Проектирование двухтактного преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Расчет двухтактного преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение, выполненный по полумостовой схеме

Исходные данные.

Напряжение нагрузки, U_нгN = 40 В;

Ток нагрузки, I _нгN =4 A;

Допустимое отклонение напряжения нагрузки, ±Д U_нг% = 0,16%;

Напряжение входной сети, U_вхN = 36 В;

Допустимое отклонение напряжения входной сети ±ДU_вх = 15%;

Требуемый коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, k_п2 = 0,04;

Рисунок 1. Схема ДППНIII

Вторичная обмотка трансформатора выполнена с выводом средней точки, а неуправляемый выпрямитель выполнен по схеме двухфазного однотактного выпрямителя. Когда транзистор VT1 открыт на интервале времени 0 < t < tи, а транзистор VT2 закрыт, происходит передача энергии от конденсатора С1 в нагрузку и в накопительный Lф-Cф фильтр. Одновременно происходит подзаряд конденсатора С2. Во время паузы, когда оба транзистора закрыты, конденсатор Сф разряжается на нагрузку и энергия дросселя Lф отдается в нагрузку через оба диода выпрямителя. После открытия транзистора VT2 накопленная конденсатором С2 энергия будет передаваться во вторичную цепь трансформатора, а конденсатор С1 будет подзаряжаться.



Рисунок 2. Временные диаграммы, поясняющие применение широтного способа управления схемы ДППНIII (а, б, в, г): а, б - импульсы управления транзисторов VT1 и VT2, соответственно; в-напряжение вторичной обмотки трансформатора; г - выпрямленное напряжение на входе сглаживающего фильтра

2. Расчет параметров трансформатора двухтактного преобразователя

Для определения коэффициента трансформации трансформатора, k_тр, зададимся максимальным коэффициентом скважности г_max = 0,9.

Это значение г будет при минимальном входном напряжении, U_вх.min и номинальном токе нагрузки I_нг = 4А.

U_вх.min = U_{вх N} (1 - ДU_вх% /100) = 36 (1-0,15) = 30,6 В

U_вх.max = U_{вх N} + ДU_вх =36 (1+0,15) = 41,4 B

Определим требуемую величину коэффициента трансформации трансформатора,

k_тр=(0,5U_{вх. min}-2ДU_кэ.нас - ДU_тр1)*г_max /[U_нгN+ДU_RL+(ДU_тр2+ДU_в.пр) *г_max],

где

ДU_тр - падение напряжения на обмотках трансформатора.

ДU_в.пр - падение напряжения на открытом диоде.

ДU_RL-падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя сглаживающего фильтра.

ДU_кэ.нас - падение напряжения на открытом транзисторе.

Зададимся этими параметрами. Принимаем:

ДU_в.пр =1 В.

ДU_тр1 = 0,02* U_вх.N = 0,02*36 = 0,72 В.

ДU_тр2 =0,02*U_нг.N=0,02*40=0,8 В.

ДU_RL =(0,01-0,02)*U_нг.N= 0,02*40=0,8 B

ДU_кэ.нас=1 В.

Величина коэффициента трансформации:

k_тр =(0,5*30,6 - 1 - 0,72)* 0,9 / [40 + 0,8 + (0,8 + 1)* 0,9] = 0,288

Определим амплитудное значение напряжения вторичной обмотки трансформатора при номинальном значении входного напряжения, U_{вх N} = 36 В:

U_{2m N} =(0,5U_{вх N} - ДU_кэ.нас - ДU_тр2) /k_тр = (0,5*36 - 1 - 0,8)/ 0,288 = 56,25В.

Номинальное значение коэффициента скважности, г_N, определим из соотношения:

(U_{2m N} - ДU_тр2 - ДU_{в пр}.) *г_N = U_нгN + ДU_RL;

г_N = (40 + 0,8) /(56,25 - 0,8 - 1) = 0,75.

Определим минимальный коэффициент скважности, г_min:

г_min =(U_нгN + ДU_RL) /(U_{2m max}-ДU_тр2 -ДU_в.пр.) = (40 + 0,8) / (65,6 - 0,8 - -1) = 0,63,

где U_{2m max} - максимальное значение амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора, определяемое:

U_{2m max} =(0,5U_{вх max}-ДU_кэ.нас -ДU_тр2)/k_тр = (0,5*41,4-1 - 0,8)/0,288 = 65,6 В.

Определим значение напряжения на нагрузке. Без учета падения напряжения на элементах схемы:

U_нг = (0,5* г_N * U_{вх N )}/ k_тр = (0,5*0,75*36)/0,288=46,8 В.

С учетом падения напряжения на элементах схемы напряжение на нагрузке:

U_нг = U_вых = U_нгN * г_N

U_нгN = U_{2m N} - ДU_тр2 - ДU_vD - ДU_RL = 56,25 - 0,8 - 1 - 0,7 = 53,7 В.

