Convertisseurs impulsions avec une charge légère

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Convertisseurs impulsions avec une charge légère

Dans la documentation technique sur la puce du contrôleur des convertisseurs d'impulsions, vous pouvez être trouvé des sections entières en mode de charge dédié “ligth” (charge légère), dans lequel le courant de sortie est considérablement plus faible que la valeur nominale ou inexistante. Le contrôleur moderne avec une charge légère peut fonctionner en mode continu, mode rafale, discontinue mode de conduction, mode de conduction continue forcé et un autre mode moins commun. Certaines puces prennent en charge différents modes de fonctionnement, qui permettent d'optimiser les caractéristiques du convertisseur en fonction de la situation spécifique.

La présence de nombreuses options montre que le travail sous charge légère a ses propres caractéristiques. Dans la littérature sur le sujet, on voit que tous les auteurs distinguent deux modes de fonctionnement de l'unité d'alimentation, en fonction de la nature du courant (ou d'un ruisseau) puissance inducteur (figure 1). Une CCM (mode de conduction continue) le courant inducteur circulant à la période de conversion entière, en contraste avec le mode discontinu DCM (discontinue mode de conduction), dans lequel le courant inducteur est absent pendant un certain temps. Et s'il n'y a pas de problème avec l'analyse des processus électriques en mode continu, vous ne pouvez pas dire la même chose en mode discontinu, les processus de ce régime sont beaucoup plus compliqués et, la plupart des gens ne considèrent pas ce problème ou de fournir des explications complexes et obscures de ce qui se passe dans la partie de la puissance du circuit.

figure 1 Le flux magnétique en mode continu et discontinu.

Alors, quelle est la caractéristique de la charge légère?

après tout, s'il n'y a pas de problèmes lorsque vous convertissez votre 100% puissance, Alors pourquoi apparaissent lorsque vous convertissez 1%?

Dans le monde réel, cela ne se produit pas habituellement. Si le sac ne se déchire pas quand il contient 10 kg, Il ne se cassera pas si elle ne contient que 100 g De même, Si un camion avec une capacité de charge 3 tonnes est chargé avec beaucoup de poids 30 kg, il devrait y avoir aucun problème sur le voyage.

Mais cela ne concerne pas les convertisseurs d'impulsions. Pour ces régimes, procédés pour convertir le 1% de la puissance sont significativement différents de procédés à pleine charge. E, peut-être, Ce problème ne nécessite pas une attention particulière, comme s'il n'y avait pas d'applications de conversion d'énergie récemment bidirectionnelle, dont la réalisation est impossible sans une compréhension détaillée des caractéristiques du régime de charge de la lumière. Parmi ces applications, il existe des convertisseurs de tension CA (convertisseurs de courant alternatif / AC), onduleurs réseau pour les centrales solaires et éoliennes, régulateurs de puissance pour des dispositifs alimentés par batterie et d'autres.

Dans cet article, je vais examiner les caractéristiques de fonctionnement des convertisseurs d'impulsions dans tous les modes possibles, du point de vue de la direction du transfert d'énergie:

• transmission – lorsque l'énergie est transférée depuis l'entrée du convertisseur à sa sortie,

• au minimum – lorsque l'énergie ne se transmet pas,

• récupération – lorsque l'énergie est transmise dans la direction opposée – l'entrée du.

Mode d'affichage

Considérez le travail d'un convertisseur flyback idéalisée (assemblé avec des éléments sans perte avec des caractéristiques idéales). Dans le mode le plus courant, Appelons mode de transfert, l'énergie électrique est transmise dans une direction: à partir de l'entrée du convertisseur à sa sortie.

Dans ce mode, l'énergie de la source d'alimentation à la charge arrive en portions (pouls) la valeur W_LUTIN. Chaque deuxième convertisseur N passe_LUTIN énergie. Chaque partie est convertie en deux phases (figure 2). Dans la première phase de l'énergie W_LUTIN par l'intermédiaire du commutateur fermé S1 est transmise à partir du champ électrique dans le condensateur C1 au champ magnétique de l'inductance L1, dans la deuxième phase du champ magnétique L1 par l'intermédiaire du commutateur S2 fermé est versé dans le champ électrique du condensateur C2.

figure 2. Mode de transmission.

La charge connectée à la sortie du convertisseur consomme de l'énergie à partir du condensateur C₂ à une vitesse P_H . La quantité d'énergie dans le condensateur W_C2 et la tension sur les plaques sont liées:

(1)

Colombe

la_la – tension sur le condensateur C2, égale à la tension de sortie du convertisseur;
C_C2 – la capacité du condensateur C2.

