Трансформаторы используемые в инверторах

Трансформатор для мощного автомобильного инвертора

В этой статье хочу рассказать о намотке трансформатора для мощного автомобильного инвертора 12-220.
Данный трансформатор был намотан для работы совместно с платой китайского автомобильного преобразователя напряжения.

Такие инверторы в последнее время находят широкую популярность из-за легкого веса, компактных размеров и небольшой цены, незаменимая вещь если нужно в автомобиле подключить сетевые нагрузки, которые нуждаются в источнике питания 220 Вольт, да еще и переменный ток с частотой 50 Гц, инвертор полностью может обеспечивать такие условия. Несколько слов о самом преобразователе, его примерная схема показана ниже.

Схема приведена только для того, чтобы показать принцип работы, а работает это дело довольно простым образом.

Два генератора, оба TL494, первый из них работает на частоте около 60кГц и предназначен для раскачки силовых транзисторов первичной цепи, которые в свою очередь раскачивают силовой импульсный трансформатор. Второй генератор настроен на частоту порядка 100 Гц и управляет высоковольтными силовыми транзисторами.

Выпрямленное напряжение после вторичной обмотки трансформатора поступает к высоковольтным полевикам, которые срабатывая с заданной частотой превращают постоянный ток в переменный – с частотой 50 Гц. Форма выходного сигнала – прямоугольная или правильнее говоря – модифицированная синусоида.

Наш трансформатор является основным силовым компонентом инвертора и его намотка самый ответственный момент.

Первичная обмотка в виде шины (к сожалению точную длину указать не могу), ширина этой шины порядка 24мм, толщина 0.5мм.

Изначально нужно рассчитать трансформатор, но для этого нам нужно знать некоторые параметры, а точнее:

Рабочую частоту и тип задающего генератора.
Входное напряжение инвертора
Габаритные размеры и тип (марку) сердечника трансформатора

Вначале была намотана первичная обмотка. Две плечи были намотаны одной цельной лентой, кол-во витков 2х2 витка. После намотки первых двух витков был сделан отвод, затем намотаны остальные два витка.

Поверх первичной обмотки обязательно нужно ставить изоляцию, в моем случае обычная изолента. Количество слоев изоляции – 5.

Вторичная обмотка мотается в том же направлении, что и первичная, например – по часовой стрелке.

Для получения 220 Вольт выходного напряжения в моем случае обмотка содержит 42 витка, притом намотка обмотки делалась слоями – первый слой 14 витков, поверх еще два слоя, которые содержат точно такое же количество витков.
Обмотка моталась двумя параллельными жилами провода 0,8мм, пример расчета показан ниже.

После всего этого собираем трансформатор – скрепляем половинки сердечника используя любую изоленту или скотч, клей не советую, поскольку он может проникнуть между половинками феррита и образовать искусственный зазор, который приведет к повышению тока покоя схему и к сгоранию входных транзисторов инвертора, так, что нужно на этот фактор обратить большое внимание.

В работе трансформатор ведет себя очень спокойно, ток потребления без нагрузки в районе 300 мА, но это с учетом потребления высоковольтной части.

Максимальная габаритная мощность сердечника, который я использовал, составляет в районе 1000 ватт, разумеется намоточные данные будут разными в зависимости от типа используемого сердечника. К стати намотку можно делать как на Ш-образных сердечниках, так и на ферритовых кольцах.

По такой основе мотаются исключительно все трансформаторы и в промышленных и в самодельных импульсных преобразователей напряжения, к стати – конструкции самодельных инверторов очень часто повторяются радиолюбителями в проектах сабвуферных усилителей и не только, так, что думаю статья была интересной для многих.

Источник

Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии? Часть 2

И это еще не все. В [5] показано, что для минимизации размеров дросселя, его магнитопровод должен работать в граничном режиме, в котором максимально допустимый размах магнитной индукции не превышает значения индукции насыщения В_НАС (ΔB ≤ В_НАС). Однако при однополярном перемагничивании реальных магнитных материалов из-за наличия остаточной намагниченности B_R под ограничение попадают не только максимальное, но и минимальное значение B. Для трансформатора это не имеет особого значения – его магнитопровод работает по симметричным циклам перемагничивания (ΔB ≤ 2В_НАС), а вот для дросселя это приводит к дополнительному ограничению размаха магнитной индукции – ΔB ≤ (В_НАС – B_R).

