Llc блок питания это
Данная статья посвящена LLC резонансному источнику питания для усилителей мощности звуковой частоты.
Описываемый источник питания во многом схож с источником питания о котором ранее уже была опубликована статья - LLC Резонансный ИИП на базе IRS27952 [2018]. Если описываемый в предыдущей статье импульсный источник питания был скорее макетом для испытания IRS27952, то RPS300 является полноценным законченным устройством готовым к повторению.
С момента изготовления мною первого резонансного ИИП по схеме RPS300, до написания данной статьи прошло более года. За это время мною было изготовлено три экземпляра данного источника питания на заводских печатных платах и несколько (сбился со счета), аналогичных RPS300, источников питания на самодельных печатных платах. Все они запускались сразу же после завершения сборки, без каких-либо проблем и отлично показали себя в работе. Чтобы быть до конца честным, следует добавить что некоторые, кто повторял за мной этот блок питания, с проблемами все таки сталкивались. Поэтому рекомендовать к повторению данное устройство могу только тем, кто имеет достаточный опыт и знания в сфере построения импульсных источников питания.
Внешний вид одного из собранных экземпляров RPS300:
Как вы уже могли догадаться из названия, данный ИИП имеет выходную мощность 300 Вт. Кстати, о названии - аббревиатура "RPS" расшифровывается как "Resonant power suply" и переводится как "Резонансный Источник Питания". Указанные после аббревиатуры цифры - выходная мощность источника питания. Мощность в 300 Вт является расчетной (программной), ее блок питания может отдавать лишь кратковременно - непрерывно не более трех минут. Тем не менее, этого достаточно для потребностей УМЗЧ с выходной синусоидальной мощностью 2х150 Вт на реальном музыкальном сигнале. Долговременно (без ограничения по времени), блок питания способен отдавать 200 Вт. КПД блока питания: 92 - 94 %.
Схема RPS300:
Пояснения по схеме. Сетевое напряжение поступает на вход блока питания через предохранитель и термистор. Предохранитель допускается устанавливать на ток от двух до пяти Ампер, термистор на ток не менее 3 А, с сопротивлением 5 - 10 Ом (идеально подойдет термистор 10D-11). В качестве варистора RV1 допускается установка варисторов 07K431, 10K431, 14K431. Дроссель подавления электромагнитных помех (L1), должен быть выполнен на ферритовом кольце R16x12x8 или близком по габаритам. Обе обмотки дросселя должны иметь строго одинаковое количество витков и их должно быть такое количество, чтобы каждая из обмоток имела индуктивность не менее 5 мГн (лучше больше). Оптимальный диаметр провода для намотки дросселя подавления ЭМП - 0,5. 0,6 мм. Конденсаторы C2 и C7 должны быть только специальными помехоподавляющими, типа X1 или X2. Они должны быть НОВЫМИ. выпаянные из другого блока питания конденсаторы - использовать нельзя. Конденсаторы C9 и C10 должны быть только типа Y1 или Y2, на напряжение не ниже 400 В. В случае, если в ваших розетках отсутствует заземление, то C9 и C10 устанавливать не нужно! Резисторы R1-6 предназначены для разрядки основной емкости C4. Их сопротивление может варьироваться в широком диапазоне от 100 кОм до 200 кОм (чем меньше сопротивление - тем быстрее будет разряжаться C3 после отключения блока питания). Конденсаторы C1, C3 и C5 предназначены для борьбы с высокочастотными составляющими на высоковольтной питающей шине +310 В. Допускается устанавливать один из конденсаторов, два или все из перечисленных конденсаторов (лучше все). Резисторы R8, R9, R12, R16 предназначены для первоначального старта контроллера IRS27952. Допускается в позиции R9, R12, R16 устанавливать резисторы с сопротивлением от 120 до 270 кОм. Электролитический конденсатор C6 - танталовый, на напряжение 20 - 25 В, допускается замена его на конденсатор емкостью 10 мкФ. Номиналы частотозадающих резисторов Rfmin, Rfmax, Rfss, а также емкость конденсатора софт-старта Css, необходимо рассчитывать с помощью прилагающегося к статье документа. Емкость конденсатора Ct оптимально выбрать равной 510 - 680 пФ. В качестве диодов VD3, VD4, VD7 допускается использование любых быстродействующих диодов с током не менее 1 А и обратным напряжением не ниже 600 В, например - US1M, MURS160, ES1J и других. Диоды VD1, VD5 и VD6 могут быть любыми аналогичными 4148, например - LS4148, LL4148 и другими. Конденсатор С11 должен иметь емкость 100 нФ и не более того. Номиналы затворных резисторов R10 и R11 могут меняться в зависимости от формы импульсов на затворах ключей VT1 и VT2. В качестве ключевых транзисторов можно использовать транзисторы с током стока 8 - 13 А (использовать более мощные транзисторы не имеет смысла) и напряжением сток-исток от 400 В и выше (лучше использовать транзисторы с напряжением сток-исток 500 - 600 В). Конденсатор самопитания С12 должен быть рассчитан на напряжение не ниже 400 В, лучше использовать конденсатор на 630 или 1000 В. В качестве оптопары D2 подойдет любая транзисторная оптопара, например - PC817, TLP181, PC357 и многие другие. Выходное напряжение задается с помощью двух последовательно включенных стабилитронов VD12 и VD15. В качестве силовых диодов VD10, VD11, VD13, VD14, допускается использование как диодов Шоттки серии SR5XXX, так и просто быстрых диодов серий SF5X или HER50Х. Диоды VD8 и VD9 должны иметь обратное напряжение не менее 40 В и ток 1 - 2 А, подойдут диоды - MURS120, MURS160, US2A, SS24, SS26 и другие. Емкость основных электролитов на выходе блока питания (C20 и C21), должна находится в диапазоне 2200 - 4700 мкФ. Резисторы R19-R25 предназначен для нагрузки блока питания на холостом ходу, а также для разрядки выходных емкостей при отключении питания. Номиналы данных резисторов указанные на схеме соответствуют выходному напряжению +/- 42 В. При расчете блока питания на другое выходное напряжение, необходимо пересчитать сопротивление резисторов R19-R25 из такого расчета, чтобы на каждом из резисторов выделялось 0,1 - 0,15 Вт тепла, при заданном вами выходном напряжении блока питания. Дроссели L2 и L3 выполнены на ферритовых стерженьках, состоят из 3-4 витков провода диаметром не менее 1 мм (их можно добыть из неисправного компьютерного блока питания). Резистор R26 предназначен для развязки слаботочной и сильноточной земель. Lr - дополнительная резонансная индуктивность, Cr - резонансная емкость, T1 - силовой трансформатор, все они рассчитываются с помощью специальных программ, либо по формулам из даташита IRS27952. Подробнее о расчете LLC резонансного блока питания читать тут. Особое внимание следует уделить конденсатору Cr. Он должен быть полипропиленовым, например типа CBB81, и высоковольтным (от 1000 В и выше).