La plupart des convertisseurs stabilisent la tension de sortie, supportandola, et ensuite la quantité d'énergie dans le condensateur C₂, il est constant. De toute évidence, pourquoi, la condition suivante doit être satisfaite:

(2)

Si la condition (2) Il ne se contente pas, alors la quantité d'énergie dans le condensateur C2 continuera d'augmenter (le F_H<W_LUTINN_LUTIN) ou diminuer (le F_H> W_LUTINN_LUTIN) jusqu'à ce qu'il établit un nouvel équilibre ( P_H= W_LUTINN_LUTIN= 0), ou quelque chose ne casse pas, en raison d'une augmentation constante de la tension sur le condensateur conduira tôt ou tard à la rupture du diélectrique.

Sous charge légère, la puissance P_H tend vers zéro, puis afin d'éviter l'augmentation de la tension de sortie, le contrôleur doit réduire N_LUTIN o_LUTIN , ou les deux.

Il est plus facile pour le contrôleur de changer la’_LUTIN . Dans ce cas,, dans des conditions de charge normales, le nombre d'impulsions correspond à la conversion de fréquence (N_LUTIN= f_PR), et pour des charges légères, une partie des cycles est ignorée (N_FMI<F_PR). Ce mode est le mode saut d'impulsion défini. Toutefois, W_{JE SUIS} il a diminué, la sortie de l'impulsion se déplace dans basse fréquence (figure 3), dont il est inacceptable dans certains cas. donc, à la charge légère, il est également souhaitable de réduire la quantité de W d'énergie_LUTIN converti par cycle.

figure 3. saut en mode d'impulsion.

Pensez à quelle influence la valeur W_LUTIN . L'énergie en entrée du transformateur L1 se produit quand il est connecté au condensateur C1 par l'intermédiaire de son bouton S1. Nous savons qu'au moment de la fermeture de la clé S1 après le cycle de conversion précédente il y a une certaine quantité de W d'énergie_HF:

(3)

Colombe

fa_MIN – le flux magnétique du circuit magnétique lors de la fermeture de S1;
UNE_L – Il est le paramètre de conception du circuit magnétique, Couramment utilisée pour calculer l'inductance L de ses enroulements (L = N²UNE_L, où N est le nombre de tours).

figure 4.Paramètres du flux magnétique du transformateur.

La clé S1 est fermé pendant un temps t₁ dans lequel l'enroulement W1 L1 de la tension d'entrée U est appliquée_BX , sous l'action dont, selon la loi de Faraday, le flux magnétique dans l'inductance est modifiée par une quantité ΔФ

(4)

où N₁ est le nombre de spires d'enroulement W1.

Donc, quand il est ouvert le bouton S1, le flux magnétique dans le transformateur atteindra la valeur Ф_MAX :

(5)

qui correspond à l'énergie W_MAX:

(6)

En soustrayant (6) l'énergie magnétique au moment de la fermeture de la clé S1 (3), Vous sont obtenus dans la quantité d'énergie transmise par le transformateur condensateur C1:

(7)

où ФСР = valeur moyenne du flux magnétique dans l'intervalle t1 :

(8)

la formule (7) Elle montre que la puissance absorbée par la charge influencer les paramètres du flux magnétique dans le transformateur. Pour réduire le W_LUTIN sous faible charge, vous devez réduire la Φ constante_CP Df ou les variables des composantes du flux magnétique.

La valeur est déterminée par ΔΦ (4). De tous les composants de cette formule, le contrôleur ne peut changer la durée t₁ , parce que dans presque tous les convertisseurs grâce à une clé S1. Toutefois, la tension de sortie dépend également de t₁ , qui est défini pour le convertisseur flyback par la formule:

(9)

Colombe

N₂– nombre de spires de l'enroulement W2
t₂ – la durée de l'état fermé sur le bouton S2

donc, afin d'assurer que la tension de sortie ne change pas, avec t₁ vous devez changer t₂ de telle sorte que le rapport t₁/ t₂ reste le même (figure 5). Mais lors de l'utilisation d'une diode semi-conductrice non contrôlée comme la clé S2, la capacité de contrôler la durée t₂ il est impossible. Et même si t₂ Il diminue automatiquement et que le contrôleur peut fournir le rapport désiré t₁/ t₂, tout de même, pour réduire t₁, même avec t₂, Il est possible que dans certaines limites. Tôt ou tard, il viendra un moment où t₁ o t₂ Ce sera moins le temps nécessaire pour changer les clés, parce qu'ils sont dans la pratique pas idéale.

figure 5. Fluxe magnétique en mode discontinu.

