Расчет трансформатора обратноходового преобразователя


PDF версия

В статье предлагается новый способ расчета трансформатора обратноходового преобразователя, позволяющий существенно уменьшить долю метода проб и ошибок при конструировании трансформатора. Рассматриваемый метод расчета учитывает изменение таких параметров режима работы преобразователя как частота, длительность импульса, пиковый ток, емкость нагрузочного конденсатора и т.д. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Введение

Обратноходовые преобразователи (ОП) часто используются для получения повышенного напряжения, например в дефибрилляторах, системах зажигания, фотовспышках и т.д.

 

Рис. 1. Упрощенная схема ОП

 

На рисунке 1 приведена упрощенная схема ОП, а на рисунке 2 — идеализированная временная диаграмма его работы. К преимуществам ОП относят простоту схемы, возможность создания высоковольтного напряжения на вторичной обмотке независимо от размера трансформатора, автоматическое ограничение тока короткого замыкания, глубокое регулирование выходного напряжения, возможность работы без дросселя на выходе. К недостаткам ОП причисляют: большие габариты трансформатора, крутые фронты переключения, что порождает проблемы с ЭМИ.

 

Рис. 2. Идеализированная временная диаграмма ОП

Параметры временной диаграммы на рисунке 2 указаны для частоты 50 кГц и коэффициента заполнения 0,45. При включении силового ключа энергия запасается в трансформаторе, а при выключении — заряжает конденсатор; при увеличении напряжения на конденсаторе мертвое время возрастает.
В ОП трансформатор часто рассмат­ривают как индуктор. Индуктивность и ток первичной обмотки при открытом силовом ключе выражаются формулами:

L = VA · ∆t/∆i,    (1)

IPEAK = VA · ∆t/L,   (2)

 

где VA — приложенное напряжение; L — индуктивность трансформатора; ∆t — длительность импульса; ∆i — приращение тока в индуктивности за время
∆t.
Энергия W, запасаемая в сердечнике, определится из выражения:

W = 0,5LII2PEAK.    (3)

Например, при VA = 12 В; ∆t = 15 мкс и L = 60 мкГн ток IPEAK = 3 А, а W = 270 мкДж.
Напряжение на выходной обмотке может достигать очень большой величины, например, в трансформаторе, используемом в ЭЛТ цветного ТВ, выходное напряжение составляло 35 кВ!

 

Пример проектирования 1

Остановимся на случае, когда требуется достичь заданного напряжения, например зарядить конденсатор медицинского дефибриллятора. Исходные данные для разработки приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Исходные данные для проектирования, пример 1
Наименование параметра Численное значение
Конденсатор, мкФ 100
Напряжение заряда конденсатора, В 2000
Время заряда, с 10
Тип преобразователя Обратноходовой преобразователь в режиме непрерывного тока
Рабочая частота, кГц 50
Максимальный коэффициент заполнения 0,45
Максимальная длительность импульса, мкс 9
Входное напряжение, В 12
КПД См. шаг 4 и рис. 3
Индуктивность первичной обмотки Требуется определить
Ток (пиковое значение) Требуется определить

 

На первом шаге определим энергию заряда конденсатора.

WCAP = 0,5CV2CAP = 200 Дж.     (4)

 

Следующий шаг — вычисление числа циклов заряда N. При частоте работы ОП равной 50 кГц получаем:

 

N = 10 c · 50000 импульсов/с = 5·105 импульсов.   (5)

Третий шаг — определяем энергию, передаваемую трансформатору за каждый импульс.

WИМП = 200 Дж/5·105 = 400 мкДж    (6)

 

На четвертом шаге оценивается КПД схемы и энергия, потребляемая от источника питания (в нашем случае 12 В). При вычислениях пренебрегаем потерями в силовых ключах, диоде и трансформаторе.

 

Рис. 3. Зависимость кпд от накапливаемой конденсатором энергии

 

На рисунке 3 показан типовой график зависимости КПД ОП от энергии, передаваемой через трансформатор. Следует помнить, что эта зависимость примерная, и она может меняться в зависимости от используемых компонентов, схемотехники, трансформатора и т.д. Для нашего случая (200 Дж) значение КПД = 0,8, следовательно, энергия, потребляемая от первичного источника, в импульсе составит:

 

WИМП = 400 мкДж/0,8 = 500 мкДж.    (7)

 

На пятом шаге определяются искомые параметры: индуктивность трансформатора и пиковый ток первичной обмотки. Из (1) и (3) получаем

 

L = 12 · 9·10–6/∆i и L = 2W/I2PEAK.

