Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



Мягкий запуск. При непосредственном включении преобразователя к питающей сети возникают переходные процессы, характеризующиеся выбросами токов и напряжений на его силовых элементах. Эти переходные процессы существуют в любом случае, но они особенно опасны в высоковольтных и регулируемых



Рис. 3.68. Схема формирования траектории переключения транзистора с рекуперацией энергии в нагрузку

К ШИМ

Рис. 3.69. Схема мягкого запуска импульсного преобразователя напряжения с помощью плавного увеличения коэффициента заполнения

преобразователях. При запуске стабилизированного преобразователя действие обратной связи приводит к превышению тока транзистора по сравнению с допустимым и возможному выходу силовых транзисторов из области безопасной работы. На практике высоковольтные преобразователи весьма часто выходят из строя именно при включении. Для предотвращения этих явлений запуск таких преобразователей должны быть плавным или «мягким».

В регулируемых или стабилизированных преобразователях можно предложить два способа смягчения переходных процессов при включении. Первый способ заключается в том, что коэффициент заполнения импульсного напряжения в момент включения принудительно делается очень малым, а затем плавно увеличивается до необходимого (рис. 3.69).

Опорное напряжение, снимаемое со стабилитрона, нарастает с постоянной времени x = R\Ci. В момент достижения минимального уровня напряжения обратной связи, формируемого с помощью цепочки Rz, Ra, коэффициент заполнения начнет возрастать практически от нуля пропорционально разности напряжений между опорным напряжением и сигналом обратной связи. В момент включения ИСН входной ток достигает максимального значения через время /=л/2й)о, если Кз сразу устанавливается равным 1, и значение тока силового транзистора определяется формуле

. /.MaKcf/nCiT+p-e"/"),

где YL/C; Гь - внесенное сопротивление. 134

Схемы для мягкого включения преобразователей приведены в гл. 4.

Предотвращение сквозных токов в полумостовых и мостовых схемах. Импульсные мостовые и полумостовые схемы обладают существенным недостатком: они допускают наличие сквозных токов - кратковре.мбнных, значительных по величине, протекающих через оба последовательно включенных транзистора; импульсов тока, вызывающих потери н приводящих к отказам преобразователя. Эти токи возникают в момент запирания одного из транзисторов и отпирания другого. Причиной появления сквозных токов является наличие инерционности тока коллектора при запирании транзистора, находившегося перед этим в пасыщепном состоянии. Это объясняется конечным временем рассасывания избыточных неосновных носителей, инжектированных в базу при отпирании транзистора.

Для высоковольтных транзисторных преобразователей появление сквозных токов абсолютно недопустимо, так как отказ в этом случае неизбежен. Существуют различные способы предотвращения этого явления. Все они направлены на обеспечение включения закрытого транзистора только при условии окончания тока в ранее открытом. Это достигается с помощью фиксированной или автоматической задержки открывающего сигнала по отношению к закрывающему. Фиксированная задержка управляющего сигнала в регулируемых преобразователях реализуется путе.м ограничения максимального значения коэффициента и.мпульсиого заполнения.

Недостатками этого способа устранения сквозных токов являются сужение диапазона регулирования импульсного регулятора и ухудшение ,КПД.

Уменьшить необходимое время фиксированной задержки можно при использовании в качестве ключей пенасыщеипых транзисторов. Такой режим обеспечивается схемой на рис. 3.51 при любом напряжении управляющего сигнала.

В нерегулируемых преобразователях с трансформаторным управлением наиболее эффективно введение цепей автоматической задержки включения открываемого транзистора. Это выполняется с помощью дополнительных индуктивных элементов (дросселей или трансформаторов). На рнс. 3.70 приведена схема с дополнительным трансформатором Тр2, который является датчиком насыщенного состояния транзисторов п закорачивает управляющие обмотки трансформатора Tpi иа время рассасывания открытого транзистора.

Схемы защиты импульсных ИВЭП. Традиционные средства защиты ИВЭП от аварийных перегрузок (плавкие предохранители, максимальные токовые реле теплового или электромагнитного принципа действия) ие могут обеспечить защиту микроэлектроиных ИВЭП, так как их быстродействие недостаточно для предотвращения развития опасных процессов, длительность которых чзмеряется микросекундами. Поэтому схемы защиты для микроэлектронных ИВЭП выполняются также в виде электронных схем, воздействующих на схему управления или на дополнительные элементы с целью ограничения изменений контролируемого параметра в допустимых пределах.

Быстродействующая защита может использоваться в сочетании с инерци-сниыми элементами, особенно в тех случаях, когда необходимо полное отклю-екне аварийной цепи от системы электроснабжения. При любых отказах в оЭП должна быть обеспечена сохранность питаемой им аппаратуры. Превышение выходного напряжения ИВЭП может вывести из строя чувствитель-



вые микросхемы в основных функциональных блоках. Это может произойти из-за отказа в регулирующем транзисторе, поэтому ликвидировать опасность с помощью воздействия на схему управления нельзя. Для защиты нагрузки в этом случае в качестве шунтирующих стабилизаторов напряжения могут быть использованы полупроводниковые элементы (стабилитроны, транзисторы, тирис. торы).


Рис. 3.70. Схема задержки включения транзисторов для предотвращения сквоз* ного тока (а) и временные диаграммы, поясняющие ее работу (б)

Стабилитроны могут служить эффективными поглотителями коротких выбросов выходного напряжения большой мощности, но значительный постоянный ток стабилизации они пропустить не могут, что ограничивает их применение в цепях защиты. Транзисторы обеспечивают высокое быстродействие схем защиты и восстановление нормального режима после прекращения дейст-ствия аварийного перенапряжения, но уступают тиристорам по возможностям коммутации больших токов.

Наибольшее распространение получили схемы защиты от перенапряжений, выполненные на тиристорах [34]. Время включения тпристоров составляет 10-15 мкс. По этому параметру они уступают транзисторам, но устойчивость к кратковременным перегрузкам и низкое прямое сопротивление позволяют использовать тиристоры в схемах защиты достаточно мощных ИВЭП. На рис 3.71 приведена одна из возможных схем защиты с шунтирующим тиристором-

Если в ИВЭП нагрузка гальванически развязана от источника питания с помощью высокочастотного трансформатора или двухобмоточного дросселя, то необходимости в шунтирующих элементах нет, достаточно сорвать колебания в задающем генераторе преобразователя сигналом со схемы контроля выходного напряжения. Просто реализуется отключение нагрузки от аварийного ИВЭП с помощью плавкого предохранителя .и шунтирующего тиристора (рис. 3.72).

Включенный тирпстор быстро шунтирует нагрузку, а затем форсирует перего-ранение плавкого предохранителя.

В некоторых случаях недопустимо резкое понижение выходного напряжения. Схемы защиты от такого режима реагируют на уменьшение выходного напря-ясения и по 1принципу построения мало отличаются от схем защиты от перенапряжений, но цри их проектировании должиы быть учтены возможности



отключения ИВЭП

Рис. 3.72. Схема защиты нагрузки от короткого замыкания с шунтирующим тиристором и плавким предохранителем

Рис. 3.71. Схема защиты нагрузки от перенапряжений с шунтирующим тиристором

ложных срабатываний при включении, отключении и резких изменениях нагрузки. } Схема на рнс. 3.73 обеспечивает задержку срабатывания защиты при включении и отключении ИВЭП [34]. В импульсных ИВЭП для защиты от токовых перегрузок иапользуются схемы ограничения тока, которые вырабатывают

Сигнал на

отключение ИВЭП о

•h о-

ис. 3.73. Схема защиты ИВЭП с задержкой при его включении и отключении



сигнал, уменьшающий Кз, и тем самым ограничивают выходной ток на требуемом уровне.

Для заш,иты от тепловых перегрузок могут применяться «ак электронные схемы защиты, так и устройства с ограниченным быстродействием (например, биметаллические тепловые реле). В электронных схемах в качестве датчиков температуры используются термисторы или полупроводниковые элементы. Такие схемы кроме датчика содержат усилитель и пороговое электронное реле, сигнал с которого отключает ИВЭП.

Несимметричные режимы трансформаторов питания импульсных преобразователей постоянного напряжения. Магнитный режим трансформатора питания является одним из важнейших факторов, влияющих на надежность работы ИПН. Поэтому анализ такого режима и его стабилизация являются необходимыми условиями создания высоконадежных источников питания.

Анализ причин, вызывающих ток подмагничивания /о сердечника трансформатора, в общем виде весьма сложен. Это объясняется тем, что ИПН является устройством с периодически изменяющимися параметрами, и, следовательно, для анализа данного режима в общем виде требуется привлечение аппарата дифференциальных уравнений с переменными параметрами.

На рис. 3.74 приведена упрощенная схема ИПН для текущего времени лежащего в интервале а также упрощен-

ная схема для текущего времени t", лежащего в интервале

Для получения аналитического выражения для /о необходимо сделать ряд допущений:

у трансформатора питания отсутствуют индуктивности рассеяния;

активные сопротивления обмоток трансформатора равны нулю: переменная составляющая тока намагничивания трансформатора стремится к нулю.

Этим допущениям соответствует модель идеального трансформатора.

Считая пульсации тока линейными, что справедливо при КПД, близких к 1, можно получить приближенное выражение для постоянной составляющей тока намагничивания сердечника трансформатора

, R\\\

(3.85)

71 +

где Т2 = Т-Тх. 138

Как видно из (3.85), ток подмагничивания сердечника зависит от сочетания отклонений различных параметров. Для оценки влияния различных факторов на магнитный режим трансформаторов преобразователей различной мощности рассмотрим два статических преобразователя, имеющих следующие технические характеристики:

Напряжение питания.......... -25; 25 В

Выходное напряжение.......... -5; 6 В

Сопротивление нагрузки.......... -0,25; 5 Ом

Частота переключения транзисторов...... 20; 20 кГц

Преобразователи выполнены на транзисторах типа КТ908, выпрямительные диоды -типа 2Д213. Трансформаторы - с сердечниками из феррита марки 2000НМ. Амплитуды переменных составляющих тока намагничивания соответственно равны 0,2-г-0,06 А.

Рис. 3.74. Эквивалентная схема импульсного (})еэ,ъ преобразователя напря-

жения

"экб

эк 6

Результаты расчетов суммарного тока подмагничивания для трансформаторов питания различной мощности согласно (3.85) при отклонениях различных параметров приведены в табл. 3.3. Отклонения параметров от идеально симметричных выбраны на основании измерений характеристик реальных устройств.

Из сравнения результатов расчетов следует, что самой существенной компонентой подмагничивающего тока является компонента, обусловленная неравенством вольт-секундных интервалов (/о1=1,25, /о2 = 0,1 А для двух трансформаторов соответственно).

В режиме холостого хода при несимметрии только во времени включенных состояний транзисторов влияние разброса ги /""г слабо сказывается на общий ток /о.

В зависимости от формы петли гистерезиса материала сердечника трансформатора питания последствия постоянного подмагничивания будут различными. При линейной петле перемагничивания постоянная составляющая тока намагничивания возрастает постепенно и плавно достигает предельного значения.

При прямоугольной петле гистерезиса намагничивающий ток устанавливается в течение первого периода работы преобразователя и остается практически постоянным до входа сердечника в режим насыщения, где ток намагничивания практически мгновенно возрастает до значения U„/Rl (рис. 3.75). В этом случае может произойти катастрофический отказ преобразователя.

Из сказанного следует, что для надежной и эффективной работы таких преобразователей следует осуществлять автоматичес-



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


0.4899