Il se trouve que d'une manière discontinue, qui est utilisé dans cette méthode de gradation, l'onduleur ne peut pas, dans la ligne de principe stabilisée à vide tension lorsque P_N= 0, t₁= 0 e t₂= 0. Si le contrôleur ne supporte pas l'impulsion supplémentaire en mode discontinu , puis la section de puissance doit nécessairement avoir une charge minimale, à laquelle il est encore possible de maintenir une certaine façon la tension de sortie dans les limites requises, sinon il ne sera pas contrôlable. Pour ce faire, la sortie est habituellement chargé avec une résistance de perte d'avoir la charge minimale.

Mode au minimum

selon (7) e (9), l'appui du régime de faible charge peut être garantie par la diminution de la valeur moyenne du flux magnétique Φ_CP , de préférence sans changer t₁ e, en conséquence, DF. selon (5), l'élément mobile DФ déterminé en considérant le signe du flux magnétique, Toutefois, si vous avez fa_MIN = -F_MAX , donc, par la formule (8), Vous F obtenu_CP= 0 pour des valeurs arbitraires fa_MIN e F_MAX .

Ce qui nous donne cette?

La composante variable du flux magnétique ΔΦ dépend du rapport entre les tensions à l'entrée et à la sortie du convertisseur; dans ce_DANS/ la_{EN DEHORS} , second (9), Cela dépend de t₁ , et elle, second (4), DF. donc, Af pendant le fonctionnement du convertisseur est effectivement déterminée par la stabilisation de la tension de boucle. Se il 100% du convertisseur de puissance fonctionne en mode- Pause (F_Dois-je> 0), diminuer la valeur du courant de charge P_DÉBUT e P_AVEC Ils sont réduits du même montant sans changement Af. Ces processus se déroulent aussi longtemps que F_Dois-je ne sera pas atteindre la valeur zéro (figure 6).

A partir de ce moment, l'entraînement se déplace vers le mode de faible charge et son fonctionnement dépend en outre déjà à partir de l'élément de base de la section d'alimentation.

figure 6 Le flux magnétique lorsque le courant de charge diminue.

Si la clé S2 est une diode semi-conductrice est non contrôlée, le variateur passe en mode discontinu dans lequel Af et F_SR Ils sont réduits en réduisant simultanément t₁. Mais si les touches S1 et S2 peuvent passer le courant dans les deux sens, par exemple, quand constitué par MOSFET, le variateur passe en mode de conduction continue forcée. Dans ce mode, la composante variable de Af ne change pas et la diminution de la puissance convertie se produit uniquement en raison d'une diminution de fa_CP.

figure 7. Fonctionnement du convertisseur inactif.

Une nouvelle baisse du courant de charge va conduire à un changement encore plus grand que le flux magnétique dans la région négative. Lorsque la charge est complètement déconnecté, l'onduleur passe en mode veille, dont la caractéristique est le respect de l'égalité Ф_MAX= -F_MIN. Dans ce mode, l'échange d'énergie entre les condensateurs C1 et C2 se produit dans la valeur de W_XX (figure 7):

(10)

A la fermeture de l'interrupteur S1 W d'énergie_XX la première inductance L1 est transférée vers le condensateur C1 jusqu'à ce que le débit atteint la valeur zéro, l'inductance L1 et déchargée. ensuite, sous l'action de la tension sur le condensateur C1, l'énergie coulera à nouveau dans l'accélérateur, mais déjà avec une polarité différente du flux magnétique. Au moment où ouvre le commutateur S1, le transformateur L1 contient la’ Dans l'énergie_XX que, après la commutation des commutateurs S1 et S2, Il sera transmis au condensateur C2. Au milieu de la deuxième étape de la transformation, après que le noyau magnétique a été complètement téléchargé, sous l'influence de la tension sur le condensateur C2, le flux magnétique va changer à nouveau le signe et la bobine commence à absorber l'énergie du condensateur C2.

Un avantage évident de la conductivité continue forcée sous la charge de la lumière est la contrôlabilité complète du convertisseur. Dans ce mode, la durée t₁ e t₂ ne dépend pas du courant de charge, qui fournit une régulation plus efficace de la tension de sortie, en contraste avec le mode rafale et l'impulsion de mode de saut. Les inconvénients comprennent les pertes d'énergie plus élevés en raison de la W de conversion forcée_XX, que, pour certaines applications, il peut être un problème sérieux.