U_нг = 53,7*0,75 = 40,2 В.

Далее определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора в номинальном режиме, U_2N

U2N =(4/р*v2)*U2m N *sin (р*гN / 2) = 4/(р*v2)*56,25*0,9238 = 46,8 В.

Действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора

U_1N = U_2N * k_тр = 46,8 * 0,288 = 13,5 В.

Это же напряжение может быть определено через входное напряжение U_{вх N} и г_N:

U_1N=4/(р*v2)*(0,5U_вхN - ДU_кэнас - ДU_тр1)*sin (р*г_N /2)=4*/(р*v2)*(0,5*36 - 1 - 0,72)*0,92=13,5 В.

Рассчитанные значения U_1N одинаковы, что свидетельствует о точности выполненных расчетов.

Определим действующие значения токов первичной и вторичной обмоток.

Действующее значение тока вторичных обмоток трансформатора, I_2N

I_2N = (I₂ / I_d)* I_нгN = 0,707*4 = 2,828 А.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора, I_1N:

I1N = (I1 / Id)* IнгN / kтр = 0,707*4 / 0,288 = 9,8 А.

3. Расчет промежуточного высокочастотного трансформатора

Определим расчетную мощностью трансформатора, S_т:

S_т = (S_т1 + S_т2)/2 = (U_1N *I_1N + U_2N * I_2N) / 2 = (13,5*9,8+46,8*2,8)/2 = 197,2 Вт.

S= U_Nнг *I_{N нг} =40*4 = 160 Вт.

S_т > S

Принимаем для расчета трансформатора мощность Sт =200 Вт.

Исходные данные, необходимые для расчета трансформатора.

Расчетная мощность трансформатора, S_т =200 Вт;

Напряжение первичной обмотки, U_1N = 13,5 В;

Ток первичной обмотки, I_1N = 9,8 А;

Напряжение вторичной обмотки, U_2N = 46,8 В;

Ток вторичной обмотки, I_2N = 2,8 А;

Частота, f_р = 5000 Гц.

Поскольку частота f_р = 5000 Гц применение обычных электротехнических cталей для сердечника магнитопровода трансформатора не целесообразно, ввиду значительных удельных потерь этих сталей на частотах выше 50 Гц.

Поэтому в качестве материала сердечника магнитопровода примем магнитомягкий материал пермалой марки 79 HM с толщиной ленты 0,05 мм. Удельные потери такого материала на частоте f = 5000 Гц и при величине индукции 0,5 Т составляют не более 6 Вт /кг [8].

Рисунок 3. Сердечник

lср. - средняя длина магнитной силовой линии сердечника.

Sc-активная площадь сечения сердечника.

Определим сечение сердечника трансформатора, S_c

Таблица 1. Размеры тороидальных сердечников, выполненных из сплава 79 НМ

S_c = C v[S_c*б*10²/(f*B*j)], см²;

Коэффициент С=0,5. Принимаем остальные параметры равными:

б =2,5; f=5000 Гц; В=0,5 Т; j=2,5 А/мм²;

S_c = 0,5*v(200* 2,5 *10^-2 / 5000*0,5*2,5)=0,0141 м²=1,41 см².

Выбираем 2 сердечника под №5 из таблицы 1.

Площадь окна сердечника,

S_ок = (р /4)*d²=(р /4)*5²=19,6 см²

Площадь сердечника магнитопровода одного сердечника с учетом коэффициента заполнения приведена в таблице 1, S_c=0,8см².

При укладке сердечников друг на друга получим суммарное сечение магнитопровода

S_c = 2*0,8=1,6 см²

Число витков первичной обмотки, W1:

W₁ = U_1N/(4*B*S_c*f)=13,5 *10⁴/(4*0,5*1,6*5000)=8,4.

Принимаем W₁=9 витков.

Число витков вторичной обмотки, W2:

W₂ = W₁/k_тр = 9/0,288= 31,1 виток.

Принимаем W₂ =32 витка.

Уточним величину коэффициента трансформации:

k_тр = W₁/W₂ = 9/32= 0,281.

Сечение провода первичной обмотки, q₁:

q₁ = I_1N/j = 9,8/2,5 = 3,92 мм².

Сечение провода вторичной обмотки, q₂:

q₂ = I_2N/ j = 2,8/2,5 = 1,12 мм².

Провода для обмоток выбираем по справочным данным, приведенным в таблице 39.

Для вторичной обмотки берем 4 провода сечением 0,2734 мм² и наматываем ими обмотку в параллель. Таким образом, реальное значение q₂= 1,09 мм².

Для первичной обмотки берем 4 провода сечением 0,9852 мм² и наматываем ими обмотку в параллель. Реальное значение q₁= 0,9852 *4 = 3,94 мм².

