Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



4. Если t7,„ TCT<l/m ст, TO ввбдсние корректирующих звеньев не требуется. Зпдав абсолютную а.мплнтуду пилообразного напряжения Um, определим

0с =

Иа этом расчет закапчивается.

Если Um ycT>Um ст, ТО рэсчет продолжэем в следующем порядке:

4. Определяем /С„орр =9 j/KcT.pac-1.

5. Задаемся сопротивлеином Rz корректирующих ценен (его можно принять равным входному сопротивлению операционного усилителя, включенного на выходе звена).

6. Определим сопротивление R] (см. рис. 3.62) звена коррекции, задав

и,п:

R, = R,

Ущ ст вых к.

где /Сое =- исходное значение коэффициента обратной связи; - коэффициент передачи делителя выходного напряжения. 7. Определяем

Ri R3

R1 + R3

1 ,4 - / /Уст.расч

. f V LC ~

8. Определяем Скорр= [/LC/R2. На этом расчет заканчивается.

Достоинством данного метода проектирования ключевых стабилизированных ИВЭП является то, что требуемые звенья рассчитывают на основе характеристик только непрерывной части системы. Последнее представляет большое удобство как при расчете, так и прн экспери.ментальной доводке системы, позволяя учесть влияние иеидеалыюстн элементов. Нелинейность системы не требует рассмотрения, поскольку ее влияние учтено методикой определения амплитуды периодического сигнала i[37].

3.9. Переходные процессы в импульсных преобразователях напряжения при изменениях тока нагрузки

Наибольшие изменения выходного напряжения происходят при значительных и быстрых изменениях тока нагрузки. Точные решения для переходного процесса, как правило, могут быть получены только для конкретных схем численными методами при рассмотрении ИСН как замкнутой системы регулирования. Наибольшее значение имеет амплитуда первой полуволны, напряжения, для определения которой можно воспользоваться приближениями и оценками.

В разомкнутой системе, состоящей из регулятора и Г-образ-ного LC-фильтра, зависимость выходного напряжения от параметров фильтра и скачка тока нагрузки определяется из следующего выражения:

UH.mlkc - UnKa ±

11 Кз и и Кз

V Ки

Rn 1 у с

ал 2(1),

где а - коэффициент затухания колебаний в фильтре при новом значении сопротивления нагрузки

1 / 1

2 Uh

Нвых - выходное сопротивление импульсного регулятора. Ом.

В ИСН такие режимы возможны при инерционной цепи обратной связи, если полупериод собственных колебаний фильтра значительно меньше постоянной времени цепи обратной связи.. При этом в течение полупериода выходного напряжения система оказывается практически разомкнутой. Параметры переходного процесса в этом случае являются наихудшими.

Если обратная связь безынерционна, а статическая погрешность ИСН стремится к нулю, то одновременно со скачком тока нагрузки происходит скачкообразное изменение коэффициента заполнения, что эквивалентно скачку напряжения на входе фильтра. Можно считать, что переходный процесс начинается при новом значении напряжения на входе фильтра, т. е. прн. цип{Кз=1) или при иО(Кз = 0).

Для этого случая выходное напряжение стабилизатора приг уменьшении тока нагрузки определяется по формуле

/вых.макс = п.ном ~""" [2lKl sin аСО„ t,,-

- sin (acooiKc-V)].

н.ном

- номинальное выходное напряжение на нагрузке;

а=1/1-Y = arctga/;

«о макс = - arctg 22 1/(/ 1);

Ki - кратность изменения тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки

н.мин н.ном

ехр( -?(0о /мин)

sinacOoMHH-

- sin (acoo /мин-y) - - sin (acoo /«ин + у)

. J 2Ja

«0 Uh - arc tgj2 (1-/Св)] Са (Kj -1)

В практических схемах ИСН цепь обратной связи может содержать как апериодические, так и форсирующие звенья для обеспечения устойчивости ИСН и формирования желаемых частотных характеристик. Для оценки параметров переходного про-5-60 129



цесса в этом случае можно использовать уравнения баланса энергии в силовых элементах фильтра [3].