 

Причем ∆i = IPEAK, а W = 500 мкДж; далее

 

12· 9·10–6/IPEAK = 2 · 500·10–6/I2PEAK.
 
Отсюда следует, что IPEAK = 9,259 А. Подставляя полученное значение в (2), получим L = 11,66 мкГн. Похожий расчет для зарядки конденсатора фотовспышки с временными диаграммами приведен в [2] при использовании микросхемы LT3468.

 

Пример проектирования 2

Проиллюстрируем расчет трансформатора ОП еще одним примером (см. табл. 2).

 

Наименование параметра Численное значение
Конденсатор, мкФ 6
Напряжение заряда конденсатора, В 600
Время заряда, с 10
Тип преобразователя Обратноходовой преобразователь в режиме непрерывного тока
Рабочая частота, кГц 50
Максимальный коэффициент заполнения 0,45
Максимальная длительность импульса, мкс 9
Входное напряжение, В 12
Индуктивность первичной обмотки Требуется определить
Ток (пиковое значение) Требуется определить

 

Аналогично проделанным выше вычислениям получаем:

 

WCAP = 1,08 Дж; N = 500 тыс. циклов;

 

WИМП = 4,32 мкДж — учитывая, что

 

КПД = 50% (см. рис. 3); IPEAK = 80 мА;

 

L = 1, 35 мГн.

 

Зная индуктивность и пиковый ток первичной обмотки, можно приступить к процедуре выбора трансформатора. Последний в случае ОП рассматривается в виде двух дросселей, размещенных на общем магнитопроводе. В [3] проиллюстрирован выбор и коэффициента трансформации, и силового ключа, а в [4] детально описаны подробности проектирования трансформатора 2. Воспользовав-шись этими указаниями, выберем n-1-канальный MOSFET типа IRFD220 с максимальным напряжением «сток–исток» равным 200 В. Определим коэффициент трансформации: с учетом запаса ограничим напряжение «сток–исток» 180 В, далее учтем 1,5-кратные выбросы при коммутации из-за индуктивности рассеяния и получим, что напряжение на первичной обмотке не должно превышать 120 В. Следовательно, коэффициент трансформации при выходном напряжении на вторичной обмотке 600 В должен быть равен 5 (600 В/120 В). Силовой ключ выбран с достаточно большим максимально допустимым напряжением для того, чтобы уменьшить коэффициент трансформации, а, значит, и индуктивность рассеяния и тем самым уменьшить коммутационные потери.
Далее, в соответствии с [4], выбираем:
– сердечник — RM5I/-3F3;
– каркас — RM5;
– первичная обмотка — 60 витков проводом AWG31;
– вторичная обмотка — 306 витков, провод AWG 41, коэффициент трансформации 5,1:1; каждый слой заполнен до конца, чтобы уменьшить индуктивность рассеяния.
Результаты измерения параметров готового трансформатора:
– активное сопротивление первичной обмотки — 0,73 Ом;
– активное сопротивление вторичной обмотки — 36,1 Ом;
– индуктивность первичной обмотки — 1,305 мГн;
– индуктивность рассеяния — 5,99 мкГн;
– паразитная емкость вторичной обмотки — 10,2 пФ.

 

Заключение

При разработке ОП следует обратить внимание на два обстоятельства. Первое — при высоком выходном напряжении следует тщательно отнестись к размещению выводов трансформатора и разводке проводников, чтобы не возникало утечек. Другая проблема — выбор конденсатора. Выбор конденсатора с малыми токами утечки при заданных условиях может стать проблемой. Иногда производитель нормирует токи утечки как величину 0,1 от номинального напряжения. Однако токи утечки при зарядке конденсатора напряжением, близким к предельному, могут быть значительно выше. Поэтому необходимо оценить этот параметр. В наших примерах использовался полистирольный конденсатор.

 

Литература
1. Kirby Creel Expedite Transformer Cal­cu­la­tions for Flybacks.
2. Linear Technology Corp., LT3468 Data sheet, LT/TP0105 IK Rev A, 2003.
3. Pressman, Abraham I., Switching Power Supply Design//2nd Edition, McGraw-Hill, ISBN 0-07-052236-7, 1998.
4. Dixon, Lloyd H. Magnetics Design Hand­book//Texas Instruments, 2001.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *