Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



худшим, .так 1как.объем ИВЭП в этом случае, как .правило, превышает минимально необходимый по условиям охлаждения.

При интегральной гибридной технологии (как свидетельствует опыт проектирования и промышленной реализации) вполне возможно выполнить ИВЭП в объеме, который полностью опреде-.ляется необходимой поверхностью охлаждения.


0,33jr

/,JJ

Рис. 1.2. Отношение мош,ностн, рассеиваемой в ИВЭП, к суммарной рассеиваемой мощности

Рис. 1.3. Распределение рассеиваемых мощностей ИВЭП при различных КПД

Ограничения значения КПД. Для всех устройств с непрерывным принципом действия существуют теоретически предельные значения КПД, достижимые только при полной идеализации характеристик полупроводниковых приборов и отсутствии потерь в остальных элементах схемы. Из этого класса устройств для построения ИВЭП представляют интерес стабилизаторы постоянного напряжения и инверторы с усилителем мощности в .классе В.

В стабилизаторах постоянного напряжения непрерывного принципа действия теоретически предельное значение КПД равно отношению выходного напряжения ,к напряжению питания. Поскольку входное напряжение нестабильно, следует принимать в расчет минимальное значение КПД

л мин и

п.макс

Теоретически предельные значения КПД инвертора с оконечным каскадом в режиме В следует определять также с учетом неста-•бильности напряи<ения питания. Поэтому предельный расчетный КПД такого инвертора не превышает

т] = 0,78

п.Мин

п.Макс

Например, при /п.мин = 24 В, f/n.MaKc==30 В предельное значение КПДавно 62%, а с учетом потерь в трансформаторе яе превы* шает 50%.

Для Чсех устройств с импульсным регулированием мощности теоретичкого предела КПД нет, т. е. он равен 100%. Реальный КПД этиА устройств полностью определяется неидеальностью статических и\частотных характеристик элементов, транзисторов, диодов, трансформаторов, дросселей, конденсаторов. В общем виде зависимость\ КПД от реальных параметров элементов достаточно сложная\и при проектировании . ИВЭП максимум удельной мощности достигается при оптимальной совокупности нагрузок элементов, чему соответствует оптимальное значение КПД. Одна* ко можно выделить некоторые параметры элементов, которые ограничивают значение КПД импульсных устройств определенногс типа. Диодный выпрямитель прямоугольного напряжения, оптимизированный по значению КПД минимизацией потерь при заданных токе нагрузки и обратном напряжении, выполненный на теоретически идеальных диодах, т. е. на диодах с вольт-амперной? характеристикой вида /=/о[ехр(/: фт) -1], не может иметь КПД выше 94,6%, если напряжение на нагрузке равно 5 В [25]. Такой же выпрямитель на реальных диодах с падением напряжения 0,8 В не может иметь КПД выше 86,2%.

Низкие значения коэффициента передачи тока мощных бипо* лярных транзисторов приводят к тому, что мощность, рассеиваемая в цепи управления транзистора, составляет значительную часть общих тепловых потерь, особенно существенную при работе импульсного ИВЭП с неполной нагрузкой. Наименьшими эти пО терн бывают при пропорционально-токовом управлении. Основ* ным средством уменьшения потерь на управление является при* менение силовых МДП транзисторов.

Сопротивление выходной цепи силовых насыщенных транзи* сторов меньше ограничивает энергетические возможности ключевого элемента, так как выбором типа транзистора при заданном токе или параллельным включением оптимального количества транзисторов [25] потери в этой цепи всегда можно уменьшить-до необходимой величины. Однако если применяются составные-транзисторы, то оптимизация плотности тока не дает значительного эффекта и потери в выходной цепи существенно ограничивают КПД преобразователя.

Оценка предельных возможностей миниатюризации ИВЭПг Возможности миниатюризации источников вторичного электропитания существенно зависят от принципов их конструирования и технологии изготовления. Гибридная технология в принципе поз--воляет уменьшить объем конструкции до величины, определяемо» только рассеиваемой мощностью и условиями теплоотвода. Поскольку при уменьшении размеров конструкции увеличивается отношение поверхности к объему, то для повышения удельной мощности ИВЭП целесообразно уменьшить мощность отдельнога устройства.



Для Конструкции ИВЭП в форме прямоугольного параллелепипеда можно установить достаточно простые соотношения /между объемом и поверхностью теплоотвода при заданной толщше корпуса, ЧТО характерно для интегральных гибридных конструкций.

