рис.1 Общая схема резонансного преобразователя

Стремление уменьшить помехи, создаваемые преобразователями напряжения, и облегчить условия коммутации транзисторов привело к созданию преобразователей с высокочастотными резонансными инверторами (рис.1). Катушка индуктивности Lк и конденсатор Ск образуют колебательный контур, в который последовательно включен источник ЭДС, создаваемой полумостовым инвертором, состоящим из конденсаторов С1 и С2, мощных транзисторов VT1 и VT2. Нагрузка подсоединена к конденсатору контура через трансформатор Т, выпрямительный мост и фильтр LфСф. Включением в инвертор трансформатора Т достигаются гальваническая развязка источника и нагрузки, снижение амплитуды напряжения на конденсаторе Ск, что обеспечивает сравнительно низкое выходное напряжение преобразователя.

рис.2 Процессы в резонансном преобразователе

Ток через индуктивный элемент контура i(t) при малом затухании близок к гармоническому. Если переключать силовые транзисторы инвертора в моменты прохождения тока через нулевые значения, то можно создать благоприятные условия коммутации и малый уровень коммутационных помех, так как размыкание и замыкание в силовой цепи происходят в моменты, когда ток равен нулю. Это является основным положительным качеством такого преобразователя напряжения.

Вместе с тем в резонансных инверторах оказываются повышенными напряжения на элементах колебательного контура и амплитуда контурного тока. Первое обстоятельство приводит к существенному возрастанию выходного напряжения или уменьшении тока нагрузки, а второе заставляет завышать установочную мощность силовых транзисторов и затрудняет получение высоких значений КПД преобразователя.

Рассмотрим процессы, протекающие в более простой моделирующей схеме (рис.2 а), где отсутствует трансформатор. ЭДС, возбуждающая колебания в контуре, имеет прямоугольную форму, ее частота равна резонансной частоте контура, а амплитуда для каждой полуволны равна Е (рис.2 б). Под действием положительной полуволны ЭДС в индуктивном элементе контура создается импульс тока (рис.2 в), который при малом значении затухания практически синусоидален.

рис.3 Резонансный преобразователь с емкостным элементом в фильтре

В следующий полупериод изменяется полярность ЭДС, ток в контуре меняет знак, а напряжение на конденсаторе С спадает до -Uм. Ток, потребляемый выпрямителем, постоянен в течение каждого из полупериодов напряжения u(t) и меняет знак со сменой полупериода. Из-за этого ток конденсатора С при прохождении напряжения на конденсаторе С через нулевые значения (рис.2 г) изменяется скачками.

В цепь обратной связи, делающей регулируемый преобразователь стабилизирующим (рис.3), входят цепь сравнения (резисторы R1 и R2), источник опорного напряжения (Еоп), усилитель сигнала ошибки (УСО), звено гальванической развязки (ГР) и генератор импульсов управления (ГИУ). Помимо указанных звеньев обычно включают и цепь синхронизации, обеспечивающую переключение силовых транзисторов в моменты перехода тока индуктивных элементов через нулевые значения.

В некоторых случаях для регулировки выходного напряжения используют режим работы с расстройкой контура. Однако при этом теряется основное преимущество такого преобразователя. Силовые транзисторы переключаются не при нулевых токах. Более рационально регулировать выходное напряжение изменением индуктивности контура, точнее - его характеристическое сопротивление.

рис.4 Процессы в резонансном преобразователе с емкостным элементом в фильтре

Когда нагрузка выпрямителя начинается с емкостного элемента (рис.4), характер процессоров меняется. В данном случае (рис.4 а) расчетной моделью является контур с подсоединенным к нему выпрямителем. Смена полярности напряжения возбуждения (рис.4 б) приводит к росту тока через индуктивный элемент контура. Этот ток (рис.4 в) полностью проходит в емкостной элемент контура, так как диоды выпрямителя на данном этапе заперты напряжением на конденсаторе выпрямителя Со. Зарядка емкости контура приводит к росту напряжения на ней (рис.4 г), и, когда фазовый угол достигает значения wt1, оно сравнивается с выходным напряжением Uо. После этого открываются диоды выпрямителя и ток через индуктивный элемент, проходя через вентили, подзаряжает конденсатор Со. Из-за того, что емкость конденсатора Со относительно велика, можно считать напряжение на нем при подзарядке и разрядке на нагрузку неизменным и равным Uо; в интервале wt1{wt{wt2 становится постоянным и напряжение на емкостном элементе контура С, и напряжение на индуктивном элементе контура L. Из-за этого ток через индуктивный элемент спадает во времени линейно и в момент, соответствующий фазовому углу wt2, становится равным нулю. В этот момент и необходимо переключать силовые транзисторы, что приведет к смене полярности возбуждающего напряжения e(t). При wt>wt2 в контуре генерируется вторая полуволна тока через индуктивный элемент и к моменту, соответствующему wt=wt2+wt1, напряжение на емкостном элементе контура уменьшается от Uо до -Uо. Снова отпираются диоды выпрямителя и подзаряжается конденсатор С.

При малом затухании режим холостого хода преобразователя (Iо близко к нулю) приводит к значительному росту выходного напряжения Uо. Так как малые значения затухания обеспечивают получение высокого КПД, то обычно требуются дополнительные меры по предотвращению увеличения выходного напряжения на холостом ходу.

Схема стабилизирующего преобразователя (рис.5) содержит силовую часть (полумостовой инвертор, контур и выпрямитель), цепь обратной связи для регулировки индуктивного элемента контура L и цепь синхронизации (компаратор К и усилитель импульсов), которая обеспечивает переключение силовых транзисторов в момента перехода тока индуктивного элемента через нулевые значения.

рис.5 Резонансный преобразователь со стабилизацией

Таким образом, преимуществами высокочастотных резонансных преобразователей являются малые потери мощности при переключении транзисторов, малая интенсивность и неширокий спектр помех, отсутствие перегрузок транзисторов при несимметричном режиме работы. Однако из-за того, что по сопротивлению r, отражающему в модели потери в силовой цепи, проходит контурный ток i(t), значительно превышающий ток нагрузки Iо получить высокое значение КПД преобразователя затруднительно.

Литература
[1] А.И.Иванов-Цыганов "Электропреобразовательные устройства РЭС" М. "Высшая школа", 1991 г.