На рис. 7.13,2 показан преобразователь с многоячейковым выпрямителем, работающий по системе О, - [7.14]. Он так же, как и предыдущие, имеет общий для дополнительных ячеек трансформатор и ключи на выходе выпрямителя каждой ячейки, но отличается от него тем, что в цепи нагрузки включены диоды только одного выпрямителя 5осн, благодаря чему повышается КПД при малом коэффициенте ku преобразователя, т. е. когда преобразователь преобразует высокое напряжение (сотни вольт) в низкое (единицы вольт). Расчетные соотношения для элементов данного преобразователя соответствуют рассмотренным выше для преобразователя системы О, - на рис. 7.12, а с учетом объединенного трансформатора дополнительных ячеек.

2 Расн

Рис. 7.14. Схемы суммирующих выпрямителей мостового типа

Отдельные выпрямители Босн, Bi, В2, Bn в схемах на рис. 7.13, а, б могут быть заменены одним суммирующим выпрямителем [7.15], показанным на рис. 7.14, а-г соответственно для Л^=1, 2, 3, 4. К входу выпрямителя подключены показанные на рис. 7.14 вторичные обмотки трансформаторов ячеек Троен, Три Тр2..... TpN. Остальная часть схемы не показана.

Из рис. 7.14 видно, что при всех включенных ячейках напряжения на вторичных обмотках трансформаторов суммируются и прикладываются к нагрузке через N/2+1,5 диодов при нечетном Л' или через N/2 + 2 диодов при четном Л' в каждом полупериоде. При отключении какой-либо дополнительной ячейки путем размыкания цепи первичной обмотки трансформатора к нагрузке через то же число диодов прикладывается в каждом полупериоде суммарное напряжение вторичных обмоток остальных включенных ячеек.

Так как в схеме на рис. 7.13, а, 6 число диодов, обтекаемых током нагрузки в каждом полупериоде, равно 2Л^ + 2, потери в диодах при использовании суммирующего выпрямителя (рис. 7.14) уменьшаются в число раз, равное

i {N I)/{N -\-3) при нечетном Л^; 4(Л^ + l)/(iV + 4) при четном Л^,

(7.45)

т. е. в 2 раза при Л^=1 И 2 и в 2,66 и 2,5 раза при Л^=3 и 4. Одновременно уменьшается число диодов, составляющее в схемах на рис. 7.14 Пд = 6 -{- 3,5 {N - 1) при нечетном N;

Пд = 7+3,5(Л^ -2) при четном Л^; (7.46)

Пд = 9 при N = 2.

Для уменьшения потерь в диодах могут быть включены дополнительные диоды, шунтирующие несколько последовательно соединенных диодов (на рис. 7.14,6 показано штриховыми линиями).

При выполнении вторичных обмоток с отводом от средней точки для уменьшения потерь в диодах при низковольтном сильноточном выходе преобразователя суммирующий выпрямитель выполняется по схеме, изображенной на рис. 7.15. При запирании транзисторов, включенных на первичной стороне трансформатора

Рис. 7.15. Схемы суммирующих выпрямителей нулевого типа

дополнительной ячейки, одинаковый ток проходит по половинам вторичной обмотки во встречном напряжении, не вызывая перемагничивания сердечника.

В данном выпрямителе независимо от числа ячеек при любом сочетании включенных ячеек в цепь нагрузки входит только одно падение напряжения на диоде, т. е. обеспечивается высокий КПД. Расчетная мощность трансформатора каждой ячейки увеличена на 20 % по сравнению с мощностью трансформатора в схеме на рис. 7.14, а число вторичных обмоток дополнительных ячеек увеличивается в геометрической прогрессии со знаменателем два, начиная со второй ячейки попарно в схеме на рис. 7.15, а [7.161 и начиная с первой по одной в схеме на рис. 7.15,6 [7.17J. Суммарная расчетная мощность всех обмоток трансформаторов в схеме на рис. 7.15,6 увеличена по сравнению с мощностью трансформаторов в схеме на рис. 7.15, а. Положительной особенностью схемы на рис. 7.15,6 является объединение одноименных электродов всех диодов, что упрощает конструкцию и технологию изготовления выпрямителя.

