Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1. УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ СЛУЖЕБНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 16
1.1 Классификация устройств формирования служебного напряжения 16
Выбор критериев оценки эффективности устройств формирования служебного напряжения 25
Выводы по главе 32
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВАХ ФОРМИРОВАНИЯ
СЛУЖЕБНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕРДЕЧНИКА
ВЫХОДНОГО ТРАНСФОРМАТОРА DC/DC ШИМ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.34
2.1 Анализ процессов УФСН с использования выходного трансформатора
двухтактных импульсных ШИМ-преобразователей 34
Анализ процессов в УФСН при номинальной внешней нагрузке 37
Анализ процессов в УФСН в режиме холостого хода 38
Анализ процессов в УФСН в режиме короткого замыкания 41
Анализ процессов в УФСН при управлении ИПН по напряжению и току 42
Установка конечной длительности рабочего цикла в режимах XX и КЗ 46
Выбор ограничительного сопротивления 55
Использование УФСН с двухтактным выпрямлением 58
Улучшение показателя 0 путём увеличения числа витков служебной обмотки 58
Оценка параметров УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора однотактных прямоходовых преобразователей 61
Анализ процессов в УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора обратноходовых преобразователей 64
Анализ процессов в УФСН однотактного обратноходового преобразователя в режиме XX 66
Анализ процессов в УФСН однотактного обратноходового преобразователя в режиме КЗ 68
Анализ процессов в УФСН при управлении обратноходовым преобразователем по напряжению и току 69
Однотактный преобразователь flyback- forward 72
Алгоритм расчёта УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора 73
Выводы по главе 77
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ
СЛУЖЕБНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕРДЕЧНИКА
ВЫХОДНОГО ТРАНСФОРМАТОРА РЕЗОНАНСНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 78
3.1 Процессы в УФСН с использованием сердечника выходного
трансформатора резонансных преобразователей 79
Анализ процессов в УФСН в режиме с номинальной нагрузкой 80
Анализ процессов в УФСН в режиме холостого хода и короткого замыкания 81
3.2 Оценка характеристик УФСН с использованием сердечника выходного
трансформатора однотактных квазирезонансных импульсных ШИМ-
преобразователей 83
Анализ процессов в УФСН в режиме холостого хода 85
Анализ процессов в УФСН при управлении обратноходовым преобразователем по току 86
Исследование процессов в УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора двухтактных квазирезонансных преобразователей с фазовым сдвигом 88
Алгоритм расчёта УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора в резонансных ИНН 94
3.5 Выводы по главе 98
4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВАХ ФОРМИРОВАНИЯ
СЛУЖЕБНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕРДЕЧНИКОВ
СИЛОВЫХ ДРОССЕЛЕЙ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
НАПРЯЖЕНИЯ 99
4.1 Оценка характеристик УФСН с использованием сердечника выходного
дросселя прямоходового преобразователя 99
Анализ процессов в УФСН в режиме холостого хода 100
Анализ процессов в УФСН в режиме короткого замыкания 101
4.2 Исследование параметров УФСН с использованием сердечника
повышающего индуктора корректора коэффициента мощности 103
Анализ процессов в УФСН с использованием сердечника повышающего индуктора ККМ с методом граничного управления 105
Анализ процессов в УФСН с использованием сердечника повышающего индуктора ККМ с методом управления по пиковому значению тока 109
Анализ процессов в УФСН с использованием сердечника повышающего индуктора ККМ с методом разрывных токов 113
Алгоритм расчёта УФСН с использованием сердечников силовых дросселей ИПН 116
Выводы по главе 119
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ПУСКОВЫХ СХЕМАХ
ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ 120
5.1 Пусковая схема с уменьшенным значением тепловых потерь 123
Исследование пуска импульсного преобразователя напряжения с УФСН, использующее сердечник выходного трансформатора, с гальваническим разделением цепи обратной связи 126
Оценка процессов пуска ИГШ с УФСН, использующее сердечник выходного трансформатора, с гальваническим разделением питания 129
5.3.1 Влияние параметров конденсаторов на процесс пуска ИПН 130
5.4 Анализ процессов пуска ИПН с УФСН, использующее сердечник
повышающего индуктора ККМ 135
Алгоритм расчёта элементов схем пуска 137
Выводы по главе 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
ЛИТЕРАТУРА 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 151
Модель мостового преобразователя без цепи обратной связи 152
Модель мостового преобразователя с управлением по напряжению 153
Модель мостового преобразователя с управлением по току 158
Модель обратноходового преобразователя без цепи обратной связи 162
Модель обратноходового преобразователя с управлением по напряжению 163
Модель обратноходового преобразователя с управлением по току 167
Модель двухтактного резонансного преобразователя 171
Модель квазирезонансного обратноходового преобразователя с общей обмоткой 175
Модель квазирезонансного обратноходового преобразователя с разделенными обмотками 179
Модель мостового квазирезонансного преобразователя с фазовым сдвигом 183
Модель мостового преобразователя без цепи обратной связи с УФСН, использующее сердечник выходного дросселя 191
Модель ККМ с использованием метода граничного управления, с УФСН, использующее сердечник повышающего индуктора 192
Модель ККМ с использованием метода управления по пиковому значению тока, с УФСН, использующее сердечник повышающего индуктора.