Полагая а и b-размеры основания, ом; h - высота конструкции, см, при 6/а=1н-3 можно получить {45] выражение/для определения объема корпуса

V = h (1/1+5/2Л2-1)2,

где 5 - поверхность корпуса, определяемая либо площадью, необходимой для размещения элементов 8осн = аЬ, либо необходимой поверхностью теплоотвода

- 10 рас!

/рас-МОЩНОСТЬ, рассеиваемзя во всех элементах ИВЭП; 5то-поверхность, необходимая для рассеяния 1 Вт мощности при заданных условиях охлаждения.

Полагая, что объем конструкции определяется условиями охлаждения, получаем

y = ft3(]/l+Pp,5,oW-l)l Удельная мощность ИВЭП определяется из выражения

Ра Рн

2/г2

На рис. 1.4 показаны зависимости предельно возможной удельной мощности ИВЭП от коэффициента полезного действия при различных выходных мощностях устройств, полагая 5то = 30 ом/Вт и h = 2 ом. Очевидно, что при ограничениях только по условиям теплоотвода удельная мощность ИВЭП может быть весьма значительной (но только при высоких значениях КПД). Изменение условий теплоотвода, определяю-


щее значение Sto, повлияет количественно на значение удельной мощности, но общие закономерности сохранятся.

в устройствах непрерывного действия прн отсутствии в схеме значительных емкостей действительно можно получить размеры конструкции, определяемые только тепловыми

Рис. 1.4. Зависимость максимально возможной удельной мощности ИВЭП от выходной мощности и КПД при заданных толщине конструкции и условиях теплоотвода

соотношениями. Однако КПД таких устройств обычно весьма невысок, и удель-

пая мощность по объему получается также малой.

При применении ключевых преобразователей функционально необходимы

I трансформаторы, дроссели, конденсаторы, объем которых при малой их мощ-

ности определяется, как правило, не тепловым режимом, а конструктивно-технологическими возможностями. По мере уменьшения мощности ИВЭП все более существенными ограничениями для миниатюризации становятся конечные размерыбескорпусных транзисторов, диодов, пленочных проводников и резисторов, зазоров между элементами и пр. Все эти причины уже не позволяют гарантнровать выполнение конструкции в объеме, определяемом только тепловым режимом. Теперь объем и удельная мощность определяются или тепло-

I вым режимом, или конструктивным объемом элементов. Оптимальная конст-

рукция, обладающая максимальной удельной мощностью, будет получена при условии, что объсм соотвстствует условиям размещения элементов, а поверх-

[ ность обеспечивает заданный перегрев.

При решении вопроса о рациональности реализации конструк-I ции абсолютно минимального размера следует руководствоваться

1 экономическими, конструкторско-технологическими и другими со-

I ображениями. Знание же предельных возможностей миниатюриза-

ции ИВЭП позволяет избежать принципиальных ошибок при принятии решений.

1.4. Требования к электрическим и электромагнитным процессам

Выше было показано определяющее значение для миниатюризации ИВЭП уменьшения средней во времени мощности потерь, которая количественно определяется значением КПД. Однако для реализации ИВЭП кроме средней мощности потерь необходимо-учитывать пиковые мощности, влияющие на работоспособность устройства.

В современных ИВЭП транзисторы работают в режиме переключения с высокой рабочей частотой; при этом коммутация транзисторов происходит за очень короткие промежутки времени. Наиболее часто транзистор нагружен на индуктивно-активную цепь с блокирующим диодом. Траектории переключения при такой нагрузке представляют собой прямоугольник, и в выходной цепи транзистора одновременно сочетаются напряжение питания с максимальным током нагрузки. Мгновенная мощность на коллекторном переходе достигает или превышает мощность, потребляемую ИВЭП от сети.

Энергия, выделяющаяся на коллекторном переходе за один цикл переключения, может быть вполне достаточна для необратимого повреждения транзистора в результате вторичного пробоя. В технических условиях на транзисторы нормируются области безопасной работы, т. е. каждому значению произведения ставится в соответствие .макси.мально допустимое время, в течение которого выделение данной мощности на переходе не вызовет отказа транзистора.



Если области безопасной работы транзистора неизвестны, то нет гарантии, что транзистор можно применять при данном рабочем напряжении и максимальном токе, несмотря на то, что в отдельности эти параметры не будут превышены. В том случае,когда области безопасной работы даны в ТУ, следует сравнить предполагаемую траекторию переключения с положением линий, определяющих области безопасной работы; при этом станет ясно, способен ли транзистор коммутировать данную мощность или необходимо с помощью дополнительных элементов формировать траекторию, лежащую в области безопасных режимов.