7.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ДЕЛЕНИЕМ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЯЧЕЕК С ТРАНСФОРМАТОРАМИ

Так же как и в § 7.5, ступенчатое регулирование (стабилизация) постоянного напряжения может быть выполнено путем разбивки преобразователя на ячейки с неодинаковым коэффициентом трансформации, выбранным по закону двоичного счета, но с вклю-

чением последовательно не выходных, а входных цепей ячеек и подключением выходов ячеек через отдельный выпрямитель к общим выходным выводам. Такой преобразователь на двухтактных ячейках нулевого типа показан на рис. 7.16, а. Для отключения какой-либо дополнительной ячейки ПЯи ПЯ2, ПЯN в данном преобразователе необходимо открыть оба транзистора данной ячейки. Потребляемый ток, протекая по половинам первичной обмотки трансформатора во встречном направлении, не вызывает перемагничивания сердечника, напряжение на обмотках близко к нулю и выходной выпрямитель ячейки запирается. При этом напряжение на входе остальных ячеек увеличивается. Для полного исключения потерь мощности в отключенной ячейке ее вход можно защунтиро-вать дополнительным транзистором Тш\ (показан штриховыми линиями на рис. 7.16, а) или выполнить ячейку по мостовой схеме и для ее отключения открывать все четыре транзистора.

На рис. 7.16,6 показан вариант выполнения преобразователя с одной дополнительной ячейкой и с последовательным соединением первичных обмоток трансформаторов [7,18], а на рис. 7.16, в - тот же вариант, но с двумя дополнительными ячейками. В схеме на рис. 7.16,5 при открытом транзисторе 7i.i(7i.2 ) включены обе ячейки, а при открытом транзисторе Готн-Т j(7och-2)-только основная ячейка.

В схеме на рис. 7.16,0 при открытом транзисторе 72-1 (Г2.2) включены все три ячейки, при открытом Ты (Г1.2)-основная и первая ячейки, при открытом Toch-i(7och-2 )-основная и вторая ячейки, а при открытых одновременно Госн-ь Т'ы, 72-1 (Т'осн-г, Л-г, 7*2-2) -только основная ячейка.

В отличие от схемы на рис. 7.16, а в схемах на рис. 7.16,6, в потребляемый ток протекает только через один транзистор независимо от числа включенных ячеек, а в отключенных ячейках в боль-щинстве состояний обесточивается не только вторичная, но и первичная обмотка трансформатора без введения шунтирующих транзисторов. Указанные особенности этих вариантов приводят к повышению КПД преобразователя.

Схемы с включением во входную цепь преобразователя только одного транзистора могут быть построены также по принципу схем, показанных на рис. 7.15, если вместо диодов включить транзисторы, а вторичные обмотки трансформаторов включить через выпрямители параллельно на общую нагрузку. Такие схемы на примере двух ячеек показаны на рис. 7.16, г, д.

В этих схемах первичная обмотка трансформатора не обесточивается при отключении ячейки, что является недостатком по сравнению со схемой на рис. 7.16,6, однако они являются не двух-зонными, а трехзонными за счет возможности отключения ячейки

Тросп-Вося-

Вариант схемы на рис. 7.16, г, несмотря на увеличение числа первичных обмоток в одном из трансформаторов, позволяет упростить блок управления по сравнению со схемой на рис. 7.16, бла-

Рис. 7.16. Преобразователи с трансформаторными ячейками, включенными по входу последовательно

годаря объединению эмиттеров всех транзисторов независимо от числа ячеек.

При выполнении первичной стороны ячеек по принципу мостовых также может быть уменьшено число последовательно включенных во входную цепь преобразователя транзисторов, если использовать принцип построения суммирующих схем, показанный на рис. 7.14, путем замены диодов транзисторами. Такие схемы для двух и трех ячеек {N=1 и N=2) показаны на рис. 7.16, ж соответственно. Приведенные в § 7.5 количественные соотношения

ТРосн

Трг

Рис. 7.17. Преобразователь с общим инвертором и с последовательным включением трансформаторных входов ячеек

(7.45) и (7.46) для диодов схем на рис. 7.14 относятся и к транзисторам схем на рис. 7.16, е, ж [7.19]. В схемах данного типа при отключении ячейки ее трансформатор полностью обесточивается.

На рис. 7.17, а показана схема с общим мостовым инвертором на транзисторах Т\-Та, на выходе которого включены последовательно трансформаторные входы ячеек, причем в дополнительных ячейках эти входы шунтированы ключами переменного тока [7.20]. Отключение ячейки осуществляется отпиранием ключа, шунтирующего ее вход. По сравнению со схемой на рис. 7.16, а в данной схеме уменьшено число транзисторов в тем большей степени, чем больше число ячеек.

Еще меньше транзисторов имеет схема с включением коротя-щих .ключей на выходе выпрямителя, как показано на рис. 7.17,6 [7.21], но при этом в выходную цепь каждой ячейки последовательно вводится разделительный диод, что снижает КПД.

Из принципа работы рассмотренных преобразователей с делением входного напряжения видно, что они относятся к системам О, - , рассмотренным в § 7.5, и поэтому для них справедливы вы-

ражения (7.21), \7.25) - (7.28), (7.31) и (7.34) с тем отличием, что в них вместо напряжения на нагрузке Unmax, Un.cp подставляют

приведенные значения Uптах = Unmax/kumax, UUn.cv / kumaxy где kumax=Un.cp/Unmin, a ПОД НаПрЯЖеНИСМ Uocn, t/iHon, 2Доп, ...

