Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



усиления по мощности и при малых потерях на переключение. Свободно достигается длительность фронтов выходного тока в десятки наносекунд. Повышение частоты позволяет уменьшить массу и объем трансформаторов, дросселей и конденсаторов. Коммутационные процессы начинают определяться и ограничиваться частотными возможностями диодов. Поэтому в преобразователях на МДП-транзнсторах весьма желательны диоды Шотки. Известны ИВЭП, работающие на частоте 200-500 кГц, в которых для уменьшения скорости изменения тока при помощи резонансного контура формируется синусоидальный ток при прямоугольном напряжении.

МДП-транзистор в выпрямителе низких напряжений. Диодные выпрямители низких напряжений (единицы вольт) имеют довольно низкий КПД, ограничивающий возможности миниатюризации ИВЭП. В § 1.3 приведены предельное и типовое значения КПД диодного выпрямителя при выходном напряжении 5 В. Силовые МДП-транзисторы могут быть использованы в выпрямителях как синхронно управляемые линейные сопротивления (рис. 1.7). В от-


Рис. 1.7. Синхронный выпрямитель на МДП-

транзисторах: а - эквивалентная схема; б - входные характеристики транзисторов для одного полупериода напряжения

личие от всех типов диодов, падение напряжения на выходной цепи МДП-транзистора при заданном токе нагрузки может быть почти неограниченно малым за счет увеличения площади кристаллов. На современных транзисторах можно, например, получить падение напряжения 0,2 В при токе в несколько ампер. КПД выпрямителя с выходным напряжением 5 В составит 0,962. Диоды Шотки с падением напряжения 0,5 В позволяют получить КПД не выше 0,909. Сравнив различные варианты выпрямителей, получим следующие относительные величины мощности потерь в выпрямительных элементах при выходном напряжении 5 В:

Идеальный диод.............. 57

Кремниевый диод...... ....... 160

Диод Шотки............... 100

Ключ на МДП-транзисторах........... 39

Следует подчеркнуть, что мощность потерь для ключей на МДП-транзисторах физически не ограничена и может быть умень-

шена путем снижения плотности тока в каналах. МДП-транзистор в выпрямителе низких напряжений должен использоваться так, чтобы диод сток - исток не проводил ток в прямом направлении.

МДП-транзистор в стабилизаторах постоянного напряжения. Малое выходное сопротивление в линейной области характеристик МДП-транзистора позволяет успешно использовать его в стабилизаторах непрерывного действия. Минимально необходимое напряжение на выходной цепи стабилизатора может быть 0,2-0,3 В против 1,6-2 В при применении составного биполярного транзистора. Это позволяет уменьшить потери в стабилизаторе, если есть возможность выбирать величину входного напряжения.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможностей применения МДП-транзисторов в различных преобразователях электрической энергии. Во всех случаях имеется возможность повышения частоты ШИМ, упрощения конструкций устройств управления, уменьшения тепловых потерь. Все эти результаты способствуют повышению удельной мощности ИВЭП, т. е. их миниатюризации.

1.7. Основы проектирования ИВЭП

Целью проектирования ИВЭП является получение необходимой технической, конструкторской и технологической документации для создания изделия, удовлетворяющего заданным требованиям, выраженным в виде числовых параметров. Параметры ИВЭП характеризуют важнейшие свойства или режим его работы.

Степень совершенства устройства и уровень его соответствия целевому назначению определяются с помощью показателей эффективности - стоимости, надежности, удельной мощности (отношение выходной мощности к объему или массе), КПД. Часто один из показателей эффективности выделяется в качестве главного; в этом случае возможна оптимизация по этому параметру и математическая функция, определяющая его, называется целевой.

Выходные параметры ИВЭП количественно определяют требования к качеству электроэнергии, поступающей к потребителю. К этим параметрам относятся: выходная мощность Р„, выходное напряжение Un, уровень выходных пульсаций [Ун/, параметры переходного процесса при резких изменениях нагрузки, интервал токов нагрузки, в пределах которого обеспечиваются основные показатели эффективности и качества электроэнергии, стабильность выходного напряжения бУн или абсолютное значение допустимых отклонений ±Д[/н.