Авторский вариант блока питания рассчитан на выходное напряжение +/- 42 В. Далее будут перечислены номиналы всех элементов требующих расчета (Rfmin, Rfmax и других), а также номиналы резонансной цепи и моточные данные силового трансформатора установленные в авторском варианте RPS300. То есть, если вам так же требуется блок питания с выходным напряжением +/- 42 В, то можно ничего не рассчитывать, а использовать указанные ниже номиналы элементов и моточные данные трансформатора.
Моточные данные трансформатора и номиналы элементов резонансной цепи:
Сердечник трансформатора - E40/16/12, PC40;
Количество витков первичной обмотки - 31;
Количество витков основных вторичных обмоток - 2 х 7;
Количество витков вспомогательной вторичной обмотки - 3;
Провод первичной обмотки - литцендрат 0,1 х 40;
Провод основных вторичных обмоток - литцендрат 0,1 х 80;
Провод вспомогательной вторичной обмотки - литцендрат 0,1 х 15;
Индуктивность первичной обмотки (с разомкнутыми вторичными обмотками) - 310 мкГн +/- 5 %;
Индуктивность первичной обмотки (с замкнутыми вторичными обмотками) - 55 мкГн +/- 5 %;
Величина зазора в сердечнике трансформатора подбирается экспериментально, таким образом, чтобы получить индуктивность первичной обмотки с разомкнутыми вторичными обмотками, равную расчетному значению из программы (в авторском варианте 310 мкГн).
Еще одна величина, которая нас очень сильно волнует и на которую обязательно нужно обратить внимание - емкость резонансного конденсатора. В авторском варианте она равна 47 нФ.
Смотрим получившуюся передаточную характеристику:
Из нее видим, что Fmin = 52 кГц, а Fmax = 84 кГц. Подставив эти значения в калькулятор получаем номиналы частотозадающих резисторов и конденсатора софт-старта:
Получаем что: Rfmin = 12 кОм, Rfmax = 30 кОм, Rfss = 2,7 кОм; Css = 10 мкФ (при Ct = 680 пФ). Фактические значение минимальной, максимальной и частоты софт-старта, получились - 62, 84 и 252 кГц соответственно.
Конструкция авторского трансформатора для RPS300. Трансформатор выполняется на основе сердечника E40/16/12, PC40. Каркас сердечника нуждается в доработке - необходимо вклеить перегородку, разделив каркас приблизительно на две равные части. В готовом виде это должно выглядеть примерно так:
Разделяющая пластиковая перегородка вырезается из пластика по размерам каркаса:
Перегородка должна иметь толщину 3 мм. Она может быть выполнена как из одного куска пластика толщиной 3 мм, так и из нескольких более тонких кусков пластика склеенных вместе. В авторском варианте используются две склеенные вместе перегородки каждая из которых имеет толщину 1,5 мм.
Если перегородки установлены правильно, то каркас должен быть разделен на две равные части по 7,5 мм каждая:
После того как перегородка вклеена и клей высох, каркас готов к намотке обмоток. Первыми наматываются вторичные обмотки, которые должны размещаться в нижней части каркаса (ближе к выводам):
После намотки всех вторичных обмоток, наматывается первичная обмотка в верхней части каркаса.
Обмотки наматываются согласно следующей схеме:
На печатной плате, выводы трансформатора нумеруются следующим образом:
Неиспользуемые выводы можно удалить.
Если все сделать правильно, то вы получите трансформатор с индуктивностью рассеивания первичной обмотки 55 мкГн +/- 5%, что автоматически означает отсутствие необходимости в дополнительном дросселе Lr. В одном из авторских вариантов RPS300, индуктивность рассеивания первичной обмотки получилось достаточной чтобы не использовать дополнительный дроссель, а в другом пришлось добавить небольшой дросселек с индуктивностью около 5 мкГн.
Фото еще одного авторского экземпляра RPS300:
По авторскому варианту блока питания на этом все. Если вам необходим блок питания с другим выходным напряжением, придется все рассчитывать самостоятельно и придумывать свою конструкцию силового трансформатора. Подробно о том, как производится расчет LLC резонансного ИИП вы можете прочитать в предыдущей моей статье по данной теме.
Под этой статьей вы сможете найти Lay-файл печатной платы RPS300.00, а также архив с гербер-файлами готовый для заказа заводских печатных плат. Кроме того, там же вы сможете найти Lay-файл альтернативной печатной платы для RPS300 от Антона Наймушина, которая так же имеет габариты 100х100 мм, может быть вами самостоятельно переведена в гербер и отправлена на завод для изготовления плат.
Внешний вид RPS300 от Антона Наймушина:
Спасибо Антону Наймушина за предоставленные исходники его платы, а всем остальные - спасибо за внимание!
Пятая статья из серии об LLC-преобразователях посвящена уравнению усиления LLC-преобразователя. Это связано с тем, что, хотя LLC-конвертер и является импульсным источником питания, значение коэффициента усиления для него определяется не длительностью периода накопления (как в обычных понижающих или повышающих преобразователях), а соотношением импедансов делителя
Потребовалось четыре статьи, чтобы подойти к уравнению усиления LLC-преобразователя. Это связано с тем, что, хотя LLC-конвертер и является импульсным источником питания, значение коэффициента усиления для него определяется не длительностью периода накопления (как в обычных понижающих или повышающих преобразователях), а соотношением импедансов делителя, представленного на рис. 1:
В руководстве от ON [2] показано, что резонансный контур имеет две резонансные частоты fr1 и fr2, влияющие друг на друга.
В соответствии с руководством ON [2] две частоты определяются индуктивностью рассеяния Lr (fr1) и индуктивностью намагничивания Lm (fr2) следующим образом:
Вблизи частоты fr1 выходное напряжение меньше или равно входному напряжению.
Из-за множества различных режимов работы и наличия резонансных и намагничивающих токов схема становится довольно запутанной. Еще большую путаницу вносят переменные, зависящие от других переменных, например, переменная Q. Вместо того чтобы добавлять новые составляющие в уравнение, лучше перейти прямо к графику зависимости усиления от частоты (рис. 3), на котором отчетливо видны две резонансные точки.