Если проанализировать характеристики реальных материалов, то можно увидеть, что величина остаточной индукции для большинства ферромагнетиков достаточно велика. Например, для популярного в устройствах силовой электроники феррита N87 при температуре 100 °C остаточная индукция B_R ≈ 150 мТл при индукции насыщения В_НАС ≈ 390 мТл (Рисунок 3) [9]. Учитывая, что при индукции свыше 300 мТл кривые намагничивания уже становятся нелинейными, максимальное значение индукции B_MAX для данного материала (как и для многих ферритов) не следует выбирать больше 300 мТл. В этом случае значение остаточной намагниченности приблизительно равно половине максимальной индукции (B_R ≈ 0.5B_MAX). Таким образом, максимально возможный размах магнитной индукции для дросселя ΔB ≈ В_MAX – B_R = 0.5B_MAX, в то время как для трансформатора, использующего тот же самый феррит, ΔB ≈ 2В_MAX.

Рисунок 3.	Кривые намагничивания феррита N87 при 25 °С (слева) и 100 °С (справа) [9].

Здесь следует отметить, что большинство магнитопроводов дросселей имеет немагнитный зазор, уменьшающий величину B_R, что, теоретически, позволяет увеличить значение ΔB. Однако на практике далеко не все преобразователи работают в граничном режиме, поскольку он приводит к увеличению пульсаций токов, а значит, и к увеличению установочной мощности силовых транзисторов, диодов и конденсаторов. Очень часто дроссели, особенно при использовании магнитопроводов из распыленного железа, обладающего значительными потерями, но имеющего меньшую стоимость, при максимальных нагрузках работают в более «щадящем» режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode) с размахом магнитной индукции ΔB ≈ (0.1…0.3)B_MAX.

Примем для дросселя ΔB ≈ 0.5B_MAX, а для трансформатора ΔB ≈ 2B_MAX. Подставив эти значения в формулы, соответственно, (2) и (7), и приняв к_{1_MAX} = к_{2_MAX} = 0.8, при котором значение выражения в скобках формулы (2) приблизительно равно единице, получим:

(8)

Или, другими словами, при абсолютно одинаковых условиях дроссель должен быть в лучшем случае в восемь раз больше (и тяжелее) трансформатора!

Когда использовать трансформатор?

Если трансформатор в восемь раз меньше дросселя, тогда давайте будем использовать только трансформаторы вместо дросселей. Мысль хорошая, но тут тоже все непросто.

Основная сложность применения трансформатора в импульсных преобразователях электрической энергии заключается в том, что ему для работы необходимо переменное напряжение с частотой f, которая может достигать нескольких мегагерц (обычно 20…500 кГц). Но большинство существующих преобразователей работает в системах постоянного тока (DC-DC Converter) и только в последнее время появились разработки, для регулировки напряжения промышленной сети 50(60) Гц (AC-AC Converter). Поэтому для того, чтобы трансформатор просто смог работать, необходимы еще как минимум два дополнительных узла. Вначале необходимо каким-то образом получить переменное напряжение с частотой f, а затем, после его прохождения через трансформатор, удалить внесенную высокочастотную компоненту (Рисунок 4). В DC-DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы назвали «инвертор» и «выпрямитель», хотя в AC-AC преобразователях узлы, на входе и выходе которых присутствует переменное напряжение, формально уже не попадают под эти определения. Согласно их функциональному назначению, правильнее было бы назвать модулятор (инвертор) и демодулятор (выпрямитель).

Рисунок 4.	Схема преобразователя на основе трансформатора.

Кстати, использование в инверторе-модуляторе и выпрямителе-демодуляторе полностью управляемых ключей, способных по сигналу управления как пропускать, так и блокировать протекание тока в любом направлении, открывает новые возможности для построения преобразователей. В таких устройствах только изменением алгоритма управления силовыми ключами можно изменять функциональное назначение схемы и регулировать как тип выходного напряжения (постоянное/переменное), так и его полярность (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Диаграммы работы преобразователя (Рисунок 4) при различных алгоритмах работы схемы управления.

Вторая сложность использования трансформатора заключается в том, что его коэффициент передачи определяется только соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток, а значит, не может меняться во время работы. На практике это приводит к необходимости использования дополнительных регуляторов или стабилизаторов, использование которых также негативно сказывается на технических характеристиках преобразователей. Вспомните схемы выпрямительных устройств на основе 50-герцовых трансформаторов. Там стабилизация напряжения осуществлялась либо с помощью управляемых тиристорных выпрямителей, приводящих к сильным искажениям формы напряжений и токов, либо с помощью компенсационных стабилизаторов напряжения с низким КПД.

Кроме того, индуктивные элементы сложно сделать малогабаритными. При малых мощностях стоимость любого индуктивного элемента определяется больше стоимостью сборки, чем материалов, использованных при его изготовлении. Поэтому при небольших мощностях масса, габариты и стоимость преобразователей на основе трансформатора в лучшем случае не отличаются от аналогичных параметров преобразователей на основе дросселей, а в худшем приводят к их увеличению, потому что кроме трансформатора на плате еще должны находиться инвертор и выпрямитель вместе с сопутствующей «обвязкой». Помимо этого, силовые элементы инвертора и выпрямителя выделяют тепло, что, особенно при использовании «жестких» режимов переключения, приводит к увеличению потерь. Поэтому КПД преобразователей на основе трансформатора при малой мощности только в редких случаях превышает 85%.

