Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



Все ИВЭП непрерывного действия характеризуются теоретически предельными значениями КПД. В этих устройствах энергетическая оптимизация заключается в максимальном приближении к теоретически предельному значению КПД. В инверторе с оконечным каскадом в режиме В для этого не следует вводить значительное смещение, а уменьшать искажения следует, охватывая усилитель цепью общей отрицательной обратной связи (ООС). В стабилизаторе постоянного напряжения рассеиваемую мощность можно уменьшить, уменьшая различие между входным и выходным напряжениями и потери в цепях управления.

Значительно больше возможностей энергетической оптимизации в импульсных ИВЭП, так как их теоретически предельный КПД не ограничен, а реальный определяется неидеальностью ключей и потерями в реактивных элементах.

Энергетические проблемы миниатюризации импульсных устройств с собственными реактивными элементами - импульсных преобразователей и стабилизаторов напряжения-можно решить, находя совокупности оптимальных электрических и магнитных нагрузок во всех элементах схемы, т. е. оптимальной плотности тока, индукции и частоты.

Структурные проблемы миниатюризации заключаются в необходимости исключения или уменьшения количества и установленной мощности реактивных элементов (трансформаторов, дросселей и конденсаторов большой емкости), чтобы их объем не препятствовал миниатюризации.

В качестве примеров можно привести следующие оправдавшие себя структурные способы миниатюризации:

применение высокочастотных преобразователей напряжения на высоковольтных транзисторах, не имеющих в схеме низкочастотных реактивных элементов, что позволяет в несколько раз уменьшить массу и объем конструкции по сравнению с трансформаторными выпрямительными устройствами;

использование фильтрующих свойств импульсных стабилизаторов и преобразователей постоянного напряжения вместо индуктивно-емкостных низкочастотных фильтров;

применение оптимальных многозвенных сглаживающих индуктивно-емкостных фильтров, что позволяет существенно уменьшить их массу и объем;

применение активных сглаживающих фильтров в цепях питания вместо резистивно-емкостных, что позволяет на много порядков уменьшить требуемую емкость конденсатора пропорционально коэффициенту усиления усилителя в активном фильтре;

применение оптронов в качестве элементов гальванической развязки в импульсных ИВЭП всех типов.

Конструкторско-технологические проблемы миниатюризации ИВЭП решаются применением бескорпусных полупроводниковых приборов и микросхем, специальных намоточных деталей и особых методов конструирования устройств, обеспечивающих плотную упаковку элементов и низкое внутреннее тепловое сопротивление конг-

струкции. Определяющим фактором является применение беокор-пусных силовых приборов, так как в любом металлостеклянном корпусе кристалл занимает приблизительно 1% конструктивного объема. Особенно необходимо применение беокорпусных приборов в импульсных ИВЭП. В этом классе устройств применение бескор-Пусных приборов позволяет довести объем конструкции до величины, полностью определяемой энергетическими соотношениями и условиями охлаждения.

Наряду с разработкой интегральных гибридных устройств на основе беокорпусных полупроводниковых приборов и микросхем [45] определенные положительные результаты могут быть получены при использовании малогабаритных сборок, состоящих из силовых транзисторов и диодов в сочетаниях, характерных и типичных для ИВЭП. Одним из важнейших направлений в построении ИВЭП является применение специализированных полупроводниковых микросхем в качестве компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения и управляющих устройств в импульсных преобразователях всех типов [10, 41].

В настоящее время методы решения энергетических, структурных и канструкторско-технологических проблем в основном определены. Основные трудности заключаются в системной и организационной областях.

Системные проблемы миниатюризации впервые возникают при миниатюризации отдельных устройств, так как любое устройство представляет собой совокупность (систему) взаимодействующих элементов и оптимизация устройства по лю:бому критерию возможна только с учетом взаимодействия всех элементов. Миниатюризация ИВЭП требует комплексного проектирования всех составляющих его элементов, т. е. проектирования по единому плану с задачей получения минимального объема ИВЭП в целом, а не отдельных его составляющих: силовых транзисторных ключей, трансформаторов, дросселей, конденсаторов и т. п.

Системные проблемы должны рассматриваться при разработке ИВЭП хотя бы на двух уровнях:

преобразователь электрической энергии как сочетание взаимодействующих элементов;

подсистема в виде сочетания ИВЭП с потребителе.м электро-энертаи.

Системные проблемы миниатюризации можно считать частично решенными лишь на уровне оптимального проектирования устройств. Это объясняется не столько относительной простотой данной задачи, сколько тем, что проектирование, расчет и конструирование ИВЭП находятся в руках одного или нескольких коллективов, тесно связанных организационно.