Важно отметить, что резонансная частота (fr1), определяемая индуктивностью рассеяния, составляет 93 кГц. Это точка единичного усиления резонансного накопительного контура. Контроллер будет поддерживать данную частоту коммутации, создавая прямоугольные импульсы, которые преобразуются в синусоидальный сигнал, как описано в статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая: от прямоугольных импульсов к синусоидальным сигналам». Обратите внимание, что не все схемы LLC-преобразователей работают с коэффициентом усиления, равным единице. Коэффициент трансформации трансформатора (соотношение числа витков обмоток) используется для регулировки коэффициента усиления напряжения. В случае с отладочной платой от TI выходное напряжение корректора мощности снижается с 265 В (AC) до 42 В для заряда литий-ионной батареи [8].
К сожалению, точной формулы для расчета усиления не приводится даже в диссертации Бо Янга и предлагаемых в ней ссылках. В моем расчете я использовал основную формулу из уже знакомой схемы делителя (рис. 1) – я повторю её здесь для удобства:
Обратите внимание: у меня возникли трудности при воссоздании графика усиления из-за того, что я не использовал модульные значения, как показано на рис. 5.
В результате стал очевиден еще один важный режим работы LLC-конвертера. Отрицательный пик на графике обусловлен наличием конденсатора, имеющего мнимое число в знаменателе, что необходимо учитывать в уравнении усиления. Эта емкостная область определяет рабочую ZCS-точку для выпрямительных диодов LLC-преобразователя. Работа в режиме ZCS-переключений является большим плюсом, так как в этом случае минимизируются потери на обратное восстановление диодов. Емкостная область показана на следующем рисунке, взятом из руководства от Infineon [5].
В руководстве от ON Semi [2] рассматриваются также области, в которых учитывается одновременное влияние индуктивной и емкостной составляющей. Эти области играют важную роль при работе в режимах ZVS и ZCS [2].
Нам потребовалось пять статей, чтобы рассмотреть принцип работы LLC-преобразователя и его коэффициент усиления. Следующим шагом будет рассмотрение работы схемы и формы сигналов в настроенном и ненастроенном режиме.
- “Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems”, Bo Yang Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering Fred C. Lee, Chairman Dushan Boroyevich Jason Lai Guo-Quan. Lu Alex Q. Huang September 12, 2003 Blacksburg, Virginia:
- Chapter 4 LLC Resonant Converter
- Bo Yang Dissertation Appendices
- “Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples”, On Semiconductor LLC Application Note AND9408/D
- “RLC Resonant Circuits”, Andrew McHutchon April 20, 2013
- The Series RLC Resonance Circuit
- “Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400V out DesignExample“, AN2012-09, Sam Abdel-Rahman, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp.
- “Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers; couldn’t get a website URL; suggest you Google the text in brackets [“Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers]
- “SIMULATION OF A SERIES HALF BRIDGE LLC RESONANT CIRCUIT”, ECE562: Power Electronics I COLORADO STATE UNIVERSITY Fall 2011
- “230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w/PFC and LLC for 36-V Power Tools” Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355
- Can you turn a square wave into a sine wave using a low-pass filter?, Signal Processing Stack Exchange is a question and answer site for practitioners of the art and science of signal, image and video processing
- “Square Wave Signals”, Chapter 7 - Mixed-Frequency AC Signals, All About Circuits website
- “Chapter 14 Transformers” C. Y. Lee, ISU EE
Набор C2000TM High Voltage Resonant LLC Developer’s Kit создан, чтобы показать пользователю как быстро реализовать резонансный DC/DC преобразователь с топологией LLC и цифровым управлением USB-JTAG XDS100 ISO
EVAL600W12VLLCC7TOBO1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2278143 ИНФО PDF AN RD RND
Третья часть цикла статей об LLC-преобразователях посвящена основным элементам резонансного LLC-конвертора и показано, какие особенности резонансного накопителя в LLC-топологии имеют решающее значение для создания синусоидального сигнала на вторичной стороне LLC-преобразователя
В предыдущей статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть вторая: от прямоугольных импульсов к синусоидальным сигналам» было показано, как из прямоугольных периодических сигналов, генерируемых традиционным импульсным источником питания, можно с помощью фильтрации получить синусоидальные сигналы. Внешняя форма отфильтрованного сигнала изображена на рис. 1.
Рис. 1. Осциллограммы отфильтрованного прямоугольного сигнала
Фактическая схема фильтрации резонансного LLC-преобразователя показана на рис. 2. Там же представлена его эквивалентная схема.
Рис. 2. Резонансный LLC-преобразователь и его эквивалентная схема
Коэффициент усиления схемы определяется делителем напряжения, представленном на рисунке 3. С учетом схем рис. 2 и 3:
Vo = (Vin x X2) (X1 + X2)
Где X2 = XLm || Rac и
Рис. 3. Упрощенная схема резонансного LLC-преобразователя
При изучении различных статей и руководств легко запутаться из-за разных определений импедансов (X1 и X2), резонансных компонентов (Lr, Cr, Lm), сопротивления нагрузки (Ro) и приведенной нагрузки (Rac). На следующем рисунке эти составляющие показаны в том виде, в котором они присутствуют в полумостовом изолированном преобразователе. Определение этих компонентов имеет решающее значение для понимания работы LLC-конвертера.
На рис. 5 определены следующие компоненты резонансного преобразователя:
- Lr – резонансная индуктивность контура. Она представляет собой комбинацию индуктивности рассеяния первичной обмотки трансформатора Llkp и индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора Llks. В списке литературы представлена ссылка 6 – единственный источник, в котором учитывается индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформатора.
- Lm – индуктивность намагничивания трансформатора.
- Cr – резонансный конденсатор.
- Ro – сопротивление нагрузки постоянного тока (выходное напряжение Vo, разделенное на выходной ток Io).
Рис. 5. Приведение выходной нагрузки к первичной обмотке
Анализ работы схемы LLC-преобразователя невозможен без понимания параметров трансформатора:
- Намагничивающая индуктивность трансформатора связана с намагничивающим потоком трансформатора. Индуктивность намагничивания часто имеет высокое значение.
- Индуктивность рассеяния трансформатора зависит от потока рассеяния. Индуктивность рассеяния часто на несколько порядков ниже индуктивности намагничивания.