Внешние параметры - это параметры окружающей среды и электрической системы, в составе которой должно работать данное устройство. К внешним параметрам относятся: интервал рабочих температур °мин-°макс, влажность, уровень вибраций и другие специальные требования. Кроме того, предъявляются требования обеспечения выходных параметров при изменении питающего напряжения в заданных пределах 6п.мин-Ьп.макс, уровня пульсаций на входе ИВЭП [Уп/вх в диапазоне частот /мнн-/макс ограни-



чивается амплитуда помехи от ИВЭП в сеть питания U„f, иногда резонансный пик входного фильтра. Совокупность показателей эффективности внешних и выходных параметров составляет техническое задание (ТЗ) на проектирование ИВЭП.

Если определена целевая функция, то все остальные параметры рассматриваются как внешние ограничения. Очевидно, что не всякая совокупность требований может быть реализована практически; при проектировании возможна коррекция ТЗ и поэтому желательно определение перечня параметров, по которым такая коррекция допустима по согласованию с разработчиками системы и аппаратуры, потребляющей электроэнергию. Большая группа параметров относится к внутренним; это параметры элементов и режимов отдельных электронных схем. Они разделяются на справочные и вычисляемые параметры, для определения которых используются все исходные данные и математическое описание электрических процессов и энергетических соотношений в схемах ИВЭП.

К внутренним относятся также и конструктивно-технологические параметры, определяемые требованиями к термической стойкости, электрической прочности и электромагнитной совместимости. Чтобы обеспечить высокие показатели эффективности, необходимо рационально выбрать структурную схему устройства и определить оптимальные значения тех параметров проекта, которые можно изменять, не нарушая физических или конструктивно-технологических ограничений. Изменяемые параметры ИВЭП - связанные между собой величины. Выбор из списка изменяемых величин полного набора независимых переменных осуществляет разработчик исходя из возможностей наиболее быстрого и экономного расчета всех неизвестных параметров.

Разработка проекта устройства, как правило, осуществляется в несколько этапов. На первом этапе разрабатывается полностью работоспособный вариант изделия, удовлетворяющий всем требованиям технического задания, физическим и конструктивно-технологическим ограничениям; иногда его называют исходным допустимым техническим решением. Далее с помощью поисковых или вариационных методов определяется оптимизирующая совокупность независимых переменных параметров устройства, обеспечивающая экстремальное значение целевой функции при соблюдении всех ограничений. Степень близости исходного решения к оптимальному определяет затраты времени на поисковое проектирование, поэтому желательно на первом этапе иметь проект достаточно высокого качества.

Практически всегда хорошие результаты могут быть получены при расчете всех элементов устройства по критерию, аналогичному принятому для проекта всего устройства. Как известно, совокупность оптимальных элементов не всегда приводит к оптимальному в целом устройству, но это на практике часто не учитывают и считают разработанный по этому принципу проект оптимальным. В некоторых случаях можно выделять доминирующие, с точки зре-

ния вклада в целевую функцию, части устройства и на первом этапе рассматривать упрощенную задачу оптимального проектирования только выделенной важнейшей группы элементов при сохранении всех функциональных связей и ограничений. Такой доминирующей группой во многих классах устройств является силовая цепь, включающая коммутирующие полупроводниковые элементы и реактивные фильтры.

Итерационная процедура улучшения исходного допустимого решения чаще всего вьшолняется с помощью направленного перебора работоспособных вариантов. Если расчеты выполняются без применения ЭВМ, то направление поиска, как правило, выбирается на основе инженерного опыта. При автоматизированных расчетах поиск формализуется; наиболее распространенным и универсальным методом поиска является обход узлов пространственной решетки независимых параметров устройства. Более эффективны методы нелинейного программирования, но они требуют высокой квалификации разработчика, составляющего математическую модель устройства, и программиста, разрабатывающего машинный вариант выбранного алгоритма оптимизации.

Таким образом, оптимизация отдельно взятых элементов и узлов изделия на первой стадии проектирования всегда полезна, так как резко сокращает затраты времени на расчет оптимального варианта, а иногда (на этапе эскизного проектирования электросистемы) сразу дает достаточно хорошие результаты для сравнительного анализа возможных структур.

Процесс проектирования ИВЭП в виде упрощенной схемы показан на рис. 1.8. Разработка устройства начинается с тщательного анализа ТЗ, который сопровождается параллельным изучением технической и патентной литературы. В результате анализа в рабочих материалах разработчика должны быть зафиксированы достигнутые на практике типовые значения параметров ИВЭП, структурные схемы устройств-прототипов, подборка наиболее удачных схемотехнических решений, перечень повышенных требований по некоторым показателям и возможных средств их обеспечения.