Определим коэффициент заполнения окна трансформатора. Учтем при этом, что трансформатор содержит две первичные и две вторичные обмотки.

k_зап.=(q₁*W₁+2*q₂*W₂)/S_ок=(3,94*9 +2*1,09*32)/19,6=0,0536.

Коэффициент заполнения окна трансформатора с тороидальным сердечником не должен превышать 0,2, т.е. k_зап?0,2. Рассчитанный трансформатор удовлетворяет этому требованию.

Следовательно, трансформатор может быть выполнен.

Определим в первом приближении активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной обмотке:

R_тр =[k_RL*U_нг*10^-3/(I_нг*f*B_m)]*⁴v[(f_c*B_m)/(U_нг*I_нг)];

R_тр =(0,281*40*10^-3)/(4*5000*0,5)]* ⁴v[(5000*0,5)/(40*4)] =2,23*10^-6 Ом.

Электрические потери в обмотках трансформатора:

ДР_эл.тр = I²_нг*R_тр = 4²*2,23*10^-6 = 0,03*10^-3 Вт.

Потери в магнитопроводе трансформатора:

ДРм.тр = Руд*m = 6*(2*0,01) = 0,12 Вт,

где: Руд - удельные потери пермаллоя, m - масса сердечника магнитопровода, кг.

Суммарные потери в трансформаторе:

Р_тр= ДР_эл.тр+ ДР_м.тр=0,03*10^-3 + 0,12=0,12003 Вт

4. Расчет параметров сглаживающего фильтра

Определим значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра, k_п1, для двух значений коэффициента скважности г_min и г_max

k_п1 = [2/(г*р)]*sin (г*р).

При г = г_min, коэффициент пульсаций на входе фильтра

k_п1= [2/(р*0,63)]*sin (0,63*р) = 0,9278.

При г = г_max, коэффициент пульсаций на входе фильтра

k_п1= [2/(р*0,9)]* sin (0,9*р) = 0,219.

Для расчета параметров сглаживающего фильтра принимаем значение k_п1= 0,927.

5. Расчет индуктивности сглаживающего фильтра

напряжение трансформатор двухтактный преобразователь

L_min>U_нг*(1-г_min)/(2*I_нг * f_п).

f_п=2*f=2*5000=10000Гц.

L_min>40*(1-0,63)/(2*4*10000)=0,185*10^-3Гн=0,185 мГн.

Выбираем дроссель D3208 с параметрами:

- индуктивность, L=0,0004 Гн;

- допустимое действующее значение тока обмотки, 6,3 А;

- активное сопротивление обмотки, R_L=0,056 Ом.

6. Расчет емкости сглаживающего фильтра

Емкость конденсатора С_ф определяется с учетом требований по пульсациям выпрямленного напряжения U_п2.

U_п2=k_п2*U_нг=0,04*40=1,6 В.

С_ф=U_нг*(1-г_min)/(8*L*U_п2*f²_п)=40*(1-0,63)/(8*0,4*10^-3*1,6*10000²)= 28,9 мкФ.

Выбираем по справочнику конденсатор, емкость которого не менее 30 мкФ, рабочее напряжение не менее (2*U_нг.N)?108 В, а величина допустимого действующего значения тока переменной составляющей I_{пер.д.з.} не менее действующего значения переменной составляющей тока фильтра ДI_Lд.з.= ДI_L/v12

Величину ДI_L=ДI_C определим по формуле:

ДI_L =[(U_вх.max/*2k_тр) - U_нг]* г_min /(4*L* f_п).

ДI_L=[(41,4/2*0,281) - 40]*0,63/(4*0,0004*10000)=1,32 А.

ДI_Lд.з.= ДI_L/v12=1,32/3,46=0,38 А.

Перечисленным выше требованиям удовлетворяет конденсатор фирмы EPCOS В43504.

Параметры конденсатора:

- номинальная емкость, С_N=270 мкФ;

- номинальное напряжение, U_N=200 В;

- ESR = 0,48 Ом.

- допустимое максимальное значение переменной составляющей тока I_пер.max=3,2 А.

Допустимое действующее значение I_{пер.д.з.}= 3,2/1,41=2,27 А.

Это значение больше того значения, которое будет протекать через конденсатор фильтра при его работе, ДI_Lд.з=0,38 А.

Определим коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, k_п2, который будет при выбранных параметрах фильтра.

Падение напряжения на полном сопротивлении конденсатора фильтра:

U_п2= ДI_Lm*v2*v(х_с²+ESR²)=0,38*1,41*v(0,0589)²+(0,48)²=0,27 В.

х_с =1/(2 р*С* f_п) = 1/(2*3,14*270*10^-6 *1000) = 0,0589

k_п2= U_п2/U_нг=0,27/40=0,0067.