В то время как силовые индуктивности используются для хранения энергии в воздушном зазоре, трансформаторы предназначены для передачи энергии на вторичную обмотку. Поэтому эффективность трансформатора определяется его способностью передавать энергию, что требует как можно большего потока намагничивания. Этот поток связывает первичную и вторичную обмотки с помощью сердечника. Поскольку обмотка трансформатора прилегает к сердечнику не вплотную, и имеется некоторый воздушный зазор, то создается поток рассеяния. Этот поток накапливает энергию так же, как и обычная индуктивность.
Накопление энергии в трансформаторе является нежелательным явлением, которое уменьшает количество передаваемой энергии. В нерезонансных топологиях с жесткими переключениями эта энергия будет создавать выбросы напряжения при быстром изменении тока при коммутациях. Как упоминалось в первой статье «Резонансные LLC-преобразователи. Часть первая: Введение», использование индуктивности рассеяния в качестве резонансного накопителя позволяет передавать энергию индуктивности рассеяния, что превращает этот паразитный элемент в полезный компонент схемы.
Соотношение числа витков обмоток – это еще одна важная характеристика трансформатора. В интернете несложно найти информацию о том, каким образом выходная нагрузка может быть приведена к первичной обмотке. На рис. 6 показано это преобразование.
Рис. 6. Приведение нагрузки
Приведенная нагрузка – это та нагрузка, которую «видит» первичная обмотка (рис. 6). Эффективная нагрузка равна:
Мы установили, что приведение нагрузки к первичной обмотке является функцией квадрата коэффициента передачи. Для вычисления Rac также потребуется коэффициент 8/π 2 :
Rac = 8/π 2 ·N 2 ·Rload (1),
где N – отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки.
Обратите внимание, что Ro и Rload – это один и тот же параметр, равный отношению напряжения нагрузки и тока нагрузки.
Таким образом, мы определили основные элементы резонансного LLC-конвертора и связали их с реальными компонентами схемы полумостового преобразователя. Кроме того, в статье было показано, что резонансный накопитель в LLC-топологии выполняет две задачи. Во-первых, он формирует синусоидальный сигнал за счет фильтрации прямоугольного периодического сигнала. Во-вторых, резонансный накопитель запасает энергию в компонентах схемы. Эти особенности имеют решающее значение для создания синусоидального сигнала на вторичной стороне LLC-преобразователя.
На вторичной стороне синусоидальная волна выпрямляется и отфильтровывается с помощью конденсатора. Работа LLC-преобразователя имеет множество различных и сложных режимов, основанных на резонансных частотах компонентов, а также на сопротивлении нагрузки преобразователя. Поэтому определение уравнения усиления не является тривиальной задачей, что будет продемонстрировано в следующих статьях данной серии публикаций.
Список следующих частей:
Литература
- “Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems” Bo Yang Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Electrical Engineering, Fred C. Lee, Chairman; Dushan Boroyevich; Jason Lai; Guo-Quan. Lu; Alex Q. Huang; September 12, 2003 Blacksburg, Virginia
- ““Basic Principles of LLC Resonant Half Bridge Converter and DC/Dynamic Circuit Simulation Examples”, On Semiconductor LLC Application Note AND9408/D
- “RLC Resonant Circuits”, Andrew McHutchon April 20, 2013
- “Resonant LLC Converter: Operation and Design 250W 33Vin 400V out DesignExample“, AN2012-09, Sam Abdel-Rahman, Infineon Technologies North America (IFNA) Corp.
- “Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers; couldn’t get a website URL; suggest you Google the text in brackets [“Design Considerations for an LLC Resonant Converter” Fairchild Semiconductor Power Seminar 2007 Appendix A: White Papers]
- “SIMULATION OF A SERIES HALF BRIDGE LLC RESONANT CIRCUIT”, ECE562: Power Electronics I COLORADO STATE UNIVERSITY Fall 2011
- “230-V, 400-W, 92% Efficiency Battery Charger w/PFC and LLC for 36-V Power Tools” Texas Instruments Reference Design, TIDA-00355 , Signal Processing Stack Exchange is a question and answer site for practitioners of the art and science of signal, image and video processing
- “Square Wave Signals”, Chapter 7 - Mixed-Frequency AC Signals, All About Circuits website
- “Chapter 14 Transformers” C. Y. Lee, ISU EE
Набор C2000TM High Voltage Resonant LLC Developer’s Kit создан, чтобы показать пользователю как быстро реализовать резонансный DC/DC преобразователь с топологией LLC и цифровым управлением USB-JTAG XDS100 ISO
EVAL600W12VLLCC7TOBO1
Infineon Technologies Ag (Siemens Semiconductors)
Арт.: 2278143 ИНФО PDF AN RD RND
Начинаем цикл публикаций, посвященных LLC-преобразователям. В данной статье содержится вводная информация по теме LLC-преобразователей, рассматриваются особенности LLC-схемы, обещающей огромные преимущества, начиная от уменьшения или даже устранения потерь при переключениях.
Недавно мне довелось разбираться со схемой резонансного полумостового LLC-преобразователя, и я подумал, что этот опыт можно использовать для создания серии статей: начать с описания основ и постепенно углубляться в тему. Мне потребовалось достаточно много времени для ознакомления с публикациями, диссертациями и руководствами, прежде чем я разобрался с работой этой схемы. Вышло так, что изучение источников информации, приведенных в списке литературы, заняло больше времени, чем написание самой статьи. Обратите внимание, что ни в одном из приведенных источников не сделан полный анализ работы этого преобразователя, имеющего много различных режимов и условий работы. Надеюсь, вы сможете получить общее представление о работе схемы с моей помощью. Эта помощь будет заключаться в фильтрации информации и акцентировании внимания на наиболее важных ключевых моментах предлагаемых документов.
Рис. 1. DC/AC резонансный преобразователь
Рис. 2. DC/AC резонансный преобразователь с трансформаторной развязкой
LLC-преобразователи являются разновидностью импульсных преобразователей напряжения (Switched Mode Power Supply, SMPS). Большинство публикаций по данной теме начинается с описания основных принципов работы LLC. Я же начну с того, что объясню, чем LLC отличается от других типов импульсных преобразователей.
- Работа обычного импульсного преобразователя состоит из двух фаз. В первой фазе происходит запасание энергии в индуктивности. Во второй фазе накопленная энергия расходуется для поддержания тока. Вы наверняка помните, что, согласно законам коммутации, ток в индуктивности не может измениться скачком (в случае корректной коммутации), точно так же, как и напряжение на конденсаторе. Этот принцип является основой работы большинства импульсных преобразователей.