При ступенчатых изменениях сопротивления нагрузки ИСН наибольшее отклонение выходного напряжения определится:

Unlibj -

Unnl{6j -1)

2yi -g2

- I

Unnli8j-l

2yi -12

arc tg

(26; -1)

при ф„.ч=0;

arc tg

при 0<ф„,,<агс tg

1(2 6, -1)

?(2б; -1)

при ф„.ч>arctg

U2(V - 1)

где фн.ч==

число апе-

2 arctg Гга/ VLC- V arctg Тгф1 VLC; Па, Пф 1

риодических и форсирующих звеньев в несиловой части ИСН; для увеличения тока нагрузки

Unnlidj - 1)

21/1 -g2

при Фн.ч = 0;

Unnlibj -1)

1--arc tg-

6,-1

/нЯ(б; - 1)

2 1/1=12

arc tg

Vl-IMl-/Сз) (2 6, - 1)(1+/Сз)

-1/Г=1(1 -/Сз) 1(2 б, 1)(1+/Сз)

при 0<9„.,<arctg

Vl -141 -з) 1(2б,-0(1+/Сз)

при 9H.4>arctg

1(26, 1)(1+/Сз)

При сбросе тока нагрузки до холостого хода можно считать, что вся энергия, накопленная в дросселе фильтра, передается в конденсатор. В этом случае максимальное напряжение на выходе стабилизатора определяется по следующей приближенной .формуле:

/„.макс = и.ном + А/н1/7С.

При больших пульсациях тока дросселя процесс будет определяться мгновенным значением тока дросселя в момент коммута-,ции нагрузки. При разрывных токах дросселя переходный процесс может отсутствовать, если коммутация нагрузки происходит :при токе дросселя, равном нулю. В любых импульсных ИВЭП Изменение выходного напряжения при скачках тока нагрузки тем •меньше, чем больше емкость конденсатора фильтра.

а 30

3.10. Обеспечение безопасных режимов работы импульсных преобразователей напряжения

Формирование безопасных траекторий переключения силовых транзисторов..

При импульсном переключении высоковольтных транзисторов должны быть выполнены следующие требования: обеспечена допустимая температура перехода,, выдержаны пределы максимальных значений токов и напряжений на электродах, исключена возможность возникновения вторичного пробоя. Последнее требование обусловлено исключительно высокой концентрацией энергии в небольших физических объемах полупроводника прн коммутационны.х процессах.

Предотвращение вторичного пробоя высоковольтного силового транзистора осуществляется с помощью дополнительных элементов п цепей протекания коммутируемого тока, изменяющих электрические процессы таким образом, чтобы произведение тока на напряжение, приложенное к переходу, не превышало допустимого значения. В противном случае выход из строя транзистора неизбежен. Импульсный усилитель, работающий на индуктивную нагрузку, должен переключать практически неизменный во время переключения ток при, напряжении на коллекторе до ii/к.э.макс.

Принцип формирования режима безопасного переключения-транзистора заключается в задержке нарастания тока коллекто--ра во время включения, когда напряжение на нем уменьшается,, или в задержке нарастания напряжения на коллекторе во время выключения, когда ток коллектора уменьшается от максимального значения до нуля. Диаграмма зависимости /к от [/кэ позволяет представить процессы переключения в виде замкнутых кривых, по которым движется точка, характеризующая состояние параметров /к и Ujq в различные моменты процесса переключения транзистора (рис. 3.63). В заштрихованной области диаграммы сочетания /к и Ujq недопустимы, и траектория отображающей точки не должна пересекать ее границу. Идеальной была бы траектория, максимально прилегающая к осям координат.

Траекторию, близкую к идеальной, позволяет сформировать схема включения силового транзистора (рис. 3.64). Эта широко распространенная схема может рассматриваться как основная,, но необходимо помнить, что для конкретных вариантов могут быть найдены более эффективные схемы, учитывающие специфику конкретных силовых каскадов.

