжения U так, что за время T ток в индуктивности L
линейно возрастает до величины I. Индукция в сердечнике сечением s при количестве
витков n линейно возрастает при этом на величину B. Задача расчета состоит в том, чтобы
не превысить максимальную индукцию магнитного материала (обычно 0.15-0.3 Т) и
определиться при этом с необходимыми порциями энергии тока , которые нужно
прокачивать через магнитный накопитель за единицу времени.
Мощность, передаваемая в накопитель: 10 ВА, с учетом кпд примем 14 ВА
20 ВА
28 ВА
Выпрямленное сетевое напряжение: Us = 220 В * 1.4 = 300 В
18 В
Форма импульсов: период T= 10 мкс; прямой ход Tf = 2 мкс; обратный ход Tb = 6 мкс;
запас T0 = 2 мкс
При таких параметрах режим прерывистого потока (это когда обратный ход заканчивается
полным прекращением тока во всех обмотках и начинаются свободные колебания;
ключевой транзистор работает в облегченном режиме - прямой ход начинается с нулевого
тока) сохраняется при уменьшении питающего напряжения в 2 раза, при этом в два раза
же, с 2х до 4х мкс, возрастает длительность прямого хода. Длительность обратного хода
остается неизменной. Такое соотношение длительностей прямого и обратного ходов
исторически сложилось для сетевых обратноходовых блоков питания и обеспечивает
компромисс между максимальным напряжением на стоке (коллекторе) и максимальным
импульсным током транзтстора.
Дополнительное напряжение на стоке: Ud = Us * Tf / Tb =300 В * 2 мкс / 6 мкс = 100 В
18*2/6=6В
Дополнительное напряжение на стоке (без учета разряда индуктивности рассеяния
первичной обмотки) появляется на все время обратного хода. Если блок питания имеет
цепь стабилизации выходного напряжения, это напряжение не зависит от напряжения сети
и от нагрузки (естесственно, при допустимых значениях). Исходя из этого напряжения,
максимального напряжения сети, а также в зависимости от схемы цепи гашения энергии
паразитной индуктивности рассеяния первичной обмотки магнитного накопителя
выбирается силовой транзистор. При использовании схемы гашения, состоящей из
импульсного диода и из стабилитрона на 200 В, что приемлемо для мощности 14 Вт,
можно допустить максимальное напряжение сети 280 В, при этом напряжение на стоке в
начальный момент обратного хода будет 280 * 1.4 + 200 = 592 В.
18+6=24В
Расчитываем.
Средний ток в первичной цепи 300 В: Im1 = P / Us = 14 ВА / 300 В = 47 мА
28/24=1167 мА
Максимальный импульсный ток: Ip1 = 2 * Im1 * T / Tf = 2 * 47 мА * 10 мкс / 2 мкс = 470
мА
2*1167*10/2=11670 мА
Максимальный импульсный ток больше среднего в 5 (отношение периода к длительности
прямого хода) * 2 (учет пилообразной формы тока) = 10 раз.
Площадь импульса (прямой ход): Us * Tf = 300 В * 2 мкс = 600 В*мкс
24*2=48В*мкс
Если площадь импульса задать меньше, то будет превышена заданная индукция
сердечника и это приведет к увеличению потерь как в сердечнике, так и в транзисторе
(конечно, если с большим запасом задать максимальную индукцию, то все будет хорошо,
кроме того что обмотка может не поместиться или просто сердечник выбран слишком
большой). Признак того, что индукция в норме - линейное возрастание тока в прямом
ходе. Если индукция превышена, в конце прямого хода ток круто пойдет вверх. Если
площадь импульса выбрать больше, не будет достигнута выходная мощность потому, что
за время прямого хода ток не увеличится на требуемую величину и не накопится нужная
порция энергии. Опять же, если сердечник взят с запасом, можно понизить частоту,
порции энергии возрастут и мощность будет достигнута. Если такое решение устраивает,
то это даже хорошо потому, что с понижением частоты уменьшаются потери на
пеключение в транзисторе, диодах, сердечнике, конденсаторах..
Требуемая индуктивность первичной обмотки: L1 = Us * Tf / Ip1 = 600 В*мкс / 470 мА =
1280 мкГ
48/1167=41мкГ
Число витков первичной обмотки при B = 0.2 Т: n = Us * Tf / B * s = 600 В*мкс / (0.2 *
6мм * 6 мм) = 83
48/(0,2*6*6)=7
Требуемая начальная индуктивность сердечника: A = 1280 мкГ / ( 83 * 83) = 0.186 мкГ
41/(7*7)=0,837 мкГ
Начальная индуктивность - это индуктивность одного витка. Эта величина обычно
приводится в характеристике сердечника. Если ее нет, можно измерить или
приблизительно расчитать. Поэтому дальше есть несколько вариантов:
1. Измерить начальную индуктивность и с помощью увеличения зазора (картонными
прокладками) довести ее до требуемой величины 0.186 мкГ. Нужен измеритель
индуктивности. Лучше намотать побольше витков, например 10. Индуктивность должна
быть в 100 раз больше начальной индуктивности, то есть 18.6 мкГ. После того как с
помощью прокладок довели индуктивность пробной катушки до требуемого значения,
нужно замерить зазор и применять его в дальнейшем.
2. Расчитать зазор, для чего нужно еще знать среднюю длину магнитного пути. Расчет
можно вести так: сначала расчитывается требуемая относительная магнитная
проницаемость сердечника из выражения L = u * u0 * S * n2 / Lэф, где u0 = 1.25 * 10-6 (все
в системе СИ), а потом определяется зазор, который нужен для доведения u до
необходимой величины. Упрощенно, магнитная проницаемость (если зазор большой) u =
Lэф / Lзазора. Опять же, при большом зазоре, исходная проницаемость реального феррита
почти не имеет значения. Выбирать феррит нужно с большим B (0.45) и малыми потерями
на рабочей частоте или брать какой есть и выжимать из него сколько можно.
Если выбранная нами частота по каким то причинам оказалась слишком высокой, нужно
ее уменьшить и пересчитать витки и зазор накопителя. Может оказаться, что не
помещается расчитанная обмотка. Кстати, сечение провода можно брать из расчета
плотности тока 2-6 А/мм2. Лучше брать многожильный провод - меньше потерь и легче
вести укладку витков. Ну, если обмотка все-таки не влезает, тут все понятно - нужен
больший сердечник.
Вот вроде и все. Это, скорее всего, не совсем научно, но зато работает - то есть, если
трансформатор расчитан, то он работает практически с первого раза и подбирать витки не
приходится. Иногда приходится, но во вторичных обмотках или в обмотке связи (питания
самого контроллера), это если надо получить несколько выходных напряжений при
больших разбросах нагрузок.
PS. Естесственно, что выходные напряжения на вторичных обмотках нужно расчитывать
относительно амплитуды импульсов обратного хода на первичной обмотке (100 В в
нашем примере). Для выходного напряжения 12 В нужно: 83 * 12 / 100 = 10 [витков].
7*500/6=583