Модель ККМ с использованием метода разрывных токов, с УФСН, использующее сердечник повышающего индуктора 201
Модель для анализа процессов пуска ИПН с гальваническим разделением цепи питания контроллера DC/DC преобразователя 205
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 213
Введение к работе
Надежное и экономичное вторичное напряжение питания является одной из основных задач проектирования электронных устройств. Как правило, постоянное вторичное напряжение получают от сети переменного напряжения путем его понижения с последующим выпрямлением. Устройства, выполняющие данную функцию, называются источниками питания, которые подразделяются на источники импульсного и непрерывного действия. Источники вторичного напряжения непрерывного действия обладают отличными характеристиками по стабильности напряжения, уровню пульсаций выпрямленного напряжения и генерируемых помех. Но в тоже время они характеризуются большими потерями и большими габаритами. Развитие технологий изготовления полупроводниковых приборов позволило выйти элементам силовой электроники на качественно новый уровень, что дало толчок применению в конструкциях электронных устройств источников питания импульсного действия. Такой переход позволил резко сократить массогабаритные показатели источника, увеличить его КПД и коэффициент мощности. Собственно история импульсного преобразователя напряжения (ИПН) насчитывает более 40 лет. За это время его конструкция дополнилась различными устройствами, выполняющие сервисные функции. Но, несмотря на это, неизменными остались основные топологии, на основе которых реализуется ИПН. Учитывая обязательное наличие гальванического разделения входа и выхода, распространение получили следующие понижающие топологии с применением высокочастотного трансформатора:
двухтактная мостовая;
двухтактная полумостовая;
двухтактная пуш-пульная;
однотактная прямоходовая;
однотактная обратноходовая.
8 Использование активного корректора коэффициента мощности (ККМ) для источников, чья мощность превышает 50 Вт, добавляет в конструкцию ИПН повышающую топологию.
Указанные топологии преобразователей относятся к топологиям с «жёстким» переключением силовых ключей, которым свойственны большие тепловые потери. Стремление уменьшить потери на переключении привело к появлению разновидностей указанных топологий с «мягким» переключением ключей:
резонансная с переключением при нуле тока (ПНТ) и при нуле напряжения (ПНН);
квазирезонансная с ПНТ и ПНН;
квазирезонансная с фазовым сдвигом с ПНН.
Современный импульсный источник питания представляет собой достаточно сложное устройство, выполняющее целый ряд функций для надежной и экономичной работы.
К числу устройств ИПН, выполняющих сервисные функции, можно отнести следующие:
устройство защиты от пониженного и повышенного входного напряжения;
устройство дистанционного пуска;
устройство плавного пуска DC/DC;
устройство защиты от перегрузок по току;
устройство защиты от КЗ;
устройство защиты от перенапряжений по выходу;
устройство защиты от перегрева.
Большинство из перечисленных устройств, в настоящее время реализуются в виде специализированного контроллера, в задачу которого так же входит управление силовыми ключами и стабилизация напряжения главного выхода.
9 Применяемые в конструкции преобразователя контроллеры и отдельные сервисные устройства требуют для своей работы низковольтного напряжения питания. Решение этой проблемы привело к необходимости внедрения в конструкцию ИГШ специальных устройств формирования служебного напряжения (УФСН), которые часто обладают противоречивыми параметрами:
они должны включаться раньше основного источника;
обеспечивать логику включения отдельных частей источника;
иметь, как правило, изолированный выход;
обеспечивать сравнительно стабильное напряжение при всех вариантах режима работы источника;
'5. иметь высокое значение КПД и не влиять на величину коэффициента мощности; 1. Актуальность работы. Стремление уменьшить число используемых компонентов, увеличить КПД, повысить степень интеграции УФСН в схему источника, привело к распространению устройств формирования служебного напряжения за счёт имеющихся элементов источника с использованием устройств пуска. При такой интеграции очень часто УФСН определяет структуру ИПН или структура источника заставляет выбирать вариант реализации УФСН в зависимости от крайних режимов работы ИПН, что требует совместного анализа процессов ИПН и УФСН. В некоторых случаях режим функционирования УФСН заставляет применять в источнике не всегда желательные режимы работы, (например Hiccup — когда при холостом ходе или коротком замыкании нагрузки на главном выходе наблюдается периодическое выключение и т.п.). Служебное напряжение, получаемое от таких интегрированных устройств, является вторичным, что заставляет применять специальные устройства пуска, изучение режима работы которых является неотъемлемой частью общего вопроса изучения процессов устройств формирования служебного напряжения.