На втором уровне, например, сочетания цифровой ЭВМ с ИВЭП системная проблема решается неизмеримо труднее, так как эти два устройства могут разрабатываться коллективами, организационно почти не связанными. Тогда каждый из них отвечает лишь за свою часть работы, и миниатюризация ЭВМ может до-



стираться такими методами, которые препятствуют миниатюризации ИВЭП. В результате при миниатюризации системы ЭВМ-}-! ИВЭП достигается далеко не лучший результат, а вина не в методах оптимизации, а в нерешенности организационных проблем миниатюризации.

Например, если разработку потребителя энергии и ИВЭП вести совместно и одновременно, то в ряде случаев можно получить существенное уменьшение суммарной массы и объема за счет облегчения и упрощения конструкции и более полного использования общей теплоотводящей поверхности.

Организационные проблемы миниатюризации таким образом возникли н связи с необходимостью определенной перестройки производственных связей для наиболее полного использования возможностей современной электронной техники. Эти проблемы должны решаться в двух основных направлениях:

организационном обеспечении системности проектирования и производства на всех необходимых уровнях;

организационном обеспечении интеграции разработок и производства приборов, устройств, систем.

Первое направление является необходимым условием для того, чтобы от недостаточно эффективного бессистемного применения новых устройств в старых условиях организовать переход к системам, состоящим из комплекса новых устройств, и получить от этого максимум экономии массы, объема, электроэнергии. Второе направление необходимо для того, чтобы отрешиться от иллюзий, что можно создавать новые микроэлектронные устройства и системы, используя только полупроводниковые элементы общего применения или заказывая специализированные полупроводниковые и гибридные элементы. Эти проблемы подробно рассмотрены в [4, 17]. В [4] отмечено, что тот, кто сегодня является только потребителем изделий полупроводниковой электроники, станет завтра в той или иной степени их производителем.

Максимальная микроминиатюризация нового устройства невозможна на базе использования только универсальных комплектующих изделий. Собственная разработка специализированных электронных приборов и электрорадиоэлементов позволяет оптимизировать структуру и .конструкцию устройства, а после демонстрации успешной работы новых изделий собственной разработки в составе устройства часть изделий может быть передана на специализированные смежные предприятия для серийного освоения [17].

Очевидно, что организационные принципы, которые были правильными в эпоху дискретных полупроводниковых приборов, становятся все более неприемлемыми по мере повышения степени интеграции. «Вертикальная интеграция», т. е. стирание граней между разработчиками изделий электронной техники.и разработчиками аппаратуры, является объективной необходимостью. Все наилучшие достижения в области миниатюризации ИВЭП получены только при условии решения организационных проблем.

Основные принципы миниатюризации ИВЭП и других силовых полупроводниковых устройств в простейшей форме можно иллюстрировать примером миниатюризации транзисторного ключа при заданных токе нагрузки и условиях охлаждения.

Полагаем заданными: выходное сопротивление транзистора Ri; площадь, занимаемую транзистором (нли кристаллом) в конструкции 5ь ток нагрузки /; поверхность теплоотвода на 1 Вт рассеиваемой мощности 5то. Мощностью, рассеиваемой в цепях управления, для упрощения пренебрегаем. Тогда при изменении количества параллельно включенных транзисторов п, т. е. при изменении плотности тока /, будут справедливы следующие соотношения:

Sr = nSi, или Sp = I/i; = SjoPRi/n, или 5т = 5то Д S/AF, где Sr - поверхность, необходимая для размещения п транзисторов (кристаллов); 5х - поверхность, необходимая для отвода тепла; Д5/ДУ - отношение площади кристалла к выходной проводимости транзистора.

Графическое решение задачи миниатюризации ключа приведено на рнс. 1.1,а, из которого следует, что минимальный размер конструкции будет получен при 5т = 5г, полагая, что отвод тепла осуществляется с одной стороны конструкции. Прн этом\

/ T/So Si , или 5,.,ин = / У5тоД5/ДК. Для получения минимального размера конструкции необходимо некоторое оптимальное количество параллельно включенных транзисторов

опт ~ 1/Sto Ri/Si, что соответствует некоторой оптимальной плотности тока как отношение заданного тока к площади конструкции:

. J 1

Smhh 1/•Sto Si Ri Первый вывод из изложенного заключается в том, что для минимизации размера ключа необходим не минимальный размер транзистора (или кристалла), а кристалл оптимальной площади или оптимальное количество параллельно включенных кристаллов с заданными Si и Ri, причем для оценки транзистора (или кристалла) необходимо пользоваться величиной SiRi или Д5/ДУ.