Вот почему использование трансформатора в большинстве случаев оправдано лишь при преобразовании мощности свыше 100 Вт или при большой разнице напряжений между входом и выходом (хотя в [3] показано, что в последнем случае хороший результат дает использование дросселя, включенного по автотрансформаторной схеме).

Заключение

Теперь становится понятно, что использование трансформатора оправдано лишь в мощных (более 100 Вт) преобразователях. При меньшей мощности реализация преобразователя по «трансформаторным» схемам, например, мостовой или полумостовой, особенно при использовании «жестких» режимов переключения, в большинстве случаев приведет лишь к бессмысленному ухудшению технических характеристик. Но, приступая к разработке преобразователя на основе трансформатора, следует помнить, что его использование в импульсных преобразователях имеет множество особенностей, рассмотрение которых уже выходит за рамки этой статьи.

Источник

Особенности применения трансформаторов в импульсных преобразователях электрической энергии. Часть 1

Александр Русу, Одесса, Украина

Как известно, существует всего два электромагнитных прибора, с помощью которых параметры электрической энергии можно преобразовать с максимально возможной эффективностью: дроссель и трансформатор. С технологической точки зрения они практически одинаковы и отличаются только режимом работы: трансформатор пропускает энергию «сквозь себя», не накапливая ее в магнитном поле, а дроссель работает по принципу «взял-сохранил-отдал».

В [1] было показано, что при одной и той же преобразуемой мощности и рабочей частоте габаритные размеры трансформатора могут быть до восьми раз меньше чем у дросселя. Однако использование трансформатора приводит к усложнению схемы и проблемам при регулировке выходного напряжения, поэтому маломощные (до 150…200 Вт) преобразователи обычно строятся по схемам на основе дросселя, а мощные…

А с мощными преобразователями будем разбираться в этой статье, которая подводит итог первой части цикла об импульсном преобразовании электрической энергии, посвященного особенностям схемотехники их силовой части. Как обычно, читателю рекомендуется предварительно ознакомиться с уже опубликованными в журнале и на сайте РадиоЛоцман материалами [1 – 8], а для более глубокого понимания сути происходящих процессов – с более «тяжелыми» статьями в научных журналах [9 – 11].

Структурная схема преобразователя на основе трансформатора

Итак, изучив [1 – 7], попробуем синтезировать мощный преобразователь, основным элементом которого является трансформатор. Согласно формулам, полученным в [1], габариты трансформатора зависят от его рабочей частоты. Поскольку частота напряжения на входе и выходе преобразователей невелика (50. 400 Гц), а то и вовсе равна нулю (для DC/DC преобразователей), для того чтобы трансформатор работал на высокой частоте, необходимы два дополнительных узла: модулятор и демодулятор. Модулятор преобразует входное низкочастотное напряжение в напряжение высокой частоты, амплитуда которого пропорциональна напряжению на входе, а демодулятор выполняет обратную функцию (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Структурная схема преобразователя на основе трансформатора.

Предвидя возможную (и обоснованную) критику со стороны читателей, уже знакомых со схемотехникой мощных преобразователей, сразу обращаю внимание, что в DC/DC преобразователях, исторически появившихся первыми, эти узлы в свое время назвали, соответственно, «инвертор» и «выпрямитель», поскольку они действительно преобразовывали постоянный ток в переменный и наоборот. Однако импульсным способом можно изменять величину не только постоянного, но и переменного напряжения [8], поэтому соответствующие узлы AC/AC преобразователей, у которых на входе и выходе присутствует переменного напряжение, уже как-то технически некорректно называть инверторами или выпрямителями.

Итак, преобразователь на Рисунке 1 позволяет изменить величину напряжения на входе только на какую-то конкретную величину, однако его еще нужно как-то регулировать, ведь входное напряжение и ток нагрузки практически никогда не бывают стабильными. Можно, конечно, использовать трансформатор с отпайками (Рисунок 2), но такая схема со ступенчатой регулировкой вряд ли удовлетворит требования к качеству выходного напряжения, необходимые в большинстве приложений, да и сложность такой схемы намного больше, чем у известных решений.

Рисунок 2.	Схема преобразователя с дискретной регулировкой выходного напряжения.

Из опыта построения «классических» выпрямителей на основе низкочастотных трансформаторов известно, что для точной регулировки выходного напряжения используют специальный узел – стабилизатор, устанавливаемый на выходе устройства (Рисунок 3). Именно такой принцип – двукратного преобразования напряжения (энергии) – и используется при построении мощных импульсных преобразователей: вначале система модулятор-трансформатор-демодулятор преобразовывает входное напряжение до некоторого промежуточного нестабилизированного уровня, а затем стабилизатор изменяет его до требуемого значения с необходимой точностью.

