Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с развитием миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры резко возросли требования к высокочастотным преобразователям постоянного напряжения (ПІН!) по массо-объемным характеристикам, качеству выходного напряжения, эффективности и надежности. Увеличить удельную мощность ППН (Вт/дм* или Вт/кг) можно только при дальнейшем повышении частоты преобразования и реализации их с применением последних достижений технологии. С появлением мощных высокочастотных полупроводниковых приборов основной задачей при разработке становится правильный выбор схемотехнических решений построения ПИН, позволяющих наиболее полно использовать частотные свойства элементной базы, обеспечить высокий КПД. надежность и электромагнитную совместимость ППН с функциональной аппаратурой. В связи с этим необходимо решить вопросы защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений, снижения коммутационных потерь мощности, уменьшения помех, создаваемых ППН. В противном случае будет невозможно реализовать высокочастотные ППН в промышленности. Хотя каждый из этих вопросов имеет свои особенности, однако, решаются они до настоящего времени, в основном, путем формирования траектории переключения силовых транзисторов и диодов. Формирующие цепи значительно снижают коммутационные потери мощности, но форма тока через силовой транзистор остается практически прямоугольной и, следовательно, сохраняются все недостатки, связанные с ней (высокий уровень электромагнитных помех, перенапряжения на полупроводниковых приборах, высокие требования к инерционным свойствам выпрямительных диодов и т.п.).
Возможен другой путь решения поеілплспной задачи. В последние годы появились публикации зарубежных и отечественных авторов, посвященные разработкам и исследованиям высокочастотных ППН с промежуточной синусоидальной формой тока и напряжения с использованием резонансных явлений. Этот класс устройств получил название—резонансные преобразователи.
I) современных публикациях зарубежных и от счес і венных авторов подробно рассмотрены различные принципиальные схемы резонансных нреобразоваїелей и их принципы действия. Для пскоюрых из них получены регулировочные характеристики и определены максимальные режимы рабо їм основных элементов. Обычно регулировочные характеристики приводятся п виде исходных уравнений, решений их на "ЭВМ и результатов, представленных графиками и номограммами. Отсутствие аналитических выражений регулировочных харакіерисіик и зависимостей параметров элементов от режимов рабо і ы нреобразоваїелей существенно затрудняет определение областей применения конкретных схем. их адаптацию и сравни К'іц.мі.ііі анализ.
По совокупности свойств в ближайшее время следует ожидать широкого применения 111 III с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки (ГІПІІ-ІІРК-Н//С) благодаря возможности безопасной работы преобразователя при его перегрузке или коротком замыкании на выходе. В то же время н режиме холостого хода преобразователя естественным образом может быть получено очень высокое напряжение, что позволяет достаточно просто и дешево реализовать различные зарядные устройства, сварочные лі регаты, индукционные печи, ііускореіулируїоїцис аппараты для люминесцентных ламп.
Проведение исследований процессов в преобразователях постоянною напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки для разработки методик проектирования чих усіройспі и решения научно-практических задач при их промышленной реализации является актуіїль-ным.
Цель работы заключается в создании высокоэффективных преобразователен постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки па основе выявленных основных свойств и наилучших по совокупности параметров режимов.
Основные задачи, решенные в работе для выполнения поставленной цели:
проведен сравнительный обзор резонансных преобразователей постоянного напряжения с целью выбора структур по совокупности заданных исходных данных на разработку;
исследованы основные режимы работы преобразователей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки, определены условия реализации этих режимов, получены основные расчетные соотношения;
разработана методика расчета характеристик резонансных преобразователей на основе точных и приближенных методов анализа электромагнитных процессов;
произведена экспериментальная оценка результатов теоретического анали \а и промышленных реализаций.
Методы исследования. Исследования проводились на основе методов теории электрических цепей, теории полупроводниковых приборов, математического анализа, аналогового и цифрового моделирования. Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением математических методов, использованием различных способов решения одной и той же задачи, схемотехническим моделированием, а также экспериментальными исследованиями разработанных устройств.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- выявлены и рекомендованы к промышленной реализации структуры резо
нансных преобразователей напряжения наиболее эффективные по совокупности
реализации заданных исходных данных на разработку;
предложена и обоснована система относительных параметров, позволившая создать универсальную методику полного расчета резонансных преобразователей в режимах регулирования и стабилизации выходного напряжения;
выявлены области и условия существования двух- и трехинтервалыюго режимов работы преобразователей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки и определены гра-
ннпы между режимами, чю явилось основой соїланпя меюдик ючных и приближенных расчетов электромагнитных процессов;
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
определены регулировочные и нагрузочные свойства и условия обеспечения работоспособности преобразователей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки в широком диапазоне изменения нагрузок и напряжения питающей сети:
выработаны рекомендации по обеспечению безопасных режимов работы силовых іранзнсюров преобразователей постоянною напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением наїрузки при их переключениях;
разработаны методики точною и оценочною проектирования преобразователей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки, обеспечившие промышленный выпуск устройств;
разработаны и внедрены в серийное производство практические схемы преобразователей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки.
Основные положения, выносимые на защиту:
разработка и исследование эффективных высокочастотных преобразователей постоянного напряжения с резонансным контуром;
полученные условия существования двух- и трехинтервального режимов работы преобразователей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки;
полученные аналитические соотношения расчета резонансных и электромагнитных процессов в преобразователях постоянною напряжения с последовательным резонансным контуре»! и параллельным подключением наїрузки;
методики точного и оценочного проектирования ирсобразоваїслей постоянного напряжения с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением наїрузки;
- оригинальные электронные пускорсгулирующие аппараты для люминесцентных ламп.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в ЛСЛТ «ММП-Ирбис» при проведении ряда научно-исследовательских работ по созданию источников вторичного электропитания, а также при разработке, испытаниях и производстве электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) для люминесцентных ламп. Применение ППН-ПРК-И//С в составе многоканальных ИВЭП при выполнении НИР «Сплав» и «Султан» позволило улучшить их удельные энергетические характеристики и повысить надежность. Разработанные ЭПРА производятся в АОЗТ «ММП—Ирбис» серийно и широко используются в разнообразной светотехнической аппаратуре. Эффективность использования разработанных и производимых устройств подтверждена соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались автором и обсуждались на: Ш Научно-технической конференции по ИВЭП, Ленинград, 1979г.; заседание НТС кафедры "Электрооборудование ЛА", МАИ, 1980г.: конференции МИРЭА, Москва, 1980г.: заседании подсекции "Научные проблемы источников вторичного электропитания" Научного Совета АН СССР, Москва, 1986г.; отраслевом семинаре "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоение в серийном производстве унифицированных источников вторичного электропитания импульсного типа", Севастополь, 1987г.; отраслевом семинаре "Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития", Севастополь, 1989г.; Всесоюзной конференции по ИВЭП, Ленинград, 1990г.; семинаре Ассоциации "Электропитание" "Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки", Москва, 1991г.; Всероссийском совещании Ассоциации "Электропитание" и АО "ВТ и ПЭ" "Перспективы разработок и произподстпа ИВЭ", Москва, 1994г. научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов. Наука, производство, образование (ЭКАО-99)», МЭИ, Москва. 1999г.
Публикации. По результатам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 12 печатных работ, получены патент на изобретение и положительное решение по заявке на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 136 страницах машинописного текста, иллюстрированного 5 рисунками на 47 страницах и списка литераіурьі, включающего 106 источников на 11 страницах.
Похожие диссертации на Разработка и исследование высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с резонансным контуром