Второй достаточно очевидный вывод заключается в том, что при уменьшении плотности тока КПД ключа монотонно возрастает. Поэтому минимальному размеру ключа соответствует некоторое оптимальное значение КПД (см. рис. 1.1,а).

Если есть составляющая мощности потерь, например, пропорциональная количеству транзисторов, или постоянная, то полученные соотношения усложняются [25], основные закономерности сохраняются, но в частном случае может сложиться ситуация, при которой минимум размера определяется только значениями 5т и КПД прн этом будет максимальным (рис. 1.1,6).

Третье, менее очевидное положение иллюстрируется"" рис. 1.1,9. Поскольку минимизация размеров ключа требует, чтобы вся поверхность конструкции (например, подложки) была полностью занята кристаллами, потребуется до-fi полнительная поверхность 5доп для контактных площадок. Если 5доп добавить к ранее определенной поверхности Smhhi, то суммарная площадь конст-



рукции окажется большей, чем можно получить, полагая с самого начала 5т=5г+5доп. Теперь для получения минимального размера конструкции нужно (см. рис. 1.1,0) уменьшить количество транзисторов по сравнению с ранее определенным rtonxi, так как при появлении дополнительной поверхности 5доп оптимальное количество транзисторов н оптимальная плотность тока принимают новые значения. В этом проявляются начала системных принципов


Рис. 1.1. Определение минимального размера транзисторного ключа: а -при малых потерях в цепи управления; б -при больших потерях в цепи управления, пропорциональных количеству параллельно включенных транзисторов- в -при введении дополнительной поверхности, не занятой транзистора-рами; г -сравнение минимизированных по объему ключей на корпусированных и бескорпусных транзисторах

миниатюризации, где одним элементом «системы» являются транзисторы и занятая ими поверхность, а вторым «элементом» является свободная от транзисторов поверхность 5доп.

В такой же простейшей форме можно иллюстрировать влияние элементно!"! базы на возможности миниатюризации ключа. На рис. 1.1,2 показаны два решения задачи минимизации размеров ключа: на транзисторах в стандартных корпусах и на бескорпусных, т. е. при одинаковых i?i и различных Si. Заме-

тим,\то уменьшение размеров ключа при переходе от транзисторов в стандартных корпусах к бескорпусным достигается только при увеличении их ко личества, т. е. уменьшении плотности тока, так как без уменьшения тепловыж потерь нельзя уменьшить размер конструкции.

1.3. Предельные возможности и ограничения миниатюризации

ИВЭП

Необходимое значение КПД. Представив потребитель энергии (наг;ру.з1ку) и преобразователь как устройства, размеры которых определяются только рассеиваемой в них мощностью и не ограничиваются плотностью упаковки деталей, можно определить предельные соотношения их размеров. В нагрузке с выходной мощностью Рн и коэффициентом полезного действия рассеивается мощность

В преобразователе, питающем эту нагрузку и обладающем КПД, равным Цп, рассеивается мощность

п.рас

= н(1-Т1н)/ЛнТ1п.

Суммарная мощность, рассеиваемая в системе, определяется из выражения

£рао=Рн{1-ПнТ]п)/Т1нТ)п.

Рассмотрим отношение

2 рас

1-ЛиЛп

приближенно характеризующее относительные размеры преобразователя в общих размерах системы. Зависимость ф(т]„т1п) представлена на рис. 1.2, где прямая tih = 0 относится к нагрузке типа ЭВМ, в которых вся потребляемая мощность превращается в тепло.

Приведенные выражения свидетельствуют, например, о том, что при т]н = 0,75 и Т1п = 0,75 мощность, рассеиваемая в преобразователе, составляет 57% суммарной рассеиваемой и трудно рассчитывать, что размеры преобразователя будут меньше размеров потребителя.

Наглядное представление о влиянии КПД ИВЭП на энергетические и объемные соотношения в системе преобразователь-потребитель дает рис. 1.3. Сравнение производится при т]н=0 и неизменной мощности, потребляемой нагрузкой. Повышение КПД ИВЭП от 0,5 до 0,75 уменьшает тепловые потери в преобразователе в 3 раза, а потребляемая мощность уменьшается в 1,5 раза. Повышение КПД ИВЭП от 0,75 до 0,9 уменьшает тепловые потери в преобразователе еще в 3 раза.

Действительное отношение объемов ИВЭП и потребителя при конструкции ИВЭП из дискретных элементов обычно бывает еще



0 [1] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46


0.0138