- Работа LLC-преобразователя основана на создании синусоидального тока, который выпрямляется и запасается в большом конденсаторе. Индуктивность используется не для простого накопления энергии, а выступает в качестве резонансного элемента. Она выполняет функцию фильтра, который помогает преобразовать прямоугольный сигнал в синусоидальную форму, тогда как индуктивность намагничивания все еще работает с традиционным током треугольной формы. Это одна из особенностей, которая нуждается в дополнительном пояснении.
С рабочими режимами в LLC-преобразователях все оказывается еще сложнее, поскольку они имеют множество отличий:
- вместо того чтобы работать с фиксированной частотой коммутаций и изменять коэффициент заполнения ШИМ, LLC-преобразователи изменяют частоту, а коэффициент заполнения ШИМ постоянен и составляет 50%;
- передача энергии в LLC-преобразователях основана на рабочей точке индуктивности намагничивания;
- в LLC-преобразователях используется переменная скорость изменения напряжения в зависимости от тока нагрузки;
- в них есть две резонансные частоты, которые влияют друг на друга;
- режим непрерывного тока (Continuous current mode, CCM) для LLC-преобразователей относится к току выпрямителя, а не индуктивности, поскольку традиционная индуктивность в схеме отсутствует.
Большая часть сказанного выше может показаться сложной и непонятной, особенно для тех, кто только начинает знакомиться с силовой электроникой. Во второй части данной публикации будут рассмотрены основные источники информации, а также некоторые ключевые моменты, которые я считаю полезными. Однако рассказ о резонансных преобразователях требует рассмотрения некоторого базового вводного материала.
Импульсные регуляторы произвели революцию в области преобразования постоянного напряжения и преобразования мощности в целом. Инженеры быстро поняли, что комбинация из силового ключа, выпрямителя, индуктивности и конденсатора может с высокой эффективностью выполнять конвертацию напряжения даже при большой разнице между уровнями напряжения на входе и выходе (рис. 1). Кроме того, трансформаторы могут решить проблемы гальванической развязки и согласования большой разности уровней напряжения (рис. 2).
В идеальном мире преобразователей мощности все было бы хорошо, но, как часто бывает в реальной жизни, решение одной проблемы в конечном итоге создает проблемы в других областях. Например, геометрические размеры импульсного преобразователя во многом определяются рабочей частотой коммутаций, поэтому, если требуется уменьшить габариты электроники, то необходимо поднимать частоту. Кроме того, от преобразователей напряжения требовалось постоянное увеличение выходной мощности. Повышение частоты переключений в сочетании с ростом импульсных токов и напряжений приводили к хаосу из-за появления звонов, которые, в свою очередь, были вызваны паразитными составляющими самой схемы при работе с прямоугольными импульсами.
Для борьбы с описанными явлениями были созданы резонансные схемы с переключениями при нулевых токах (Zero Current Switching, ZCS) и нулевых напряжениях (Zero Voltage Switching, ZVS). Они оказываются менее чувствительными к паразитным составляющим. Однако главная проблема резонансных схем заключается в том, что резонанс ограничивается определенной частотой, которая приравнивается к части ширины импульса или времени включения/ выключения преобразователя. Увеличение входного напряжения или колебания тока нагрузки приведут к работе вне настроенной резонансной частоты.
Используемые в схемах компоненты также имеют собственные паразитные составляющие, которые могут варьироваться в зависимости от конструкции, рабочей точки и проводящего рисунка платы. В этом смысле LLC-преобразователи дают больше свободы, хотя они также имеют ограниченный диапазон рабочих частот и теряют эффективность при работе на частотах, отличных от настроенной частоты f1. Вы можете спросить: о какой частоте f1 идет речь?
Дело в том, что двойное «L» в названии «LLC-преобразователь» указывает на две резонансные частоты в рабочем диапазоне. Более подробно мы поговорим об этом в одной из последующих статей данного цикла. Пока стоит только запомнить, что выбор рабочих точек, используемых в LLC-преобразователях, обеспечивает как ZVS-, так и ZCS-переключения в силовых ключах MOSFET, а также ZCS-переключения в выпрямительных диодах. Это позволяет решить проблемы, связанные с восстановлением обратного диода выпрямителя.
Теперь, когда приведены базовые особенности работы импульсных резонансных преобразователей, дадим краткое описание используемых источников информации.
Лучшим способом облегчить себе жизнь при изучении работы LLC-схем будет ознакомление с руководством от компании ON Semiconductor [2]. Это руководство начинается с уравнения делителя напряжения, с помощью которого, используя значения импеданса двух катушек индуктивности LL и конденсатора C в сочетании с сопротивлением нагрузки, объясняется принцип работы LLC-преобразователя (рисунки 3, 4). Обратите внимание, что две индуктивности представляют собой индуктивности утечки и намагничивания трансформатора. Они образуют резонансную цепь накопителя с дополнительной последовательной емкостной составляющей. В случае с LLC величина паразитной выходной емкости MOSFET (или Coss) не играет большой роли в отличие от обычных резонансных преобразователей с ZVS и ZCS.
Рис. 3. Делитель напряжения
Рис. 4. Делитель переменного напряжения с резонансным элементом
Первая ссылка в списке литературы указывает на докторскую диссертацию Бо Янга "Topology Investigation for Front End DC/DC Power Conversion for Distributed Power Systems" [1]. В ней можно найти ссылки на другие публикации, которые помогут разобраться с темой LLC и самой диссертацией. Обратите внимание, что в первой ссылке есть подссылки на четвертую часть диссертации, а также на Приложение B, где приводится важный график напряжения (эта ссылка содержит Приложения от A до D и дополнительные ссылки). Хотя этот график приводится в большинстве источников, его создание потребовало от меня напряженной работы и заполнения некоторых пробелов в знаниях (рис. 5).
Рис. 5. Зависимость коэффициента усиления преобразователя от величины fs/fr
Ссылки 3 и 4 оказали мне решающую помощь при построении графика усиления преобразователя, поскольку в них отмечалось влияние емкостной составляющей на коэффициент передачи и объяснялось, почему отрицательный импеданс вносил неразбериху в графики. Более подробно мы поговорим об этом в одной из последующих статей данного цикла.