10 Анализ литературных источников [1-9] показал, что в описываемых схемах источников используют до 10-ти различных типов УФСН. Все это говорит о важности внимательного исследования режимов работы возможных типов УФСН, оценки их эффективности работы и предложения алгоритмов их расчёта для повышения этой эффективности.
2. Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка
алгоритмов расчёта УФСН с различными вариантами интеграции в силовую
часть ИПН, что позволяет повысить эффективность их использования в
структуре источника питания. Поставленная цель потребовала решения
следующих задач:
проведения классификации существующих схемных решений УФСН;
разработки PSpice моделей основных топологий ИПН со схемами УФСН;
разработки PSpice моделей устройств пуска ИПН;
математического моделирования, с целью временного, частотного анализа и анализа по постоянному току основных топологий ИПН и устройств пуска;
проведения макетных испытаний: однотактного обратноходового преобразователя с УФСН на сердечнике выходного трансформатора; устройства управляемого активного пуска с уменьшенным значением активных потерь в составе ИПН в диапазоне температур от -40 С до +85 С.
3. Методы исследования. Для решения поставленных задач
использовались: современные методы анализа электрических цепей с помощью
PSpice совместимой программы Micro-Cap, пакет прикладных математических
программ Mathcad, основные законы электротехники, макетные испытания.
4. Основные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
1. Оценка эксплуатационных характеристик УФСН в структуре ИПН возможна при использовании частных показателей эффективности нр,
кз> xxj іь ь введенного коэффициента допустимого изменения напряжения дрп> введенного критерия комплексной оценки эффективности 0, применение которых позволяет с единых позиций проводить анализ широкого класса схем ИПН с УФСН.
Повышение эксплуатационных характеристик УФСН в режиме короткого замыкания (КЗ) в схемах обратноходовых преобразователей с жёстким переключением силовых ключей, а также в преобразователях использующих квазирезонансный метод управления, достигается за счёт формирования служебного напряжения в период прямого такта работы ИПН. Причём для квазирезонансного метода управления обратноходового преобразователя необходимо вводить отдельную обмотку УФСН не связанную с обмоткой датчика нулевого тока выходного трансформатора.
Организация надёжного пуска AC/DC преобразователей в широком температурном диапазоне, реализованных с разделением цепи питания контроллера DC/DC преобразователя, возможна с введённой принудительной задержкой начала заряда конденсатора С2 в цепи питания контроллера DC/DC и использованием устройства управляемого активного пуска для минимизации времени включения ИПН, и уменьшения активных потерь в режиме Hiccup («икания»),
Практическая значимость и реализация результатов. Результаты проведенных исследований нашли своё отражение в разработке импульсных преобразователей напряжения по г/б работам № 13050/1, №13058/1 на кафедре Автоматизированных систем научных исследований и экспериментов Таганрогского Технологического Института Южного Федерального Университета.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях. Основные результаты автора отражены в следующих опубликованных работах:
12 Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень
периодических изданий ВАК РФ
Середжинов Р.Т. Анализ процессов в источниках служебного питания за счёт выходных каскадов однотактных импульсных преобразователей/ Середжинов Р.Т.// Известия высших учебных заведений. Электромеханика, Новочеркасск, № 5, 2008, с. 37-42.
Середжинов Р.Т. Анализ процессов пуска AC/DC преобразователей / Самойлов Л.К., Середжинов Р.Т.// Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки, Новочеркасск, № 4, 2008, с. 40-45.
Середжинов Р.Т. Анализ процессов источников служебного питания за счет повышающего индуктора корректора коэффициента мощности / Середжинов Р.Т.// Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета, № 4, Рязань, 2008, с. 94-97.
Патент
4. Середжинов Р.Т. Устройство управляемого активного пуска импульсного
преобразователя напряжения: Патент на изобретение № 2324282. МПК7
Н02М 7/5375 / Самойлов Л.К., Середжинов Р.Т.
Публикации в других изданиях
Середжинов Р.Т. Анализ процессов в источниках служебного питания за счет выходных каскадов двухтактных прямоходовых импульсных преобразователей / Самойлов Л.К., Середжинов Р.Т. // Компоненты и технологии: Силовая электроника. - 2008. —№2, с. 80-84.