Unnon понимается не выходное, a входное напряжение (на первичной обмотке) ячейки. Поэтому коэффициент трансформации трансформаторов в данных преобразователях

тр.осн

k U

Umax осн.

k = k /и

трпдоп Umax пдоп

(7.47)

Через транзисторы всех ячеек, в том числе и через транзисторы^ шунтирующие входы ячеек, протекает потребляемый преобразова-

Рит. 7.18. Преобразователь с последовательным включением входов ячеек и выполнением части ячеек с автотрансформаторами

телем ток, который максимален при минимальном входном напряжении. Поэтому для каждого транзистора /т* = 1, а суммарный расчетный ток транзисторов равен их числу в соответствии с тем или иным вариантом выполнения схемы:

2/,* = N. (7.48)

Токи диодов выпрямителей Боен и Вп соответственно равны:

/ = I Ik = и Ik

д.осн. т. тр.осн осн. Umax*

дпдоп. -т.тр/гдоп njsfinJUmax

(7,49)

а суммарный ток диодов равен току нагрузки, т.е. 1,1л* = 1/китах.

В тех случаях, когда не требуется глубокого преобразования уровня напряжения, а необходима лишь его стабилизация {ku близок к единице) и когда допустима гальваническая связь входа с

выходом, основная ячейка исключается, а одна или две дополнительные ячейки выполняются на автотрансформаторах, как показано на рис. 7.18,

Преобразователь при этом становится многоячейковым вольтодобавочным по типу схем, рассмотренных в гл. 4. С целью максимального уменьшения габаритных размеров преобразователя в схеме на рис. 7.18, а дополнительная ячейка максимальной мощности, т.е. ячейка ПЯN, выполняется с автотрансформатором.

В схеме на рис. 7.18,6 обе дополнительные ячейки выполнены с автотрансформатором, но при этом выходные выводы преобразователя не соединены с входными, что в ряде случаев неприемлемо. Дополнительные ячейки в вольтодобавочном преобразователе (рис. 7.18, а) могут быть выполнены с уменьшенным числом транзисторов и меньшими потерями мощности по схемам типа показанных на рис. 7.16,2-ж.

Общим положительным свойством схем, рассмотренных в данном параграфе, является включение в цепь тока нагрузки последовательно диодов только одного выпрямителя, что обеспечивает высокий КПД, особенно при низковольтном сильноточном выходе преобразователя. Кроме того, при малых кратностях изменения входного напряжения (ес;<1,5) существенно снижены напряжения на всех транзисторах схем на рис. 7.18 и на транзисторах дополнительных ячеек схем на рис. 7.16, а - в, что позволяет при входном повышенном напряжении (300-500 В) использовать транзисторы невысокого допустимого напряжения, обладающие, как правило, лучшими характеристиками по сравнению с характеристиками высоковольтных транзисторов.

7.7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С КОНДЕНСАТОРНЫМИ ДЕЛИТЕЛЯМИ ВХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Преобразователи с делением входного напряжения могут быть выполнены путем каскадного соединения бестрансформаторных ячеек, осуществляющих деление постоянного напряжения на два с помощью транзисторов, диодов и конденсаторов. При каскадном соединении вход каждой последующей ячейки подключается к выходу предыдущей.

На рис. 7.19, а-в показаны три варианта таких преобразователей, выполненных путем каскадного соединения трех ячеек с делением постоянного напряжения на два, показанных на рис. 4.34, а- в соответственно.

Коэффициент деления напряжения таких преобразователей

/дел = З'. (7,50)

где Мя - число ячеек.

Каждая ячейка в схеме на рис, 7.19, а содержит по четыре транзистора и четыре диода, а в схемах на рис. 7.19,6, в вдвое меньше как транзисторов, так и диодов.

XAi-2 Аг-г

Рис. 7.19. Преобразователи с конденсаторными делителями входного напряжения, включенными каскадно

Токи транзисторов, диодов и конденсаторов в каждой последующей ячейке вдвое больше, чем в предыдущей, а напряжения, приложенные к этим элементам, вдвое меньше. Суммарный ток транзисторов во всех преобразователях на рис. 7.19

S/, =4(/гдел-1). (7.51)

Суммарный ток диодов (среднее значение) и токи конденсаторов (действующие значения) в этих преобразователях

2/д. = 2/с. = 2 (7.52)

Суммарная расчетная мощность транзисторов

2Р,* =2iVя = 21g2дeл. (7.53)

Суммарная расчетная мощность конденсаторов

2Рс.=Х = ё.* л- (7.54)

Уменьшенное вдвое число транзисторов и диодов в схемах на рис. 7.19,6, в по сравнению с числом транзисторов и диодов в схеме на рис. 7.19, а приводит к увеличению вдвое их нагрузки по току.

Недостатком схемы на рис. 7.19,6 является отсутствие непосредственного соединения выводов нагрузки с выводами источника питания, а схемы на рис. 7.19, в - прерывистый характер потребляемого тока и увеличенные пульсации напряжения на нагрузке при данной емкости конденсатора.

принципиально ячейки во всех схемах на рис. 7.19 могут работать на разных частотах с любым взаимным сдвигом фаз. Однако при синхронной работе ячеек и взаимном сдвиге фаз на угол л/Л^я в схемах на рис. 7.19, а, б пульсации напряжения на нагрузке уменьшаются так же, как в схемах, рассмотренных в § 7.3. В схеме на рис. 7.19, в частоту каждой последующей ячейки целесообразно выбирать в несколько раз меньшей частоты предыдущей ячейки.

На рис. 7.20 показана схема преобразователя с конденсаторным делением входного напряжения, в которой используется один выпрямитель Д1-д4, а коммутатор выполнен в виде последовательно соединенных мостов транзисторов [7.22], которые управляются синхронно и синфазно, т.е. в один полупериод одновременно открыты Ты, Ti.4, t2.ut2.4, а в другой Ti.2, Гьз, Г2.2, 72-3 . Конденсаторы, связывающие выходы мостов с выходом выпрямителя, могут быть включены либо последовательно, либо параллельно, как показано штриховыми линиями.

Из принципа работы данной схемы следует, что через каждый транзистор протекает одинаковый ток, равный току, потребляемому преобразователем, и к каждому из них в закрытом состоянии приложено одинаковое напряжение, меньшее входного напряжения источника в /гдел раз. В данном преобразователе коэффициент деления /гдел = Л^я+1.

Суммарный ток транзисторов и их число определяется по

(7.51), а суммарная расчетная мощность транзисторов

SP =4(1-1/дел). (7.55)

Рис. 7.20. Преобразователь с конденсаторным делителем входного напряжения и коммутатором в виде последовательно включенных транзисторов

Суммарный средний ток диодов определяется по (7.52) и суммарный ток конденсаторов при их параллельном соединении (штриховые линии на рис. 7.20) также определяется по (7.52). При последовательном соединении конденсаторов приложенные к ним напряжения, равные Uu/kmn, выравнены, но протекающие по ним токи становятся неодинаковыми и суммарное значение тока конденсаторов данного варианта

2/с. = дел(дел-1).

(7.56)

Суммарная расчетная мощность конденсаторов для обоих вариантов одинакова:

= ел-1-

(7.57)

На рис. 7.21 показаны построенные по (7.53) - (7.55) и (7.57) зависимости мощностей транзисторов и конденсаторов от коэффициента деления входного напряжения для каскадных схем на рис. 7.19 сплошными линиями, а для схем с коммутацией последовательно соединенных транзисторов на рис. 7.20 - штриховыми линиями. Каскадные схемы по сравнению со схемами с коммутатором имеют меньшее число транзисторов и конденсаторов, но большее число диодов. Суммарная расчетная мощность диодов сравниваемых видов схем одинакова.

Рис. 7.21. Зависимость расчетных мощностей транзисторов и конденсаторов в схемах на рис. 7.19 и 7.20 от коэффициента деления входного напряжения

2 Ч Б 8 W П

дел

При увеличении коэффициента деления резко увеличивается расчетная мощность транзисторов и, следовательно, снижается КПД каскадных схем.

В схемах с коммутатором расчетная мощность транзисторов увеличивается незначительно. Однако при этом резко растет расчетная мощность конденсаторов, что не наблюдается в каскадных схемах.

Преимущество схем с коммутатором (см. рис. 7.20) по сравнению с каскадными схемами (см. рис. 7.19) состоит также в том, что они обеспечивают равномерную нагрузку всех транзисторов как по напряжению, так и по току, т. е. преобразователь может быть выполнен на низковольтных транзисторах при относительно высоковольтной питающей сети. Кроме того, в этих схемах коэффициент деления напряжения может быть взят любым, а не только в соответствии с (7.50), как в каскадных схемах.

Выбор того или иного вида и варианта схемы преобразователя определяется на основании приведенных расчетных соотношений и зависит от располагаемой элементной базы, заданного коэффициента деления, уровня питающего напряжения, частоты коммутации транзисторов и других факторов.

Помимо рассмотренных схем преобразователей с конденсаторными делителями напряжения известно множество схем конденсаторных делителей, основанных на заряде конденсаторов непосредственно от источников питания в параллельном (последовательном) включении и в разряде их через транзисторы в последовательном (параллельном) включении (см. например, [7.23]).