Применение DC/DC конвертеров в цепях переменного тока

выбрать отображение

13 Применение DC/DC конвертеров в цепях переменного тока

Благодаря своей компактности гибридные DC/DC конвертеры быстро занимают доминирующие позиции в высокотехнологичных военных и аэрокосмических приложениях.
Однако по темпам миниатюризации конвертеры для переменного входного тока отстают от своих DC/DC аналогов. Это создает ряд проблем, поскольку ко многим системам, рассчитанным на питание от переменного тока, также предъявляются требования обеспечения высоких рабочих параметров при малых габаритах и весе. Поэтому целесообразно рассмотреть реализацию весьма малогабаритного AC/DC конвертера, построенного на основе небольшого выпрямителя, фильтра и подходящего DC/DC конвертера.
Первые DC/DC конвертеры имели относительно узкий диапазон изменения входного рабочего напряжения. Второе поколение уже обеспечивало работу в диапазоне от 2,5:1 до 3:1. Однако этого недостаточно для обработки высокого уровня пульсаций на выходе выпрямителя переменного тока.
Основным фактором, определяющим ширину диапазона рабочих напряжений DC/DC конвертера, является выбор варианта схемотехнического решения. Лучше всего для реализации максимального диапазона изменения входного напряжения подходит обратноходовая схема преобразователя, которая, как было показано (см. ссылку (2) в разделе 13.3), позволяет достичь соотношения 37:1.
Наиболее широко распространены DC/DC конвертеры, рассчитанные на входное напряжение 28 В. За ними следуют конвертеры с номиналом 270 В и 120 В. Номинальное напряжение 120 В используется в программе международной космической станции «Альфа», а также в некоторых современных спутниках. На базе обратноходовой схемотехники компания MDI выпускает четыре семейства гибридных конвертеров с номиналом 120 В и выходной мощностью от 6,5 до 80 Вт. Диапазон изменения входного рабочего напряжения для этих модулей составляет от 200 В до 80 В при высокой степени подавления пульсаций.
Такие параметры делают модули этой серии идеальными для работы в условиях значительных выходных пульсаций выпрямителя, на вход которого подается номинальное напряжение 115 В переменного тока.
Типовая схема включения приведена на рисунке 19. Переменное напряжение поступает на мостовую схему выпрямления, к выходу которой подключен фильтрующий конденсатор. В маломощных применениях можно обойтись без конденсатора, поскольку с его ролью прекрасно справляется внутренний конденсатор DC/DC конвертера.
Данная конфигурация обеспечивает превосходные характеристики электромагнитной совместимости. Высокочастотные помехи подавляются внутри самого DC/DC конвертера. Низкочастотные кондуктивные помехи минимизируются путем выбора минимально возможной величины конденсатора фильтра, при которой пульсации напряжения на входе конвертера еще не выходят за пределы его рабочего диапазона.


Рисунок 19 — Типовая схема преобразования переменного напряжения 115 В
в постоянное выходное напряжение

Форма сигнала на входе конвертера показана на рисунке 20. Малое значение емкости конденсатора приводит к большой величине угла отсечки, что в свою очередь, обеспечивает высокий коэффициент мощности и относительно быстрое падение уровня низкочастотных гармоник.


Рисунок 20 — Форма напряжения на входе конвертера

Благодаря возможности работать с небольшим внешним конденсатором, или вообще без него, такой источник питания имеет весьма малые габариты.
В таблицах 8-11 приведены минимальные значения емкости требуемых внешних конденсаторов. С практической точки зрения, при выборе величины конденсатора целесообразно обеспечивать некоторый запас, что позволит учесть изменение его емкости с температурой, уменьшить нижнюю границу рабочего напряжения конвертера и снизить величину выходных пульсаций.

Таблица 8 Минимальная емкость конденсатора для конвертеров серии 3070 (до 6,5 Вт)

Частота
переменного входного
напряжения, Гц
Максимальная выходная
мощность конвертера
без внешнего конденсатора, Вт
Минимальная емкость конденсатора
для обеспечения работы конвертера
на максимальной мощности
50 1,6 8,7 мкФ / 200 В
60 2,0 6,5 мкФ / 200 В
400 6,5 -

Таблица 9 Минимальная емкость конденсатора для конвертеров серии 3060 (до 20 Вт)

Частота
переменного входного
напряжения, Гц
Максимальная выходная
мощность конвертера
без внешнего конденсатора, Вт
Минимальная емкость конденсатора
для обеспечения работы конвертера
на максимальной мощности
50 2,2 49 мкФ / 200 В
60 2,6 30 мкФ / 200 В
400 17 3,5 мкФ / 200 В