Ссылка 5 – руководство от Infineon, которое содержит подробное описание наиболее полезных шагов, выполняемых при проектировании. В этом документе сравниваются особенности переключений и выпрямления в мостовой и полумостовой схемах, а также - связанные с ними компромиссы. Я использовал мостовую и полумостовую схемы для объяснения, как связанны напряжение и ток. В мостовой схеме полевые МОП-транзисторы каскадируются для получения требуемого напряжения. Параллельное включение транзисторов необходимо для увеличения нагрузочного тока. Обычным требованием для импульсных регуляторов напряжения является исключение постоянной составляющей подмагничивания, чтобы не допускать насыщения трансформатора. Как упоминалось ранее, LLC-преобразователи отличаются тем, что мост им нужен для создания положительной и отрицательной полуволн сигнала, который, проходя фильтрацию, принимает синусоидальную форму.
Ссылка 6 от Fairchild – единственная среди найденных мной ссылок, в которой уравнение усиления также включает вторичную индуктивность рассеяния. Обратите внимание, что вторичная индуктивность рассеяния, а также сопротивление нагрузки отражаются через трансформатор и, таким образом, могут быть подстроены за счет изменения соотношения числа витков обмоток. В данном руководстве содержится ряд ключевых советов, которые помогут в разработке реальной схемы.
В документации от Infineon/Fairchild также подробно описывается конструкция трансформатора. Поскольку резонансная настройка LLC основывается как на индуктивности рассеяния, так и на намагничивающей индуктивности трансформатора, эта информация в нашем случае оказывается бесполезной.
Наши университетские друзья в Колорадо поделились некоторыми сведениями о преобразовании мощности. В частности, в курсе электротехники ЕЭК 562 Colorado State можно найти множество примеров моделирования, выполненных в MATLAB.
Говоря о моделировании, стоит отметить, что во многих источниках приводятся ссылки на модели SPICE. Я не отдаю предпочтение какой-либо конкретной ссылке и считаю, что, изучив их, можно убедиться в существовании различных режимов работы LLC-конвертера. Но стоит вновь отметить, что у LLC есть множество отличий от традиционных импульсных преобразователей.
Опытный образец, с которым я работаю, создан компанией Texas Instruments. Благодаря корректору коэффициента мощности эта система обеспечивает стабильную работу со входным напряжением 400 В DC. Исследование образца показало допустимость больших колебаний тока нагрузки и продемонстрировало влияние тока на рабочую точку и резонансную частоту.
В заключение хочется отметить, что если вы думаете, что сможете в разных статьях найти одинаковые уравнения для определения коэффициента усиления, то вы ошибаетесь. Использование переменной M позволяет учитывать факторы, отличающиеся в каждой конкретной статье, руководстве, диссертации, учебном курсе. Если у меня будет время, я составлю сравнительную таблицу, чтобы показать, чем они отличаются.
Данная статья могла показаться длинной и неконкретной. В ней содержится только вводная информация по теме LLC-преобразователей. Но теперь у вас есть ссылки для ознакомления с особенностями LLC-схемы, обещающей огромные преимущества, начиная от уменьшения или даже устранения потерь при переключениях. Вы также можете исключить огромную катушку индуктивности, поскольку она уже включена в трансформатор. Потребуется несколько статей, чтобы рассмотреть все эти преимущества.
В чем же преимущества резонансного ИИП в сравнении с "классическим импульсником"? Преимущества резонансного режима - это низкие потери и электромагнитные помехи (которые гораздо проще поддаются контролю и фильтрации), ниже потери восстановления выпрямительных диодов, меньше нагрузка на все элементы блока питания, что дает повышенную надежность и долговечность относительно "классических ИИП", возможность работы на гораздо более высоких частотах без ущерба эффективности, надежности и стоимости. И самый главное преимущество: резонансник - это модно :D
Далее приведу некоторые технические характеристики, моего экземпляра резонансного ИИП на базе IRS27952:
- Выходная мощность (расчетная) = 250Вт
- Выходная мощность (максимально испытанная) = 276Вт
- Выходное напряжение (в диапазоне от 0Вт до 276Вт) = +/- 40В (+/-0.1В)
- КПД (при выходной мощности 276Вт) = 92%
Осциллограммы формы тока через первичную обмотку резонансного трансформатора (при разных значениях выходной мощности):
Описываемый ИИП имеет в наличии софт-старт, защиту от короткого замыкания в нагрузке и стабилизацию выходного напряжения, которая точно поддерживает выходное напряжение преобразователя на одном уровне, во всем диапазоне выходных мощностей. При работе на выходной мощности до 200Вт, нет никакого ощутимого нагрева, ни одного из элементов блока питания. Силовые ключи на радиатор не устанавливались. При выходной мощности 276Вт, ключи становятся едва ощутимо теплыми, но уже ощутимо начинает разогреваться первична обмотка трансформатора. Защита от КЗ работает исправно. При замыкании выхода преобразователя, прекращается генерация, блок питания переходит в спящий режим и находится в нем до того момента пока короткое замыкание не будет устранено. После устранения короткого замыкания, по прошествии определенного времени, блок питания самостоятельно перезапускается и продолжает работу в нормальном режиме.
Схема резонансного импульсного источника питания на базе IRS27952:
Подробно описывать принцип работы схемы не буду, остановлюсь лишь на отдельных моментах. Первоначальный запуск преобразователя происходит через цепь из резисторов R16, R10, R7 и R6. Дальнейшее питания контроллера осуществляется от цепи самопитания (R14, C8, VD4, VD7). Стабилитрон VD2 поддерживает напряжение питания контроллера на одном уровне - 16В. Хочу обратить внимание, что IRS27952, в отличает от например IR2153 и IR2161, не имеет встроенного стабилитрона, поэтому применение внешнего стабилитрона строго обязательно, иначе контроллер гарантированно выйдет из строя. Конденсаторы C3 и C5 сглаживают пульсации и устраняют помехи в цепи питания IRS27952. Цепочки резисторов R1, R2, R3 и R5, R9, R15 - предназначены для разрядки конденсаторов после отключения сетевого питания преобразователя. Отдельное внимание следует уделить следующим элементам: Rfmin, Rfmax, Rfss, Ct, Css - это частото и время задающие элементы преобразователя, их номиналы необходимо рассчитывать под ваши конкретные задачи, об этом будет далее. Стабилитроны VD10 и VD13, так же подбираются под необходимое вам выходное напряжение: суммарное напряжение стабилизации двух стабилитронов должно быть равно расчетному значению выходного напряжения одного плеча, в данном случае для получения выходного напряжения +/-40В, применены два стабилитрона по 20В. Пожалуй это все что можно рассказать о схеме, принципиально она мало отличается от любой из схем импульсного преобразователя, выполненного на контроллерах от International Rectifier (теперь уже - Infineon). Самое время перейти к расчету.