Le mode de conductivité en continu forcé est possible uniquement dans le cas où les interrupteurs S1 et S2 fournissent le flux de courant dans les deux sens, parce que avec le flux magnétique variable, conformément à la loi du courant total, aussi le courant dans les enroulements sera variable. Pour le convertisseur flyback considéré, dans lequel le courant circule toujours à travers un enroulement, la relation entre les courants I₁ et je₂ des enroulements W₁ W e₂ au flux magnétique F il sera déterminé par les formules:

(11)

Seul le MOSFET peut être entraîné pour faire passer le courant dans les deux sens, puis le mode de conductivité en continu forcé est seulement possible dans les convertisseurs synchrones sur la base de ce type de dispositifs à semi-conducteurs (figure 8). Si au moins une de S1 et S2 sont basées sur des transistors bipolaires, IGBTs, diodes ou d'autres éléments, dans lequel le courant peut circuler dans une seule direction pour mettre en œuvre un mode de conduction continue forcé est nécessaire d'adopter des mesures supplémentaires.

figure 8. convertisseurs synchrones et non synchrones

Aussi, le rôle de C1 et C2 devient évidente, agissant non seulement en tant que filtres, mais aussi en tant que dispositifs de stockage d'énergie, fondamentalement nécessaire pour le fonctionnement sous charge légère.

mode de récupération

Et si la valeur moyenne du flux magnétique fa_CP aura un signe opposé ΔФ , par exemple, se Ф_MAX< 0 e F_MIN< 0 , lorsque la condition Ф_MAX< fa_MIN ? Dans ce cas,, second (7), W_LUTIN<0, et l'énergie à travers le convertisseur va dans le sens opposé à l'entrée (figure 9).

figure 9. Méthodes de régénération.

Lorsqu'un tel système est nécessaire?

par exemple, si l'entrée du convertisseur est reliée au bus de système et la sortie de la batterie qui contient la réserve de marche d'urgence (figure 10). En mode normal, le système est alimenté par la source principale et le convertisseur effectue la fonction du chargeur, tandis que l'énergie est transférée de l'entrée à la sortie du convertisseur, qui correspond au mode de transmission. Si la batterie est chargée, l'énergie ne se transmet pas partout et l'onduleur est au minimum. En cas de panne de courant, la puissance de la batterie est envoyé au bus d'alimentation par l'intermédiaire du convertisseur qui fonctionne dans le mode de régénération,, fournir de l'énergie à la charge.

figure 10. Exemple de fonctionnement du convertisseur en trois modes.

Il convient de noter que le passage d'un mode à l'autre est automatique, sans participation par le contrôleur, dont la tâche principale est dans ce cas seulement de maintenir le rapport désiré t₁/ t₂ de sorte que, dans une base (9), fournir à la fois la demande valeur U_DANS/ la_{EN DEHORS} ou de la charge actuelle demande.

conclusion

Pour vous assurer que le mode de chargement de la lumière ne crée pas de problèmes, le flux magnétique doit être capable de changer sa polarité.

Avec la conversion DC / DC, Il est plus facile de fournir des convertisseurs à base de MOSFET synchrone. Aussi, ceci est exécuté automatiquement dans les convertisseurs à courant alternatif / AC, parce que, dans les flux de courant alternatif à travers les commutateurs de puissance, Toutefois, comme le travail sur la charge réactive, Il est une condition sine qua non. Dans d'autres cas, vous devez étudier attentivement le mode de charge légère pour assurer la précision requise, fiabilité, L'efficacité et d'autres caractéristiques du convertisseur.

Liste des sources

Dans le passé, je l'ai fait remarquer que ne pas citer mes sources, maintenant pour l'avenir, dans la mesure du possible, Je vais essayer de citer des sources.

• Kadatsky DE, Rusu A.P. L'analyse des principes de construction et le mode de fonctionnement des convertisseurs d'énergie électrique pulsé // la pratique de l'électronique de puissance.- 2016. – Non. 2 (62).- P.10 – 24.
• Kadatsky DE, Rusu A.P. Analyse des processus électriques et magnétiques dans les goulots d'étranglement des convertisseurs d'électricité impulsion // La technologie et la conception d'équipements électroniques (TCEEA) – 2016. – № 6.- P.17 – 29.
• Rusu A.P. La transformation du courant alternatif pulsé / / Radio Lotsman – 2017. – № 6.- P.24 – 32.