Введение к работе
Актуальность темы. В электронных и шектронно-механических системах, например, телекоммуникаций, обработки информации, навигационных, широко используются системы распределенного электропитания, в которых преобразователи постоянного напряжения (ППН) являются одними из основных компонентов. Требование снижения габаритов и массы ПНИ и системы электропитания в целом привело к увеличению частоты коммутации в преобразователях энергии от десятков до нескольких сотен килогерц и даже единиц мегагерц, и поставило перед необходимостью решения комплекса взаимосвязанных схемных, конструктивных и технологических проблем. Уменьшение размеров реактивных компонентов и использование печатных плат на металлической основе позволило распространить технологию поверхностного монтажа с высокой плотностью упаковки на силовые дискретные компоненты ППН. Теперь основным ограничивающим фактором снижения размеров устройства стал перегрев компонентов из-за необходимости отвода рассеиваемой мощности потерь из относительного малого объема. Ограничение по перегреву, а также учет требований технологичности и необходимости автоматизации всего процесса производства и контроля для снижения себестоимости ППН и увеличения его надежности привели к необходимости разработки плоских конструкций минимальной высоты. Для электромагнитных компонентов это привело к отказу от традиционных объемных конструкций и созданию новых плоских трансформаторов и дросселей с различными вариантами печатных обмоток, обладающими лучшими характеристиками на высокой частоте по сравнению с традиционными, но имеющими ограничение по максимальному числу витков.
В связи с увеличением частоты и плотности монтажа влияние паразитных параметров значительно возросло. Таким образом, разработка новых топологий преобразователей постоянного напряжения с учетом особенностей плоских электромагнитных компонентов с печатными обмотками, способных работать с малыми потерями на высоких частотах при воздействии паразитных параметров компонентов и конструкции, является важным направлением для создания современных сисіем электропитания.
Исльк) работы является теоретический анализ, моделирование, экспериментальное исследование и разработка нолумостовых асимметричных преобразователей постоянного напряжения с высокой частотой переключения, иаиболсс предпочтительных с точки зрения применения плоских трансформаторов и дросселей с печатными обмотками, сочетающих низкие напряжения на силовых ключах в закрытом состоянии с малыми потерями в них в открытом состоянии и нулевыми потерями на переключение в широком диапазоне изменения тока нагрузки и входного напряжения.
Основная идея, положенная в основу работы данного класса преобразователей, - это использование относительно небольшой задержки между включением и выключением синхронно работающих двух силовых ключей для резонансного перезаряда паразитных емкостей этих ключей с целью обеспечения нулевых потерь на переключение.
Задачи, решаемые в диссертации:
- классификация известных ранее и разработка новых
структур ППН с высокой частотой коммутации, сочетающих
низкие статические и динамические потери в полупроводниковых
ключах с возможностью использования плоских ірансформаторов
и дросселей с печатными обмотками;
- создание математических моделей полумостовых асиммет
ричных преобразователей, адекватно отражающих электромаг
нитные процессы в них па этапах медленных процессов и
процессов переключения;
-получение на основе математических моделей характеристик установившегося режима полумостовых асимметричных преобразователей и всех соотношений, необходимых для расчета элементов силовой части;
определение на основе математической модели границ работы преобразователей с переключениями при нулевом напряжении;
разработка рекомендаций по проектированию иолумос-тоных асимметричных преобразователей с нулевыми потерями на переключение и пониженным напряжением на выпрямительных диодах;
разработка малосигнальных моделей исследуемых преобразователей;
- экспериментальная проверка результатов теоретического анализа и их практическая реализация.
Мсголы исследования
При проведении теоретических исследований использовались методы математического анализа, численные методы, методы теории электрических цепей, методы теории автоматического управления, метод усреднения п пространстве состояний. Применялись прикладные программы для расчсга и моделирования. Достоверность полученных результат*)» проверялась на нескольких макетных и опытных образцах.
Научная новизна
-создана математическая модель для режимов безразрывного и прерывистого тока в дросселе однотрансформаториого асимметричного полумостового преобразователя со схемой выпрямления общего вида, позволившая проводить все необходимые расчсгы и усгаиовившсмся режиме;
-определены условия достижения ПНН и его і ранипы для однотрансформаториого преобразователя;
-предложен новый двухгрансформаторный асимметричный полумостовой преобразователь, имеющий более широкую область применения при одновременном улучшении параметров устройства;
-создана математическая модель двух трансформа горного асимметричною полумостовою преобразователя в режимах безразрывною и прерывистою тока и выпрямительных диодах, позволившая проводить все необходимые расчеты и установившемся режиме;
-определены условия достижения ПНИ и сю ірапицьі для двухтрансформаторного преобразователя;
-разработана методика оптимизации двухтрапсформатор-ного преобразователя по заданному максимальному обратному напряжению па диодах;
-получена малосигнальная модель двухтрапсформаторного преобразователя для режима безразрывного тока в выпрямительных диодах;
Практическая ценность результатов анализа и исследования заключается в следующем:
-предложенная топология двух трансформа торного преобразователя позволила уменьшить размеры разработанных устройств
-разработанные математические модели однотрансфор-маторного и двухтрансформаторного асимметричных полумостовых преобразователей необходимы для выбора основных элементов силовой части, включая электромагнитные, определения в них электромагнитных нагрузок и потерь;
-найденные условия достижения ПНН для одно- и двухтрансформаторных преобразователей позволяют правильно выбрать параметры таких компонентов, как силовые транзисторы и трансформаторы, для обеспечения минимальной мощности, рассеиваемой в конструкции и получения высоких показателей надежности;
-созданная малосигнальная модель двухтрансформаторного преобразователя позволяет проводить синтез динамических свойств устройств , замкнутых обратными связями;
-разработанные макетные и опытные образцы преобразователей, выполненные по одно- и двухтрансформаторным схемам, и результаты математического моделирования подтвердили правильность теоретических положений, принятых в диссертации. Основные положения, выносимые на защиту:
необходимость разработки новых типов высокочастотных преобразователей, отличающихся уменьшенными значениями потерь в элементах силовой части устройства;
новые топологии асимметричных полумостовых преобразователей;
полученные расчетные соотношения для определения электромагнитных нагрузок на компоненты, с учетом достижения ИНН при заданных условиях работы;
малосигнальная модель двухтрансформаторного асимметричного полумостового преобразователя, полученная в точном и приближенном виде, удобном для практического применения;
-методика проектирования одно- и двухтрансформаторных преобразователей в виде программ в среде MATHCAD 6+, позволяющая производить расчет и оптимизацию данного класса преобразователей, включая температурный анализ. Реализация результатов работы:
Результаты работы будут использованы при разработке источников вторичного электропитания в АО "ММП-Ирбис" и в АООТ МИЭЛ.
Апробапия работы Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:
на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА", МДНТП, Москва, 1989г.;
на научно-технических семинарах кафедры "Микро-элсктронные электросистем" (306) Московского Государственного авиационного института;
на семинаре НИО СТЭ Московского Государственного авиационного института, апрель 1997г.
Публикации По теме диссертации опубликовано 5 печатных рабо/.
Структура и объем работы Диссертация состоит и» введения, четырех глав и заключения, изложенных па 115 страницах машинописного текста, иллюстрированного 28 рисунком на 32 страницах; списка литературы, включающего 98 источников па 11 страницах и 6 приложений на 26 страницах.