Конденсатор Ci задерживает рост Ujq во время выключения? транзистора, индуктивность Li ограничивает скорость нарастания тока во время включения. Кроме того, Li уменьшает ток,, обусловленный конечным временем восстановления замыкающего диода. Энергию, накопленную в Li и d, необходимо как можно быстрее рассеять в виде тепла или возвратить в сеть. Возможна также передача этой энергии в нагрузку. От того, как это выполняется, зависят КПД устройства и предельные значения рабочей частоты и коэффициента заполнения, так как отвод энергии, накопленной в Li и Си требует времени. Если к очередному переключению энергия израсходуется неполностью, то цель введения формирующих элементов не будет достигнута.

131,



в схеме на рис. 3.64 энергия PLil2 рассеивается в резисторе Ru энергия f/2C,/2-в R. Нежелательными следствиями включения элементов Li и Ci являются:

перенапряжение на коллекторе транзистора во время протекания разрядного тока /ь, которое определяется значением коммутируемого тока и сопротивлением Ri : AUk = RJk;

*к. макс


г.э.микс

Рис. 3.63. Диаграмма режима пере- Рис. 3.64. Схема формирования ключения транзистора траектории переключения транзисто-

бросок тока в транзисторе, вызванный разрядом Сг, он зависит от R2 и напряжения на закрытом транзисторе и.э-

Время разряда емкости /рс = Зтлс = 3/?С; время спада тока индуктивности tL=SrRL = UR- Базовая схема формирования безопасных траекторий используется в тех случаях, когда ограничения по коэффициенту заполнения и частоте не слишком жесткие; КПД устройств с такой схемой ухудшается незначительно, так как в Ri, R2 рассеивается та энергия, которая превратилась бы в тепло при переключении транзистора без дополнительных цепочек. Для схем небольшой мощности резистор Ri может быть заменен стабилитроном. Это позволит уменьшить время спада то-, ка в Li приблизительно в 3 раза, но стабилитрон должен рассеивать всю энергию, накопленную в дросселе. Дроссель Li можно выполнять насыщающимся, что позволит включать транзистор при нулевом токе за счет значительной задержки в нарастании /с-

Уменьшить эту емкость, а следовательно, выиграть в потерях и быстродействии позволяет схема формирования с диодом, долго сохраняющим накопленный заряд (рис. 3.65). Для этой схемы необходим вспомогательный источник напряжения t/всп, обеспечивающий протекание тока по цепи -Ьбвсп, R2, Дг, Т. При выключении транзистора диод Д2 не успевает быстро восстановить закрытое состояние и по нему потечет ток коллектора. За

время восстановления Д2 транзистор успеет полностью закрыть-ся, а напряжение на конденсаторе Ci не успеет слишком возрасти.

Если предъявляются жесткие требования к диапазону изменений коэффициента заполнения, то используется схема на рис. 3.66. Ее принцип действия отличается от принципа действия ос-

Рис. 3.65. Схема формирования траектории отключения транзистора с инерционным диодом


<7«

новной схемы тем, что вместо рассеивания накопленной в Li, Ci энергии в активных сопротивлениях она передается в дополнительные накопители L2 и Сз и далее рассеивается не сразу, а в течение всего остатка периода. Время восстановления исходного состояния LiCi может быть в 2-3 раза меньше по сравнению с основной схемой.

Увеличение КПД реализуется в схемах с рекуперацией накопленной энергии в сеть питания (рис. 3.67) илн передачей ее в нагрузку (рис. 3.68).

Основные сведения, приведенные в данном параграфе, позволяют выбрать подходящий вариант формирования безопасных траекторий переключения силовых транзисторов, после чего он может быть улучшен исходя из конкретных особенностей преобразователя.

•1-и.

2н кд,


-- 3 Рис. 3.67. Схема формирования траектории переключения транзистора с рекуперацией энергии в источник питания

Рис. 3.66. Схема формирования траектории переключения транзистора с дополнительными накопителями энергии



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


0.0102