Расчет резонансной цепи. Для расчета нам потребуется программа ResonantSMPS из состава пакета All In One, авторства Старичка. Сразу скажу, что метод расчета описанный далее, является упрощенным и опытный глаз сможет найти в нем некоторые упущения, сделано это намерено, ради того чтобы максимально упростить расчет, чтобы максимальное числом неподготовленных радиолюбителей смогло повторить данный резонансный ИИП. И так, открываем программу и вводим исходные данные:
На первом этапе вводим все исходные данные как на скриншоте выше (дальше мы будем их корректировать). Все что вам нужно выбрать самостоятельно - это выходное напряжение. В окошке напротив "Номинальное напряжение, В", вводим необходимое вам напряжение. Например, если вам необходимо двухполярное выходное напряжения +/-40В, то вводим 80В (80В=40В+40В). Повторюсь: необходимо подобрать номиналы стабилитронов VD10 и VD13, таким образом, чтобы их суммарное напряжение стабилизации было примерно равно необходимому вам выходному напряжению ИИП (напряжению одного плеча). То есть, если вам необходимо выходное напряжение +/-40В, то необходимо использовать два стабилитрона по 20В, если необходимо например +/-35В, то стабилитрон VD10 на 30В и стабилитрон VD13 на 5,1В. Номинальный ток вычисляем из необходимой нам выходной мощности блока питания и напряжения. Допустим мы хотим получить ИИП с выходной мощностью 200Вт, значит нам необходимо желаемые 200Вт разделить на номинальное напряжение, в нашем случае 200Вт/80В и получится номинальный ток = 2,5А - это значение вписываем в соответствующее окошко программы. Прямое падение на диодах указываем 1В. Если вы знаете точное значение падения напряжения на диоде, то указывайте его, но в любом случае можно указывать прямое падение на диодах равно одному вольту, на точность расчета это почти никак не повлияет, на работоспособность тем более. Далее выбираем тип выпрямления - мостовое. И вводим желаемые диаметры проводов, которыми вы будете наматывать трансформатор. Диаметр провода не должен быть более 0,5мм, лучше использовать более тонкий провод и мотать в несколько жил. После этого выбираем подходящий сердечник:
Я использовал сердечник ETD29 и поэтому на плате посадочное место сделано под этот тип и размер сердечника, под любой другой сердечник придется корректировать печатную плату. А вам необходимо выбрать такой сердечник, чтобы он подходил по габаритной мощности и вся обмотка уместилась на его каркасе. После выбора сердечника, жмем кнопку "Рассчитать" и смотрим что у нас получилось:
Сразу нужно выставить минимально возможную величину немагнитного зазора, равную той, что предлагает программа (в моем случае 0,67мм) и снова нажать кнопку "рассчитать". После этого смотрим только на одну строку - это "емкость резонансного конденсатора". Чтобы упростить себе жизнь и не тратить свое время и силы на подбор нестандартной емкости из нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов, меняем значение резонансной частоты в соответствующем окошке программы, таким образом, чтобы емкость резонансного конденсатора получилась равна какому-либо стандартному значению емкости. В моем случае емкость резонансного конденсатора получилась 28нФ, ближайшее стандартное значение 33нФ, к этому значению и будем стремиться.
При манипуляциях с резонансной частотой, величину зазора всегда нужно устанавливать минимальной или очень близкой к минимальному значению что предлагает программа. Резонансную частоту я рекомендую выбирать в диапазоне 85 - 150кГц.. В моем случае резонансная частота, соответствующая "удобной" резонансной емкости, получилась 90кГц. Все самые главные цифры которые вам нужно запомнить, записать, заскринить, которые понадобятся в дальнейшем:
Значения в красных прямоугольниках понадобятся вам при намотке трансформатора. Хочу обратить внимание, что число витков вторичной обмотки соответствует введенному значению выходного напряжения - 80В. Если мы хотим получить блок питания с двухполярным выходным напряжением +/-40В, необходимо мотать не одну, а две вторичные обмотки, в данном случае две обмотки по 12-13 витков (полученные 25 витков делим на два). Для дальнейших расчетов нам нужно взглянуть на передаточную характеристику (для этого нужно на нажать на соответствующую кнопку в левом верхнем углу окна программы):
Запоминаем значения Fmin и Fmax. У нас они равны: Fmin=54кГц, Fmax=87кГц. Эти значения нам будут нужны для дальнейших расчетов.
Расчет номиналов обвязки IRS27952. В самом конце этой статьи нужно скачать файл NominaliObvyazki.xlsx. Для открытия его вам потребуется Microsoft Excel. Открываем файл и видим следующее:
Осталось только ввести наши Fmin и Fmax полученные выше и получить все номиналы обвязки IRS27952. Единственное, нам нужно выбрать емкость конденсаторы Ct, который задает величину мертвого времени. По хорошему, для этого потребовался бы достаточно сложный расчет, который необходимо выполнять исходя из параметров применяемых ключей, но поскольку у нас расчет упрощенный, я рекомендую просто использовать в качестве конденсаторы Ct, конденсатор с емкостью 390-470пФ. Этой емкости и соответствующего ему - мертвого времени, будет достаточно чтобы не перейти в режим жесткого переключения, при применении большинства популярных ключей, таких как как IRF740, STP10NK60, STF13NM60 и указанных в схеме 2SK3568. Оптимальная продолжительность софт-старта - 0,1 сек, можно установить большую продолжительность до 0,3 сек, больше не имеет смысла (при выходной емкости конденсаторов ИИП до 10000мкФ). Вводим наши Fmin и Fmax и получаем:
Все номиналы обвязки (кроме емкости конденсатора софт-старта), автоматически округляются до ближайших стандартных значений. Тут же можно видеть фактические значения минимальной, максимальной частот и частоты софт-старта, которые получатся с применяемыми стандартными номиналами обвязки. Емкость конденсатора софт-старта набирается из нескольких конденсаторов, керамических SMD и электролитического, для этого предусмотрено достаточно места на печатной плате. На этом расчет можно считать оконченным.
