Добрый вечер!

Разрабатываю интересный проект - генератор напряжения мощностью от 0 до 5кВт, амплитуда выходного напряжения 10-300 вольт, форма выходного напряжения - любая (непериодическая, несинусоидальная, несимметричная относительно нуля). Форма обеспечивается ШИМ с минимальной шириной импульса 50мкс.
Пока нахожусь на этапе моделирования схемотехники в LTSpice. В основе - два параллельно работающих прямоходовых преобразователя - один обеспечивает положительную "полуволну" напряжения, второй - отрицательную.

Столкнулся с такой проблемой - как обеспечить быстрое размагничивание сердечника импульсного трансформатора так, чтобы при этом минимум энергии попало в нагрузку?
Сейчас получается, что при закрывании ключа происходит размагничивание сердечника через размагничивающую обмотку, при этом на нагрузке возникает импульс напряжения отрицательной полярности. Как сделать так, чтобы этого импульса не было или он был минимальным? Поставить диод в цепь нагрузки - очень нежелательно.

Буду благодарен за любые идеи.

Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла

может быть диодом?

диодом не хотелось бы.

В идеале хотел бы, чтобы оба плеча генератора - и "отрицательный" и "положительный" работали на один трансформатор - в этом случае диод не применишь.
Кроме того, вторичная обмотка трансформатора будет использоваться как "вольтодобавка" к еще одному источнику напряжения - то есть ставить какие-то дополнительные компоненты во вторичную обмотку нежелательно.

Пока вижу решение в том, чтобы как-то очень быстро размагнитить сердечник и тем самым значительно уменьшить амплитуду отрицательного выброса напряжения во вторичную цепь. А вот как это сделать?

Классический однотактный прямоход не может работать без диода на выходе. Принципиально.
Потому как трансформатору не хватит времени размагнититься за время паузы.

А почему не пойти на двухтактную схему? Взять за основу усилитель класса D.

Коэффициент заполнения не очень большой. Моделирование показывает, что без диода на выходе - трансформатор все равно размагничивается. Весь вопрос в том, как "ускорить" этот процесс размагничивания, чтобы при этом в нагрузке возник импульс отрицательной полярности минимальной амплитуды.

Посмотрите на графики напряжения на нагрузке в зависимости от количества витков размагничивающей обмотки - 5, 10, 20 витков. Видно, что чем больше витков, тем меньше амплитуда импульса отрицательного напряжения. Как ее сделать еще меньше? Может быть есть какое-то схемотехническое решение, например можно как-то быстро "закачать" в трансформатор "размагничивающий импульс"?

Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла



То есть использовать двухполярное напряжение питания и мостовую схему? А как гальванически развязать выход моста и нагрузку?

Напоминает попытку чесать левой пяткой правое ухо. Наверное, чтобы обеспечить в розетке знакопеременное напряжение, на электростанции используют два генератора: один для положительной полярности, другой - для отрицательной...


Может, стоит что-нибудь по электротехнике почитать прежде, чем браться за "интересный проект" на 5кВт?

Точно так же - импульсным трансформатором

Спасибо за здоровый сарказм.
Речь идет не о генераторе чистого синуса 50Гц, а о генераторе напряжения "сильно неправильной" формы. Электрических машин, способных генерировать напряжение такой формы - не знаю. Если знаете - поделитесь названием?

Может и стоит что-то прочитать по электротехнике... В каком направлении копать - порекомендуйте, пожалуйста, гальваническую развязку для ШИМ. "Железный" трансформатор просьба не предлагать - массогабарит не устраивает, да и напомню, что напряжение несимметрично относительно нуля. Конденсаторную гальваническую развязку тоже просьба не предлагать - не готов ставить в устройство неполярные конденсаторы на 100.000мкФ.


Приложил схему с такого вида гальванической развязкой. На нагрузке - совсем не то, что в средней точке между транзисторами (если подключать нагрузку напрямую в эту точку, без гальванической развязки). Все та же проблема с выбросами из-за размагничивания импульсного трансформатора.
Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла

Таким образом, Вам необходим в чистом виде усилитель, который способен умощнять сигналы задания произвольной формы?

Хм, действительно. Получается, что так.
Только нужно, чтобы выход усилителя был гальванически развязан с нагрузкой, а транзисторы усилителя работали в ключевом режиме.

Задача решается любым БП любой обыкновенной топологии, к выходу которого подключён мост, переключающий полярность нагрузки.