Заданием на проект величина k_п2 определена равной 0,04.

Параметры фильтра удовлетворяют требованию задания по уровню подавления пульсаций выпрямленного напряжения.

7. Проверка фильтра на резонанс

щ_ск = 1/v(L_ф*C_ф)<0,5*щ_п;

щ_ск = 1/v(0,0004 *270*10^-6) =3043 с^-1.

щ_п = 2 р* f_р = 2*3,14*5000 = 31400 с^-1

0,5 щ_п = 15700 с^-1

3043 с^-1<31400 с^-1.

щ_ск < 0,5щ_п

Параметры фильтра удовлетворяют требованию отсутствия резонанса.

8. Расчет загрузки транзисторов по току и напряжению и их выбор

Максимальное амплитудное значение тока вторичной обмотки трансформатора:

I2m max = Iнг.N+ ДIL/2 = 4+1,32/2 = 4,66А.

Максимальное амплитудное значение тока первичной обмотки трансформатора:

I_{1m max} = I_{2m max}/k_тр = 4,66/0,281 = 16,5 А.

Максимальный коллекторный ток транзистора:

Iк m max = 2* Рнг/(Uвх* з * г2min) + ДIL'

Примем з = 0,96.

ДI_L' = ДI_L /2* k_тр =1,32/2*0,281 = 2,34 А.

I_к m max = 2*160/(36*0,96*0,63^{2 )} + 2,34 = 25,5 А.

Среднее значение тока транзистора:

I_{vт ср}= I_{к m max}* г _max=25,5*0,9=22А.

Максимальное напряжение на коллекторе транзистора, U_кэ, равно напряжению U_вх.max = 41,4В.

Транзисторы выбираем с учетом коэффициентов запаса по току и напряжению: k_з.т. = 2 и k_з.н. = 2.

Выбираем 2 полевых транзистора, корпус Module-S BSM151F, с параметрами:

- максимальный ток стока, I_c.max = 56А;

- напряжение сток-исток, U_с-u = 500 В;

- напряжение насыщения, U_{cu нас.} = 2,5 В;

- время включения, t_вкл = 90 нс;

- время выключения, t_выкл= 70 нс;

Драйвер:

Для управления этими транзисторами используем драйвер верхнего и нижнего ключа:

Рисунок 4. Драйвер верхнего и нижнего ключа

В качестве системы питания драйвера, используем типовую схему питания драйверов от однополярного изолированного источника.



Рисунок 5. Схема питания драйвера

Параметры: R11 = 2,7 кОм

С7 = 4,7 мкФ

С8 = 4,7 мкФ

VD = 10 В

Выбор микросхемы:

В качестве системы управления используем универсальную микросхему K1114ЕУ3.

Рисунок 6. Схема универсальной микросхемы K1114ЕУ3

Параметры универсальной микросхемы:

f=1/(0,6*12*10³*0,03*10^-6)=5000 Гц

С₁=10 мкФ

R₃=100 кОм;

R₅=R₇=U_вх/I_затв.=36/0,01=3,6 кОм

R₁=12 кОм;

R₄=2 кОм;

R₂=0,5 кОм;

C₂=0,03 мкФ;

R₆=5 кОм;

R₁₁=500 кОм;

C₃=5 мкФ;

R₈=R₉=R₁₀=R₁₂=15 кОм

Таблица 3. Электрические параметры универсальной микросхемы

1. Напряжение питания	9…36В
2. Опорное напряжение при U	4.7…5.3B
3. Остаточное напряжение при	Не более 1,5В
4. Ток закрытой микросхемы при	Не более 50мкА
5. Ток потребления при	Не более 15мА
6. Температурный коэффициент опорного напряжения	Не более 0,01% С
7. Нестабильность по напряжению ИОП при	Не более 0,05%
8. Длительность фронта (среза) импульса выходного тока	Не более 200 нс

Расчет емкости конденсатора входного делителя.

Емкость конденсатора входного делителя необходимо рассчитывать исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций Um п выбранного типа конденсатора по формуле:

С1=Рнг/(4*з*fп*Um п*Uвх.min) = 160/(4*0,95*10000*41,4*30,6) = 3,32 мкФ.

где fп - частота пульсаций выпрямленного напряжения,

fп=2*fр = 2*5000 = 10000 Гц.

Uвх.min - минимальное значение входного напряжения.

Uвх.min = Uвх - ДUвх = 30,6 В.

Выбираем конденсатор фирмы EPCOS В43504.

Параметры конденсатора:

- номинальная емкость, С_N=270 мкФ;

- номинальное напряжение, U_N=200 В;

- ESR = 0,48 Ом.

- допустимое максимальное значение переменной составляющей тока I_пер.max=3,2 А.

Размещено на Allbest.ru