Рисунок 3.	Структурная схема стабилизированного преобразователя на основе трансформатора.

Способы реализации преобразователя на основе трансформатора

Но какую схему использовать для построения стабилизатора? Использование «классических» компенсационных стабилизаторов, например 78хх/79хх, обладающих большими габаритами из-за наличия радиатора и низким КПД, сведет к нулю весь выигрыш от использования трансформатора. LDO-стабилизаторы, являющиеся разновидностью компенсационных схем, эффективны только при небольшой разнице между входным и выходным напряжением; при ее увеличении их КПД также стремительно падает. Да и большинство компенсационных схем рассчитано на использование в схемах постоянного тока и поддерживают только режим передачи [3]. Но ведь иногда необходимо преобразовать переменное напряжение или работать на нагрузку реактивного характера [3, 8].

Но почему стабилизатор обязательно должен быть компенсационным? Обратите внимание, что этот узел тоже является преобразователем напряжения, а это значит, что для его построения, теоретически, можно использовать любую из схем на основе как дросселя, так и трансформатора. Однако преобразователь на основе трансформатора в устройстве уже есть, и мы как раз пытаемся компенсировать его недостатки, поэтому остаются «дроссельные» схемы, способные в силу своего принципа работы [2, 3] плавно изменять в широких пределах коэффициент передачи, что полностью компенсирует недостаток плохо регулируемых «трансформаторных» схем.

В [2] показано, что «базовой» схемой для «дроссельных» преобразователей является обратноходовая. Но в ней через магнитопровод дросселя передается вся мощность нагрузки, а это означает, что в устройстве все равно остается дроссель, габариты которого будут как минимум в 8 раз больше трансформатора. А поскольку обратноходовая схема обеспечивает гальваническую развязку и за счет изменения коэффициента трансформации дросселя [4] может работать при любом соотношении напряжений на входе и выходе, то использование трансформатора вместе с сопутствующими узлами (модулятором и демодулятором) при построении стабилизатора по обратноходовой схеме становится полностью бессмысленным.

Но есть еще три схемы «дроссельных» преобразователей, которые можно получить, соединив определенным образом вход и выход обратноходового импульсного регулятора [2] c входом и выходом преобразователя: понижающая, повышающая и инвертирующая. Инвертирующую схему можно сразу исключить, поскольку она по своим характеристикам мало чем отличается от обратноходовой, а вот на понижающую и повышающую следует обратить внимание, ведь их главный недостаток – отсутствие гальванической развязки – устраняется наличием трансформатора.

Рисунок 4.	Зависимость величины относительной преобразуемой мощности от соотношения напряжений на входе и выходе «дроссельных» преобразователей.

В [2] было показано, что при соединении входа или выхода импульсного регулятора последовательно с входом и выходом преобразователя величина преобразуемой мощности Р_ИР (мощности, проходящей через магнитное поле магнитопровода дросселя) зависит от соотношения напряжений на входе и выходе U_ВХ и выходе U_ВЫХ преобразователя (Рисунок 4). Таким образом, если нам необходимо уменьшить (увеличить) напряжение только на 10%, то при использовании понижающей (повышающей) схемы необходим дроссель с размерами в 10 раз меньшими, чем у дросселя обратноходового преобразователя (при условии, что магнитопроводы дросселей будут выполнены из одного и того же материала и работать в одинаковых режимах [6]). В этом случае размеры дросселя уже становится соизмеримыми с размерами трансформатора, работающего на той же частоте. Но какую схему использовать для построения стабилизатора: понижающую или повышающую?

Рисунок 5.	Схемы преобразователей на основе трансформатора с импульсными стабилизаторами понижающего (вверху) и повышающего (внизу) типов.

На первый взгляд оба варианта (Рисунок 5) идентичны. В общем случае в этих схемах трансформатор и стабилизатор могут работать в асинхронном режиме на разных частотах и быть совершенно независимыми узлами. Даже если трансформатор и дроссель стабилизатора будут работать синхронно на одной частоте, использование такого подхода уже даст неплохой выигрыш в габаритах индуктивных элементов по сравнению с дросселем «базовой» обратноходовой схемы: трансформатор будет меньше в 8 раз, а дроссель – в 5…10 раз (при использовании оптимальных режимов работы магнитопровода [6]). Это в итоге позволит уменьшить общую массу и габариты индуктивных элементов такого устройства как минимум вдвое. Однако сложность такой схемы теперь становится очень высокой – только наличие двух контроллеров, даже работающих в синхронном режиме, уже может создать множество проблем для разработчика, ну а наличие шести силовых ключей приведет к уменьшению КПД и увеличению, за счет дополнительных радиаторов, габаритов и стоимости преобразователя.

Источник