Рисунок 1 – Модель обратноходового преобразователя

Алгоритм расчета дросселя приведен в [2]. Диод VD2 ограничивает выходное напряжение. Стабилизация осуществляется с помощью датчика тока R11, на котором появляется падение напряжения при пробое исследуемого компонента. Значение напряжения с датчика увеличивается с помощью неинвертирующего усилителя на DA2. Выпрямительный диод VD1 должен иметь минимальную емкость p-n перехода, потому что энергия, запасенная в дросселе, будет расходоваться на заряд этой емкости, тем самым снижая КПД схемы и увеличивая время заряда накопительной выходной емкости. Параллельно накопительной емкости С4 стоит резистор, разряжающий это емкость при выключении измерителя напряжения пробоя. Резистор R10 ограничивает ток на уровне допустимом для человека и обеспечивает электробезопасность при работе с устройством. Коэффициент заполнения управляющих импульсов взят равным 0,8, обусловлено это тем, что при таком коэффициенте достигается максимальное выходное напряжение (рис. 2).

Рисунок 2 – Регулировочная характеристика обратноходового преобразователя

Моделирование высоковольтного преобразователя проведено в программе Micro-Cap 11 Demo. В ходе моделирования получены графики выходного напряжения, тока и напряжения на силовом транзисторе (рис. 3).

(a)

(б)

(в)

Рисунок 3 – Графики напряжения на ключевом транзисторе (а), выходного напряжения (б), выходного тока (в)

Ток ограничивается при пробое на безопасном для p-n перехода уровне в 250 мкА. Напряжение на силовом ключе ограничено 12,9 В, что позволяет выбрать силовой транзистор с более высоким напряжением сток-исток, и не использовать демпфирующие цепи, тем самым снизив потери.

При работе преобразователя без ККМ потребляемый ток принимает форму кратковременного импульса. Подобное явление значительно уменьшает коэффициент мощности и приводит к неизбежному усилению габаритной мощности генератора. Перечисленные явления, носящие негативный характер, нейтрализуются путём использования ККМ.

Наиболее типовым и часто используемым является последовательно-параллельный преобразователь [2, с. 58]. Синтез данного силового контура и мостового выпрямителя является основой для реализации повыщающе-понижающего ККМ (рис. 1).

Рисунок 1. Однофазный мостовой ККМ

Показанный на рис. 1 силовой контур может быть преобразован. В результате преобразования все полезные свойства данного контура были сохранены, но уменьшилось количество используемых элементов (преобразователь содержит на один диод меньше) (рис. 2).

Показанный на рис. 2 силовой контур, также имеет общую точку напряжения на входе и выходе. Данная особенность обеспечивает параллельное подключение нескольких преобразователей на одну нагрузку и при этом управляющие сигналы от единого ШИМ-контроллера будут следовать на все задействованные транзисторы одновременно [3, с. 16].

Рисунок 2. Однофазный безмостовой ККМ

На различных полупериодах напряжения сети преобразователь обладает различными особенностями и конфигурацией. Для положительного полупериода он являет собой синтез повышающего и понижающего регуляторов, соединенных последовательно, а на отрицательном — являет собой инвертирующий регулятор.

Ещё одной важной особенностью силового контура, показанного на рис. 2, является превосходная возможность самокоррекции в режиме прерывистого тока дросселя, что позволяет исключить из системы управления контур обратной связи, который был необходим для формирования тока синусоидальной формы на входе. Основным недостатком в данном режиме является наличие больших пульсаций тока на входе и низкая эффективность задействованных транзисторов и, как следствие, низкий КПД. В режиме непрерывных токов этот недостаток устраняется, но система управления становится более сложной.

Работа преобразователя в РПТ происходит на трёх временных интервалах: импульса, паузы и отсечки [4, с. 398]. Эквивалентная схема безмостового ККМ на интервале импульса приведена на рис. 3, а на интервале паузы и интервале отсечки на рис. 4.

Рисунок 3. Эквивалентная схема ККМ на интервале импульса

Рисунок 4. Эквивалентная схема ККМ на интервале паузы (а) и интервале отсечки (б)

Регулировочная характеристика в РПТ на положительном и отрицательном полупериодах сети имеет вид:

	(1)

где D₁ и D₂ — относительные длительности интервалов импульса и паузы.
Граничное значение K для РНТ/РПТ:

	(2)

Обобщенная регулировочная характеристика для РПТ и РНТ имеет следующий вид:

	(3)

Регулировочные характеристики преобразователя показаны на рис. 5. Прямые линии на рис. 5 демонстрируют работу преобразователя в РПТ с изменяющимся значением K, кривая линия соответствует РНТ.

Рисунок 5. Регулировочные характеристики безмостового ККМ в РНТ и РПТ

Как видно из регулировочных характеристик, свойства преобразователя сильно зависят от режима работы тока дросселя. 
Выражение для расчета дросселя безмостового ККМ в РПТ:

	(4)

Минимальное значение дросселя достигается при максимальной мощности нагрузки и минимальном действующем напряжении:

	(5)

где f_K – частота коммутации. 
Емкость конденсатора на выходе ККМ:

	(6)

где k_П – коэффициент пульсаций напряжение на выходе.
Результаты вычислений индуктивности и ёмкости с учётом запаса 20%: ёмкость конденсатора 3000 мкФ, индуктивность дросселя 11 мкГн.
Коэффициент заполнения импульсов зависит от действующего напряжения сети, но не зависит от мгновенного значения сети:

(7)

Рисунок 6. Модель безмостового ККМ в MATLAB c обратной связью по напряжению

Для доказательства возможности работы безмостового ККМ с одноконтурной системой управления было проведено моделирование в MATLAB/Simulink (рис. 6, рис. 7). Исследование модели показало, что преобразователь с замкнутой обратной связью по напряжению работает устойчиво, параметры реактивных элементов рассчитаны верно.

Рисунок 7. Ток дросселя и выходное напряжение безмостового ККМ в MATLAB

Возможность самокоррекции позволяет отказаться от токового контура в системе управления и значительно упрощает проектирование по сравнению с системами подчиненного регулирования. Защита преобразователя от перегрузок по току в РПТ обязательна, но она реализуется намного проще за счет релейного характера блока отслеживания тока и отсутствия проблем с устойчивостью.