Принципиальный вопрос: частота импульсов произвольной формы (не заполнения, а полезный сигнал)

В идеале - полезный сигнал непериодический. Также возможна постоянная составляющая любой полярности любой амплитуды (+-300 вольт).
На практике - период полезного сигнала не более 10 сек, постоянная составляющая +-50 вольт.

Эх... В каком направлении? Да всё в том же - электротехники. Вы простите мой здоровый сарказм, но регулярно проявляются новички с "интересными проектами" сразу этак киловатт на пять-десять, и чтобы универсальное - на все случаи, которых ещё и не придумали... При этом, как работает трансформатор представляют с трудом и опытом в области силовой электроники нулевым.
Посмотрите всё-таки схемотехнику усилителей класса D - может, натолкнёт на полезные мысли. Там не обязателен железный массогабарит.
А ещё лучше - начните с того, для чего это нужно. Без чёткого понимания цели опять будем переливать из пустого в порожнее страниц десять. Потом Вы признаетесь, что что-то совсем иное имели в виду...

К счастью, эти утверждения не имеют ко мне никакого отношения.


Да, смотрю, спасибо Вам и injener-у за подсказку. К сожалению, в моем случае характер нагрузки немного "неудобный" для такой схемотехники. Нужна гальваническая развязка (параметры полезного сигнала я приводил). Сопротивление нагрузки может меняться от единиц омов до 10-ков ком.


Вроде бы я ясно выразился - нужен мощный источник напряжения произвольной формы. Или Вас интересует, куда, на какую нагрузку будет работать этот источник?

Лучше начать с маленького, с макета, Ватт так на 5 и вольт так на 12, и посмотреть что получится. Получить нужной вам формы сигнала и т.п. в макете.

Правильно вам сказали что берете любой изолированный источник и ставите на его выходе мост или полумост. и управляете им через ТГР или оптодрайверы

Пока начал с модели в LTSpice.



Понял, спасибо. В принципе вполне рабочий вариант, такой же как и два отдельных (отдельные трансформаторы, отдельные схемы управления) параллельно работающих классических прямохода (один на +, второй на -).

Но хотелось бы совместить два в одном, на одном трансформаторе. Думал, что для этого достаточно решить проблему с максимально быстрым размагничиванием сердечника.

О чём Вы? В типовом одном БП, о котором сказано выше, один трансформатор и есть.

Если Вы настолько невнимательно читаете, то лучше Вам действительно пока иметь дело только с бумажными высоким напряжением и киловаттами.

Я о своем варианте с двумя отдельными форвардами на двух отдельных трансформаторах. Про вариант одним БП и мостиком, который будет менять полярность подключения нагрузки - написал выше, что понял этот вариант. Что вариант имеет право на существование.
Извините за некоторую нечеткость изложения своих мыслей, постараюсь в дальнейшем писать максимально однозначно.

Вариант с одним БП и мостиком не нравится по причине, что не хотелось бы во вторичную цепь ставить никаких полупроводников. Вообще.

Приложил схему с идеей принудительного размагничивания сердечника с помощью отдельной размагничивающей обмотки. В этой обмотке 100 витков (в 10 раз больше по сравнению с количеством витков в первичной и вторичной обмотках). Ключ размагничивающей обмотки открывается сразу же после закрытия основного силового ключа на время, в 10 раз меньшее, чем был открыт основной ключ. Напряжения в схеме - на рисунке. Красная линия - напряжение на нагрузке, синяя - затвор основного ключа (нижний по схеме), зеленая - затвор ключа размагничивающей обмотки (верхний по схеме).

Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла

Гальванически развязать постоянный ток можно, например, батареей солнечных элементов.

Сделать то же самое трансформатором не позволят законы природы — это, наверное, курс физики средней школы.

Физика - великая вещь.
Как по Вашему мнению - какая постоянная составляющая напряжения на нагрузке в предыдущей схеме?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
P.S. Если уж вспомнили о физике - то напряжение это только одна из составляющих процесса. Вспомните закон сохранения энергии применительно к трансформатору в целом за один период его работы - откуда пришла энергия и куда она потом ушла.

Как говорил проф. Преображенский, "именно это я и предполагал..." Ну, да ладно.

Да, интересует - на какую нагрузку, в каких условиях, какие ещё ограничения выплывут по мере обсуждения, кроме нежелания железного трансформатора, нежелания неполярных электролитов, нежелания полупроводников во вторичной цепи...
Чем раньше всё будет понятно о задаче, тем конструктивнее будет обсуждение.