Середжинов Р.Т. Основные факторы, определяющие эффективность служебного питания с использованием выходного напряжения в импульсных преобразователях напряжения / Самойлов Л.К., Середжинов Р.Т. // Материалы международной научной конференции Информационные технологии в современном мире». Ч.З. Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 71-75.
Середжинов Р.Т. Целевые функции, определяющие эффективность служебного питания / Середжинов Р.Т. // Известия ТРТУ. Конференция ППС. Таганрог: ТРТУ, 2007, с. 83.
Середжинов Р.Т. Количественная оценка факторов эффективности служебного питания в импульсных преобразователях напряжения / Середжинов Р.Т. // Материалы международной научной конференции «Проблемы развития естественных, технических и социальных систем» -4.5 - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2007, с. 59-61.
Середжинов Р.Т. Анализ процессов однотактной схемы служебного питания двухтактных импульсных преобразователей / Середжинов Р.Т. // Материалы конференции «Молодежь и современные информационные технологии». Томск, 2008, с. 209-211.
10.Середжинов Р.Т. Использование гасящего конденсатора в устройствах служебного питания импульсных преобразователей напряжения / Середжинов Р.Т. // Материалы четвертой всероссийской научной конференции молодых ученых и аспирантов «Информационные технологии системный анализ и управление». Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 54-57.
11.Середжинов Р.Т. Однотактные импульсные преобразователи с источниками служебного питания за счёт выходных каскадов / Середжинов Р.Т. // Известия ТТИ ЮФУ. Конференция ППС, Таганрог, 2008, с. 94.
12.Середжинов Р.Т. Оценка влияния величины сопротивления холостого хода на качество процессов перерегулирования и значение служебного напряжения при холостом ходе импульсного преобразователя / Середжинов Р.Т. // IV Международная конференция «Стратегия качества в промышленности и образовании», Болгария, Варна, 2008. Специальный выпуск Международного научного журнала Acta Universitatis Pontica Euxinus, с. 310-313.
14 ІЗ.Середжинов Р.Т. Источники служебного питания за счет повышающего индуктора корректора коэффициента мощности / Середжинов Р.Т. // Международная научная конференция «Информация, сигналы, системы: вопросы методологии, анализа и синтеза» (ИСС-2008). -4.5, Таганрог, 2008, с. 67-69. 14. Середжинов Р.Т. Сравнительный анализ процессов пуска AC/DC преобразователя с использованием терморезистора и устройства уменьшения пускового тока / Середжинов Р.Т. // 6-я Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ XXI ВЕКА - БУДУЩЕЕ РОССИЙСКОЙ НАУКИ», Ростов-на-Дону, ЮФУ, 2008, с. 120-121. 7. Структура диссертации. Диссертация состоит из списка сокращений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе приводится анализ схемных решений ИПН и вариантов реализации УФСН. Производится классификация вариантов по определённому признаку. Анализ возможных режимов работы ИПН позволил выбрать критерии для оценки эффективности устройств формирования служебного напряжения. Вводится понятие коэффициента допустимого изменения служебного напряжения.
Вторая глава посвящена исследованию процессов в УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора DC/DC ШИМ-преобразователей. В главе рассматриваются варианты УФСН, реализованные на выходном трансформаторе прямоходовых и обратноходовых преобразователей. Исследуются процессы в УФСН в режимах КЗ и XX основного выхода, производится оценка работы УФСН с переменной нагрузкой основного выхода с разными способами управления преобразователем. По результатам исследования предлагается алгоритм расчёта УФСН.
Третья глава содержит исследование характеристик УФСН с использованием сердечника выходного трансформатора резонансных
15 преобразователей. Исследуются процессы УФСН за счёт использования выходного трансформатора одно- и двухтактных резонансных и квазирезонансных преобразователей в крайних режимах работы ИПН и с различными способами управления. По результатам исследования предлагается алгоритм расчёта УФСН.
В четвёртой главе анализируются процессы в УФСН, использующие сердечники силовых дросселей ИПН. Оцениваются характеристики УФСН за счёт использования силового дросселя прямоходовых топологий и за счёт использования повышающего индуктора корректора коэффициента мощности. По результатам исследования предлагается алгоритм расчёта УФСН.
Пятая глава диссертации содержит исследование процессов в пусковых схемах AC/DC преобразователей. В главе приводится анализ процессов в разработанной пусковой схеме с уменьшенным значением тепловых потерь. Исследуются процессы пуска ИПН с УФСН за счёт использования выходного трансформатора с разным способом организации питания контроллеров. Анализируются процессы пуска с УФСН за счёт использования повышающего индуктора корректора мощности. По результатам исследования предлагается алгоритм расчёта параметров элементов ответственных за надежный пуск ИПН. По результатам каждой главы делаются выводы, которые резюмируются в заключении.