Синтез исходного варианта структуры проводится инженерными методами на основе материалов анализа ТЗ. На этом же этапе намечаются представляющиеся перспективными и требующие поисковой проработки изменения исходной структуры.

Для каждого варианта структуры разрабатывается математическая модель ИВЭП. Большинство научно-технических публикаций посвящено совершенствованию математического описания электрических процессов, энергетических соотношений и моделированию свойств компонентов электронных схем, поэтому недостатка в готовых фрагментах математической модели нет. Из имеющегося фонда выбирается наиболее полная структура математических выражений, которая дополняется и изменяется по мере необходимости.

Расчет внутренних и внешних параметров исходного варианта проводится в соответствии с составленной моделью. Каждый рас-



считанный параметр анализируется с целью проверки возможности выполнения физических и технических ограничений, а также требований технического задания. Если выявляется нарушение ограничений, расчет прекращается и последовательно проводятся попытки устранить нарушение сначала изменением управляемых параметров, затем изменением структуры. Если возможны оба пути, то необходим сравнительный расчет допустимых вариантов. Если ограничения неустранимы доступными средствами в рамках данного ТЗ, то возникает вопрос о его корректировке. Окончательная оценка работоспособных вариантов ИВЭП приводится после завершения расчетов и проверок возможных улучшений в значениях управляемых параметров и структуре устройства.

На стадии оформления технической документации обязательна параллельная проверка допустимых режимов использования выбранных компонентов по всем параметрам.

Основное содержание работ, выполняемых в процессе проектирования ИВЭП на каждом этапе, будет подробно рассмотрено в следующих разделах.

"азрабогпка ТЗ

Анализ технического задания

Справочные материалы по компонен -там, типовым схемам, патентам, руководства по проектированию

BbiSop структуры

Разработка принципиальной схемы

Составление математической модели

Выбор исходных значений управляемых параметров

Изменение управляемых параметров

Расчет параметров ИСН


, 71роверка требований ТЗ

Оформление

технической

документации


Рис. 1.8. Алгоритм процесса проектирования ИВЭП

Исходный вариант ИВЭП нельзя считать оптимальным, поэтому важно методически правильно построить оценку достигнутых параметров проекта и наметить пути его совершенствования. Ценным практическим критерием оценки является критерий равной тепловой напряженности всех элементов устройства. Данные расчета позволяют определить количество теплоты, рассеиваемой в объеме, занимаемом каждым из основных элементов или узлов.

Сопоставление данных по тепловой напряженности дает возможность обратить внимание как на наиболее нагруженные элементы, так и на недогруженные. Если тепловые режимы оказываются близкими к предельно допустимым или, наоборот, далеки от предельно допустимых, то необходимо рассчитать варианты ИВЭП с соответствующими коррекциями нагрузок элементов.

Возможности улучшения проекта за счет вариаций управляемых переменных выясняются с помощью последовательного расчета вариантов проекта при малых отклонениях каждого из параметров от исходного значения. Это трудоемкая расчетная работа, и ее желательно проводить с помощью ЭВМ. Но и при автоматизированных расчетах сохраняется опасность недостаточно полного математического описания всех явлений, происходящих в реальных устройствах, поэтому доводка проекта проводится с помощью физического моделирования и непосредственного контроля режимов всех основных элементов ИВЭП. При этом проверяются и устанавливаются все расчетные режимы полупроводниковых элементов. Определяются КПД ИВЭП и потери в отдельных элементах. Проверяется- температурный режим элементов и прорабатывается конструкция с учетом распределения тепловых потоков и трассировки силовых и сигнальных проводников.

ГЛАВА 2

КОМПЕНСАЦИОННЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ И АКТИВНЫЕ СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

2.1. Назначение, основные функции и особенности структуры стабилизаторов

Непрерывные компенсационные стабилизаторы напряжения (НКСН) относятся к наиболее распространенным устройствам вторичного электропитания и предназначены для поддержания в нагрузке заданного уровня напряжения. По принципу действия НКСН является системой автоматического регулирования, работающей в режиме стабилизации. Наличие ООС определяет его наиболее важные свойства.

Непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения можно представить как усилитель постоянного тока, охваченный общей ООС по напряжению (рис. 2.1,а), если за входное воздей-



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


0.0124