Особое внимание необходимо обращать на переходные режимы в ИВЭП - режимы пуска и резких коммутаций нагрузки. При включении импульсного ИВЭП конденсаторы силовых фильтров не заряжены, поэтому транзисторный регулятор работает на нагрузку без противо-ЭДС и мгновенная мощность на коллекторных переходах силовых транзисторов может превышать в несколько раз среднюю мощность, потребляемую от сети. Средства формирования безопасных траекторий, рассчитанные на номинальные режимы, в этих случаях оказываются бесполезными, и поэтому необходимы меры обеспечения плавного (мягкого) пуска регулятора, например медленное увеличение относительной длительности включенного состояния силовых транзисторов, вне зависимости от сигналов отрицательной обратной связи.

В двухтактных импульсных преобразователях, выполненных по мостовым и дифференциальным схемам, из-за наличия времени рассасывания при коммутации силовых транзисторов не исключена возможность открытого состояния одновременно двух транзисторов, что приводит к возникновению сквозного неконтролируемого тока. При этом резко возрастают тепловые потери и создаются условия для развития вторичного пробоя. Работоспособность таких устройств может быть обеспечена только при предусмотренном временном сдвиге сигналов, управляющих силовыми транзисторами.

Для обеспечения надежной работы и безопасного проведения испытаний и настройки Р1ВЭП должны быть снабжены защитой по току.

Общеизвестна защита ИВЭП от перегрузок по средним значениям выходного напряжения и тока. Однако такой принцип защиты может оказаться недостаточным, так как в импульсных ИВЭП при перегрузках возможен выход силового транзистора в область вторичного пробоя, но это не отразится на среднем значении тока. Поэтому необходима защита силовых транзисторов по мгновенному значению коллекторного тока, что на практике находит отражение в разработке и применении самозащищенных ключей.

Рассмотренные выше явления относятся к электрическим режимам собственно силовых транзисторов. В ИВЭП с гальваническим разделением входных и выходных цепей силовые транзисторы связаны с нагрузкой через трансформатор и выпрямитель. 18

Если первичная обмотка трансформатора питается от источника переменного напряжения, а вторичная подключена к симметричной нагрузке, то постоянной составляющей тока в обмотках и потока в сердечнике нет. Во всех ключевых ИВЭП трансформатор подключен к источнику постоянного напряжения через коммутирующие транзисторы, которые в чередующиеся полупериоды имеют различное выходное сопротивление, а длительности этих полупериодов не могут быть точно одинаковыми.

Диоды двухполупериодного выпрямителя имеют различные вольт-амперные характеристики, секции обмоток трансформатора могут иметь различное сопротивление. Поэтому в импульсных ИВЭП всегда есть условия для того, чтобы вольт-секундный интеграл за период коммутации не был равен нулю. В зависимости от количественных соотношений, определяющих несимметрию магнитного режима, это явление может привести либо к отказу транзисторов, либо к повышенным потерям мощности и потребует увеличения объема сердечника трансформатора. В маломощных ИВЭП симметричный режим может быть обеспечен параметрическими способами, по мере повышения мощности целесообразно переходить к компенсационным методам симметрирования электромагнитного режима трансформатора.

Возникновение несимметричного режима работы трансформатора специфично и свойственно всем двухтактным схемам ИВЭП; это явление особенно опасно в переходных режимах, когда параметрические методы симметрирования неэффективны.

1.5. Динамические свойства ИВЭП

Большинство ИВЭП представляет собой замкнутые системы автоматического регулирования. С этой точки зрения их можно разделить на следующие:

непрерывные стабилизаторы напряжения и инверторы, работающие в классе «В»;

импульсные стабилизаторы постоянного напряжения и инверторы, работающие в классе Д с линейной характеристикой импульсного усилителя в области рабочих частот, лежащей в первом и третьем квадрантах и симметричной относительно начала координат;

импульсные стабилизированные ИВЭП с переменной структурой импульсного элемента (транзистор+блокирующий диод).

При проектировании каждого типа перечисленных ИВЭП возникают свои специфические трудности.

В стабилизаторах постоянного напряжения непрерывного действия при малом внутреннем сопротивлении первичного источника качество выходного напряжения полностью определяется частотными свойствами транзисторного усилителя. Современные мощные усилители постоянного тока имеют полосу пропускания до нескольких мегагерц. Однако некоторые виды нагрузок (например, блоки цифровых ЭВМ) способны создавать возмущения по цепи



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


0.0149