Вы хотите обеспечить меня полным комплектом КД, рассчитать мне тепловой режим, выбрать корпус+СО и изготовить несколько опытных образцов? Извините, но вроде бы я пишу не в тему "Предлагаю работу"

Чтобы не затруднять Вас поиском информации по всей теме, постараюсь ответить на Ваши вопросы максимально полно:
1. нагрузка активно-индуктивно-емкостная, сопротивление - 1Ом - 10кОм
2. амплитуда напряжения в нагрузке +-0-300В
3. мощность нагрузки 0-5кВт
4. нагрузка должна быть гальванически развязана с силовой частью устройства
5. постоянная составляющая напряжения в нагрузке +-0-300В
6. условия эксплуатации - SATP
7. пылевлагозащищенность - IP56
8. минимальное количество элементов во вторичной цепи
9. минимальные массо-габаритные показатели
10. минимальная стоимость

Принимая во внимание и уважая Ваш опыт, с удовольствием приму любые ответы, в том числе - "невозможно", "возможно при применении силового трансформатора габаритной мощностью 100кВА", "возможно при применении развязывающих неполярных конденсаторов емкостью 100.000мкФ".

Спасибо!

Интересно, как вы представляете сигнал с периодом 10с пропускать через нежелезный трансформатор?
Ну, да ладно...
Я бы, наверное, сделал так: Поставил бы сетевой 50Гц трансформатор, выпрямитель и инвертор напряжения с ШИМ, который хорошо работает с изменяющейся нагрузкой. Врядли надежно получится развязать ШИМ сигнал с основной частотой 0,1Гц. Тут что-то вроде выходных трансформаторов от ламповых УМЗЧ требуется...

Размышления даже над казалось бы тупиковыми задачами конечно двигают прогресс, но в данном случае вы пытаетесь обмануть физику.
Посмотрите ток намагничивания трансформатора в вашей схеме, он там наверняка килоамперами измеряется.

Почему нагрузка должна быть гальванически развязана?, если усилитель мощности запитать от отдельного БП а уже вход УМ гальванически развязывать от источника сигнала.
А пункты 8, 9, 10 нужно включать, когда будет первый опытный действующий образец.

Вы имеете ввиду ток обмотки размагничивания?
Наверное, его, потому что ток первичной и вторичной обмоток ничем не отличается от токов обычного "классического" прямохода.
По поводу тока обмотки размагничивания - он во столько раз меньше тока первичной обмотки, во сколько раз количество витков в обмотке размагничивания больше количества витков в первичной обмотке. Коэффициент трансформации, однако.

Магнитный поток: Ф=L*I - по закону коммутации не может измениться мгновенно.
Энергия магнитного поля: W=L*I^2/2 - накапливается в магнитном поле первичной обмотки трансформатора, при разрывании тока ключом возвращается через обмотку размагничивания в источник.


ШИМом.


Понял, спасибо. Сетевой трансформатор - имеется ввиду для гальванической развязки с питающей сетью?


Такая особенность использования этого источника. На данном этапе можно считать что этот источник лабораторный и используется для испытания электроники на воздействие "неправильного" входного напряжения.


Во вторичной цепи может быть нагрузка любого вида, в том числе с большой индуктивностью, собственными коммутационными процессами, собственными источниками энергии. В принципе, в крайнем случае можно сделать так, как Вы предлагаете, только продумать защиту выходных полупроводников от возможного негативного действия со стороны нагрузки. Спасибо!

мост частотного преобразователя например также работает на индуктивную нагрузку при напряжении 540в, и ничего, выдает синусоиду ШИМом на нагрузке.

...вот пример реализации на оптронах..

Я имею ввиду ток подмагничивания сердечника, как сумму токов всех трёх обмоток с учётом коэффициета трансформации каждой и направления протекания тока в них. В симуляторе этот ток вполне может быть и 100 ампер, а вот в реальном устройстве увы, всё заканчивается раньше чем успеешь понять что случилось.

Пример, конечно, паркетный.
ТС, с Новым Годом! Ваше ТЗ невыполнимо в принципе, по сему потрудитесь намекнуть приложение чудо-машины. Скорее всего, придется делать прибор на несколько диапазонов

Нет, все го лишь хочу предотвратить неверные догадки и ненужные обсуждения. Кроме того, Вам ведь известна поговорка: правильно сформулированный вопрос содержит половину ответа?
С последними тремя пунктами тоже советую не торопиться. Минимизировать можно только то, что уже вырисовалось. Пока... задача выглядит в такой постановке нерешаемой.


Вот именно. А индуктивность размагничивающей обмотки растёт пропорционально квадрату её витков. Вот и выбирайте: либо размагничиваем быстро килоамперами, либо амперами, но до-о-о-о-лго....

ШИМом - это, конечно, замечательно, но надо только помнить, что нижняя гармоника ШИМа - как раз та, с периодом 10с...

Только так, по-видимому. Если для гальванической развязки использовать трансформатор (а что ещё на 5кВт?), то применять его нужно там, где есть симметрия.

Ок. Считаем. Для простоты будем считать что сопротивление нагрузки бесконечность, трансформатор идеальный, ключи идеальные, потерь в меди нет.
Дано: индуктивность 1-го витка Al=10мкГн, в первичной обмотке Npri=10 витков, во вторичной 10 витков, в обмотке размагничивания Nrazm=100 витков. Напряжение источника питания U=300 В. Основной силовой ключ был включен 10 мкс.
1. Индуктивность первичной обмотки Lpri=Al*Npri^2=1000 мкГн, вторичной обмотки такая же, обмотки размагничивания Lrazm=Al*Nrazm^2=100000 мкГн
2. За время включения основного силового ключа ток в первичной обмотке возрос от 0 до Ipri.max=U/L*t=300/0.001*0.000010=3 А
3. За время включения основного силового ключа в сердечнике возник магнитный поток Ф=Lpri*Ipri.max=0.001*3=0.003 Вб
4. Все время включения основного силового ключа (10мкс) на вторичной обмотке было напряжение 300 вольт (коэффициент трансформации первичной обмотки ко вторичной 1:1).
5. Основной ключ закрылся, ключ обмотки размагничивания открылся, магнитный поток по закону коммутации остался таким же.
6. В обмотке размагничивания возник ток Irazm.max=Ф/Lrazm=0.003/0.1=0.03 А
7. Ключ обмотки размагничивания был открыт время, достаточное для спадания тока обмотки размагничивания от Irazm.max до 0: t=Irazm.max*Lrazm/U=0.03*0.1/300=0.000010 сек
8. Сердечник полностью размагнитился, за время открытия ключа на вторичной обмотке было напряжение -30 вольт (коэффициент трансформации обмотки размагничивания ко вторичной обмотке 10:1).

Килоампер не вижу. Получили что хотели - на вторичной обмотке импульс +300 вольт длительностью 10 мкс, а за ним импульс -30 вольт длительностью 10 мкс. Проинтегрировали фильтром - получили нужную форму напряжения с постоянной составляющей.

В чем неправ?


Если в процессе формирования нужной формы напряжения не возникает насыщения сердечника трансформатора в принципе - то какая разница чему равен период 1-й гармоники - 10 секунд или 10 лет?

А можно схемотехнически изобразить, как два прямоходовых работают на общую нагрузку, один в положительность, другой в отрицательность?
Лет шесть назад вертелась в мозгу такая же мысль, а выразиться не смогла, запутавшись в диодах. Буду благодарен, до сих пор актуально.

Быстрое размагничивание возможно, например 1) active clamp reset и 2) синхронным выпрямлением - фазами подвигать у выпрямляющих ключей.
Второй способ требует предсказуемой нагрузки.

Открываем какой-нибудь букварь по трансформаторам и видим, что сечение сердечника пропорционально напряжению и обратнопропорционально частоте и виткам, а также индукции...

Посмотрите на 50Гцовые трансформаторы, на их габариты и ответьте, на сколько вырастут габариты 0,1Гцового трансформатора? Именно из-за это развязываться, на мой взгляд, лучше по сети.

Да, ловко это вы )))))
А не смущает ток в размагничивающей обмотке 0.03А вместо положенных 0.3А ?
Формула то у вас для магнитного потока одновиткового контура.

Вы определитесь пожалуйста, какие в "букваре" требования к трансформатору. Может быть два взаимоисключающих подхода:
1. Известно напряжение, частота и параметры сердечника - нужно найти количество витков (то есть нужную индуктивность первичной обмотки).
2. Известна индуктивность первичной обмотки (например экспериментальным методом) - нужно узнать на какой минимальной частоте и/или максимальном напряжении может работать этот трансформатор.

Индуктивность для расчета процессов в трансформаторе - первична. Сечение, кол-во витков и т.д - способ расчета индуктивности. Причина и следствие.

По поводу трансформатора, способного передать сигнал частотой 0.1Гц - я не предлагаю накапливать всю энергию за этот период времени в сердечнике трансформатора.


Так получается из расчета. Может и ошибся. Моделирование, однако, расчет подтверждает.


Эта формула не имеет никакого отношения к конфигурации магнитного поля. Она универсальна.


Если имеется ввиду два прямохода, которые работают на общий трансформатор - то туда во вторичку диоды не поставить никак.
Если два прямохода работают каждый со своим трансформатором - то объединить их проще ключами - диодами сложно.
Готовой схемы, к сожалению, нет.


Спасибо! Буду копать....

Правильный вид формулы для катушки, состоящей из N витков будет:
Ф=N*L*I
Так что всё же в размагничивающей обмотке будет 0.3А, и протекать они будут 100uS.
Чудес не бывает.

Понятно, спасибо!

Нашел вот такую схему
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Похоже, это то что мне нужно. Буду копать в этом направлении.

ABCBE - спасибо огромное за подсказку!

Ага, можно вниз, а можно вверх.
По active clamp много чего написано, микросхемы выпускаются, гуглите.

Ни в коем случае дальше не копайте, cхема неправильна:
Qreset должен быть P-канальным.
Даже если его заменить, то все равно она больше подходит для низковольтового входа.
Для высокого входного требуется другой кламп.

Всё там правильно. P-канальный был бы включен наоборот - дрейном к дрейну основного ключа, через конденсатор, а соурсы у обоих обземь.
Проще по боди-диодам запоминать.

Это просто разновидность рисования схемы, для иллюстрации гениальной мысли очередного диссертанта.
Работает всё точно так же. Или не работает - точно так же

Давайте или по-русски, или по-английски.

да... невнимателен был.
Но схема для управления тем не менее малопригодна!

Ну, бывают люди, любящие решать проблемы их созданием, а затем героическим преодолением.
Это я про управление

Вообще любопытно было бы почитать, какая гениальная мысль диссертанта настолько гениальна, чтобы так вывернуться с управлением.

Вроде даже логично в чём-то, логичнее, чем у "верхнего клампа" - на прямом ходе емкость им. тов. Миллера затвор клампового ключа призакрывает, а на обратном - приоткрывает, так получается?

Эх-ххх, не придумает народ никак волшебную схему самововремяактивклампа на 3842 с D<=0.9, да чтобы без контроля намагниченности сердечника... А ведь хочется...

П.С. vrmsumy, не могли бы Вы ссылку на пдф дать прямую, или сам пдф?

Кстати, MK2, управление тут нарисовано/подразумевается самое обычное от "верхнего клампа".
Я вот предпочитаю кламповый ключ привязать хоть одной ногой к чему-нибудь незыблемому, типа gnd или +bus, поэтому сразу не сообразил - тут ёмкость кламповая пересажена сверху вниз, поэтому и запутывает

тоже любопытно, но скорее всего там теже самые методы что и для верхнего клампа. У нижнего преимущество только в управлении, а так на кламперном кондере напряжение выше чем в случае верхнего клампа. так что преимущества схемы сомнительны.

на уцешке с её одним выходом врядли получится, дедтайм придется городить хотя бы для того что бы конденсатор не стал разряжаться на основной ключ.

К сожалению ссылку не запомнил, а сам файлик сохранил. Ловите.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Понятно, это даже не диссер, это патент

ZVC прикрутили к активклампу, хотят 98% КПД, видать. Не выйдет. А PFC?

vrmsumy, читайте для ознакомительного начала что-нибудь более приземлённое, типа семинаров Unitrode.
Активкламп сам по себе требует внимания, а тут ещё с резонансами.



Но ведь пытаются же периодически Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Да, этот материал нашел. Уже прикинул в симуляторе - с "верхним" подключением конденсатора (транзистор и конденсатор клампа параллельно трансформатору) - работает. Удалось получить импульс обратного напряжения на вторичной обмотке амплитудой в 6 раз меньше, чем напряжение источника питания и длительностью 25% от ширины импульса прямого хода. Пока это не идеал, но все же неплохо. Насколько понял, значение емкости конденсатора клампа влияет на процесс довольно сильно.

А вот с "нижним" подключением конденсатора (транзистор и конденсатор клампа параллельно силовому транзистору) что-то не могу разобраться - у меня в симуляторе получается, что конденсатор клампа никак не успевает зарядиться, постоянно разряжен. По логике, именно "нижнее" подключение клампа в моем случае должно быть лучше, чем "верхнее".

Уже скачал кучу аппнотов на микросхемы, в которых реализована такая "нижняя схема" подключения клампа - но там как-то мутновато, нормальных (хотя бы визуально четких) осциллограмм напряжений и токов на элементах схемы не нашел.

Нет ли у Вас какой-то заведомо рабочей схемы форварда с "нижним подключением" конденсатора клампа? Буду весьма признателен!

Спасибо!