Реализация резонансной цепи. В резонансную цепь входят: резонансный трансформатор, резонансная емкость и дополнительный резонансный дроссель (если он необходим). Номинал резонансной емкости нам уже известен. Резонансный конденсатор должен быть пленочным, типа CBB21 или CBB81, допускается так же CL21 (но не рекомендуется). Напряжение конденсатор должно быть не менее 630В, лучше 1000В. Связано это с тем, что максимально допустимое напряжение на конденсаторе зависит от частоты тока через конденсатор, конденсатор на 400В проживет не долго. И теперь самое интересное - резонансный трансформатор. Для его намотки у нас есть все необходимые исходные данные. Как мотать? Вариантов есть несколько. Первый вариант: мотать как обычный трансформатор - мотаем первичку на всю ширину каркаса, после мотаем вторичку на всю ширину каркаса (или наоборот, сначала вторичку, потом первичку). Второй вариант: мотать вторичку на всю ширину каркаса, а первичку на половину или на треть ширины каркаса (или наоборот - первичку на всю ширину, а вторичку на половину или треть ширины каркаса). И третий вариант: использовать секционную намотку, когда первичная и вторичная обмотки полностью разделены. Для этого потребуется либо специальный секционированный каркас или такой каркас придется сделать самому, разделив каркас пластиковой перегородкой.
Зачем это и что это дает? Первый вариант - самый простой, но дает минимальную индуктивность рассеивания. Второй вариант - очень неудобный в намотке, дает среднюю по величине индуктивность рассеивания. Третий вариант - дает самую высокую и самую предсказуемую величину индуктивности рассеивания, кроме того наиболее удобный в намотке способ. Вы можете выбирать любой из вариантов. После того как вы определились с вариантом намотки и намотали нужное количество витков первичной и вторичной обмоток, необходимо изменить получившуюся индуктивность рассеивания первичной обмотки получившегося трансформатора. Для этого необходимо собрать трансформатор. На этом этапе склеивать части сердечника и вводить зазор не нужно (от величины зазора, наличия его или отсутствия, индуктивность рассеивания не зависит), достаточно временно стянуть сердечник изолентой. Необходимо, с помощью пайки, надежно замкнуть все выводы вторичной обмотки между собой и измерить индуктивность первичной обмотки. Полученное значение индуктивности и будет индуктивностью рассеивания первичной обмотки трансформатора. Допустим у вас получилась индуктивность рассеивания 50мкГн. Сравниваем получившееся значение с расчетным значением Lr, которое вы рассчитали выше:
Не сошлось! Надо 94мкГн, а у нас получилось 50мкГн. Что делать? Главное не паниковать! Такое бывает, обязательно будет у вас и это абсолютно нормально. Устранить это несоответствие нам поможет дополнительный резонансный дроссель. Но, если еще не забыли, чуть выше я писал про три варианта намотки трансформатора?! Так вот, первый способ дает самую низкую индуктивность рассеивания и используя его, вам гарантированно понадобится дополнительный дроссель. Второй вариант дает среднюю по величине индуктивность рассеивания и дроссель скорее всего вам все равно понадобится, но не с такой большой индуктивностью, как при использовании первого варианта. А вот в случае использования третьего варианта, возможно сразу получить необходимую индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора, без использования дополнительно резонансного дросселя. Необходимая индуктивность рассеивания, при третьем варианте намотки, получается правильным выбором соотношения ширины намотки первичной и вторичной обмоток. Возможно даже что вам повезет и вы сможете угадать с шириной намотки первички и вторичек, и сходу получить нужную индуктивность рассеивания (как это получилось у меня). Но если вам не повезло и измеренная индуктивность рассеивания и необходимое расчетное значение не совпали, то необходимо использовать дополнительный резонансный дроссель. Индуктивность дросселя должна быть равна: расчетное значение Lr минус получившееся реальное значение индуктивности рассеивания первичной обмотки. В нашем случае: 94мкГн-50мкГн=44мкГн - именно такой должна быть индуктивность дополнительного резонансного дросселя, который на схеме и на плате показан как Lr. На чем мотать? Мотать правильнее всего на кольце из материала -2 или -14, выглядят такие кольца следующим образом:
Для намотки резонансного дросселя так же допускается использовать ферритовые кольца (зеленые или синие), но обязательно с зазором. Величина зазора выбирается произвольно. Для колец из материала -2 и -14 зазор не нужен. Мотать резонансный дроссель необходимо тем же проводов и тем же количеством жил что и первичную обмотку трансформатора. Количество витков должно быть таким, чтобы получить необходимое значение индуктивности, в нашем случае 44мкГн. И когда дроссель (если он оказался необходим) и резонансный трансформатор намотаны, необходимо подогнать индуктивность его первичной обмотки к расчетному значению. Выше мы уже вычислили какой должна быть полная индуктивность первичной обмотки трансформатора. В случае если реальная индуктивность рассеивания совпала с расчетным значением резонансной индуктивности и дополнительный резонансный дроссель оказался не нужен, то индуктивность первичной обмотки, подбором величины зазора в сердечнике трансформатора, подгоняется под расчетное значение:
То есть, необходимо, постепенно увеличивать зазор между частями сердечника трансформатора, пока измеренная индуктивность первичной обмотки трансформатора не станет равной нашему расчетному значению - 524мкГн. Но это только в случае, если не будет использоваться дополнительный резонансный дроссель. Если дополнительный дроссель будет присутствовать, то из расчетного значения полной индуктивности первичной обмотки, необходимо вычесть индуктивность этого дополнительного дросселя. В нашем случае получается 524мкГн-44мкГн=480мкГн, именно такой должна получится индуктивности первчиной обмотки нашего трансформатора. Индуктивность первичной обмотки измеряется с разомкнутыми вторичными обмотками. После достижения необходимого значения индуктивности первичной обмотки трансформатора, можно считать трансформатор и резонансный дроссель готовыми, а расчет оконченным.
Как убедиться что все получилось, что получившийся ИИП действительно резонансник? Необходимо с помощью осциллографа смотреть форму тока через первичную обмотку трансформатора. Для этого, в случае наличия дополнительного резонансного дросселя, на него наматывается временная пробная обмотка из 2-3 витков тонкого провода, нагружается на резистор сопротивлением 330-750Ом, а к этой обмотке подключается осциллограф. Форма тока должна быть синусоидальной или близкой к синусоидальной (примерно такой, как показано на моих осциллограммах выше). Если резонансного дросселя нет, то на его место, временно устанавливается токовый трансформатор. Он представляет из себя ферритовое кольцо с обмоткой содержащей 40-50 витков тонкого провода, нагруженная на резистор 330-750Ом, к которой подключается осциллограф и второй обмоткой из одного витка, которая включается на место резонансного дросселя.
Немного фотографий:
В завершении статьи хочу поблагодарить Илью Симонюка за предоставленные для опытов микросхемы IRS27952 и другие SMD элементы!
Читайте также: