Методы снижения динамических потерь

 

 

Мощность, рассеиваемая в транзисторном ключе в режиме переключения, определяется произведением мгновенных значений тока и напряжения на интервалах фронта и среза импульса тока транзистора. Поэтому методом уменьшения динамических потерь является разнесение во времени интервалов изменения его тока и напряжения. При этом на интервале изменения тока транзисторного ключа напряжение на нем должно быть близко нулевому или, наоборот при изменении напряжения на транзисторном ключе ток, протекающий через него, должен быть близок к нулю. Такой режим работы достигается двумя способами.

Первый способ применяется, когда возможно произвольно варьировать параметрами нагрузки. Тогда параметры нагрузки выбираются таким образом, чтобы к моменту коммутации автоматически выполнялось условие U _кл=0 или I _кл=0. Такой режим возможен, если нагрузка по своим эквивалентным параметрам представляет резонансный контур, а период коммутации кратен резонансной частоте этого контура.

Второй способ используется, если параметры нагрузки строго заданы, и состоит во введении в схему дополнительных цепей, искусственно разносящих во времени переходы тока и напряжения на переключающемся ключе.

      

8.2. Режимы импульсного регулирования мощности.

 

Рассмотрим импульсное регулирование мощности в RL – нагрузке. При питании ИУМ от источника постоянного тока напряжение на нагрузке имеет прямоугольную форму. При этом применяются три режима регулирования мощности. В основном регулирование осуществляется изменением относительной длительности выходных импульсов, т.е. изменением коэффициента заполнения К _з.

Первый импульсный режим (1ИР). В этом режиме питание нагрузки осуществляется последовательностью однополярных прямоугольных импульсов неизменной амплитуды (рис.8.2). Этот режим применяется в нереверсных RL – нагрузках (в которых направление тока не изменяется). Нагрузка может содержать источник противо-ЭДС. Средний ток нагрузки I ₀= I _max(K _з- U ₀/ U _п), где U ₀ – противо-ЭДС в цепи нагрузки, I _max= U _п/ R _н – максимальный установившейся ток нагрузки.

Действующий ток нагрузки .

 

 

Рис.8.2. Последовательность импульсов, питающих нагрузку ИУМ

Пульсации тока в индуктивности нагрузки зависят от выполнения условия: , где  - постоянная времени RL – нагрузки.

Второй импульсный режим (2ИР). В этом режиме питания нагрузки осуществляется прямоугольным переменным напряжением (рис.8.3). Применяется режим для регулирования мощности постоянного тока в реверсируемой RL – нагрузки. Постоянная составляющая тока нагрузки , действующий ток нагрузки .

При одинаковых параметрах нагрузки пульсация тока в индуктивности нагрузки для 2ИР больше чем для 1ИР.

 

 

Рис.8.3. Последовательность импульсов переменного напряжения, питающих нагрузки

Третий импульсный режим (3ИР). Питание нагрузки, как и в 2 ИР осуществляется прямоугольным переменным напряжением (рис. 8.4). Однако в этом случае существуют интервалы, на которых напряжение нагрузки равны 0. Этот режим имеет практическое значение при t _и1= t _и2 и U _п1=÷ U _п2÷, т.е. когда постоянная составляющая напряжения нагрузки равна 0.

 При этом осуществляется регулирование мощности первой гармоники переменного напряжения. Разложив в ряд выражения для первой гармоники выходного напряжения

Рис. 8.4. Последовательность импульсов, питающих нагрузку

 

 

,

где . В 3ИР частота первой гармоники напряжения и тока в нагрузке равна частоте следования импульсов питающего напряжения.

 

8.3.Схемы импульсных усилителей мощности.

 

Для импульсного регулирования необходима определенная структура выходных каскадов импульсного усилителя мощности (ИУМ). Рассмотрим их основные схемы.

 

8.3.1.Схема импульсного усилителя мощности с замыкающим диодом

 

Это не реверсивная схема, осуществляющая на интервале включенного состояния транзисторного ключа подключение на интервале его выключенного состояния (рис.8.5).

Диод служит для нагрузки к источнику питания U _п и шунтирование ее диодом устранения пробоев транзистора, так как к концу импульса L _н достигает значения I_{L н}= I_k (t _и) и попытка разорвать этот ток с помощью транзисторного ключа приведет к появлению противо- ЭДС, которая будет стремиться к поддержанию тока i_{L н} на достигнутом уровне. Это противо- ЭДС складывается с U _п, прикладывается между выводами эмиттера и коллектора, закрывающегося транзистора, что может вызвать его пробои. В схеме может быть реализован только 1ИР регулирование мощности.

 

8.3.2.Схема усилителя мощности с включающим и замыкающим транзисторами

 Схема усилителя мощности с включающим и замыкающим транзисторами содержит два последовательно включенных силовых ключа –транзисторы VT 1 и VT 2 (рис.8.6). Каждый из них шунтирован обратным диодом VD 1 и VD 2. К средней точки транзисторов подключен один вывод нагрузки.

В зависимости от того, куда подключен второй вывод нагрузки (точка А) и закона управления силовыми транзисторами, в данной схеме может быть реализован любой из режимов ИУМ.

Если точка А подключена к одному из выводов источника питания в схеме реализуется 1ИР при положительной или отрицательной амплитуде выходных импульсов. Если в качестве источника питания использован источник со средней точкой и вывод А подсоединить к средней точки этого источника, то в схеме реализуется любой из режимов ИУМ.

Если один из транзисторов будет постоянно заперт, то в схеме будет реализован 1ИР, при чем полярность выходных импульсов будет определятся тем какой из транзисторов будет заперт. Если транзистор управляется синхронно, в противофазе, то схема позволяет реализовать 2ир. При этом, изменяется длительность включенного и выключенного состояний транзисторов VT 1 и VT2, можно регулировать постоянную составляющую U _вых . Если закон изменений U _упр1 и U _упр2 токов, что существует интервал когда оба силовых транзистора заперты, схема реализует 3ИР (полумостовая схема регулирования). Для создания средней точки иногда применяют делитель на емкостных элементах (C 1 и C 2 - показана штриховой линией)

 

 

8.3.3.Мостовая схема импульсного усилителя мощности.

 

Мостовая схема ИУМ позволяет устранить недостаток схемы с замыкающимтранзистором, заключающийся в необходимости использования для реализации 2ИР и 3ИР источника со средней точкой. Схема содержит две полумостовые схемы, в диагональ между которыми включена нагрузка (рис.8.7). В этой схеме можно реализовать все три режима регулирования мощности.

Достоинством схемы является то, что при одинаковом напряжении питания амплитуда выходных импульсов в ней в два раза выше амплитуды импульсов в схеме с включающим и замыкающим транзисторами. Но ее реализация требует удвоенного числа силовых транзисторных ключей и более сложные схемы управления. Поэтому мостовая схема усилителя находит чаще применение при управлении мощной нагрузкой.