Таблица 10 Минимальная емкость конденсатора для конвертеров серии 3326 (до 40 Вт)

Частота
переменного входного
напряжения, Гц
Максимальная выходная
мощность конвертера
без внешнего конденсатора, Вт
Минимальная емкость конденсатора
для обеспечения работы конвертера
на максимальной мощности
50 5,4 64 мкФ / 200 В
60 6,5 50 мкФ / 200 В
400 44 3,5 мкФ / 200 В

Таблица 11 Минимальная емкость конденсатора для конвертеров серии 3051 (до 80 Вт)

Частота
переменного входного
напряжения, Гц
Максимальная выходная
мощность конвертера
без внешнего конденсатора, Вт
Минимальная емкость конденсатора
для обеспечения работы конвертера
на максимальной мощности
50 5,4 125 мкФ / 200 В
60 6,5 104 мкФ / 200 В
400 44 6,8 мкФ / 200 В

Гибридные DC\DC конвертеры моделей 3050/3060/3070 обычно обеспечивают подавление пульсаций на 60 дБ при входном напряжении частотой 50-60 Гц и на 42 дБ при напряжении частотой 400 Гц. При использовании конденсаторов с указанными в таблицах номиналами размах пульсаций составит 0,5 % при частоте 50/60 Гц и 2,5 % при частоте 400 Гц. С увеличением емкости конденсатора размах пульсаций уменьшается. Для приложений, рассчитанных на сеть частотой 400 Гц, вариант применения в качестве фильтра небольшой индуктивности может оказаться более предпочтительным, так как это позволит уменьшить габариты и улучшить коэффициент мощности.

13.1 Источники бесперебойного электропитания

В критических приложениях часто встречается требование обеспечения бесперебойной работы от сети переменного тока с использованием резервного аккумулятора. Применение гибридных DC/DC конвертеров позволяет создавать наиболее компактные источники бесперебойного электропитания. На рисунке 21 приведена простая схема бесперебойного источника питания на основе двух гибридных DC/DC конвертеров.


Рисунок 21 — Типовая схема системы резервированного электропитания

Входное переменное напряжение выпрямляется и через блокировочный диод поступает на основной DC/DC конвертер (Converter 1), который вырабатывает все необходимые выходные напряжения. Соединенный с выходом выпрямителя второй диод подает выпрямленное напряжение на зарядный резистор, подключенный к никель-кадмиевому аккумулятору, состоящему из 20 последовательно соединенных элементов. Второй конвертер (Converter 2) работает от аккумулятора с номинальным напряжением 24 В, и вырабатывает на выходе напряжение в диапазоне от 90 В до 100 В. Поэтому выход второго конвертера заперт до тех пор, пока присутствует переменное напряжение питания. Как только переменное напряжение в сети падает, или вовсе исчезает, падает и напряжение, которое запирает выход второго конвертера. Конвертер 2 начинает поставлять напряжение питания на вход конвертера 1.
Цепь генератор (OSC) – счетчик (Counter) – ключ на полевом транзисторе предназначена для отключения второго конвертера от аккумулятора через определенный интервал времени. Это предохраняет аккумулятор от разряда ниже допустимого уровня.

13.2 Требования к конденсаторам

Применяемые в подобных преобразователях конденсаторы должны быть рассчитаны на рабочее напряжение, как минимум от 200 до 250 В. В таких конвертерах можно использовать пленочные, многослойные керамические, танталовые или высококачественные алюминиевые электролитические конденсаторы. Конденсаторы всех этих типов доступны в корпусах, высота которых согласуется с высотой корпусов конвертеров.
Поскольку конденсаторы будут работать при высоком уровне пульсаций, необходимо обращать внимание на величину тангенса угла потерь. Высокое значение тангенса угла потерь ведет к потерям мощности. Для сети с частотой 400 Гц желательно увеличивать емкость конденсатора относительно приведенной в таблицах 8-11 величины, чтобы уменьшить уровень выходных пульсаций конвертера.

13.3 Литературные источники

1. Hnatek, Eugene R. Design Of Solid State Power Supplies, Third Edition. Van Nostrand Reinhold, New York, 1989.
2. Summer, Steven E. and Zuckerman, Leonard. «Wide Input Range Multiple Output Power Supply.» Proceedings of the Sixth International PCI Conference, April, 1983.