Введение к работе
Актуальность работы. Необходимую часть любой радиоэлектронной аппаратуры составляют источники вторичного электропитания (ИВЭП),которые обеспечивают ее электрической энергией необходимого вида и качества и, в значительной мере, определяют ее массу, объем, надежность, экономичность. Совершенствование элементной базы, схемотехнических решений открывает новые области применения высокочастотного преобразования электромагнитной энергии, такие как : источники питания для технологического оборудования (гальванических и электролитических ванн), сварочные аппараты инверторного типа, устройства управления электрическими двигателями, электронные "балласты" ламп интенсивного свечения и т. п. Мощность преобразования составляет в таких устройствах единицы и даже десятки киловатт . Преобразование энергии на высокой частоте позволяет существенно снизить массу, габариты, повысить к.п.д. и, во. многих случаях, получить новые эксплуатационные качества.
Опыт разработки транзисторных преобразователей постоянного напряжения большой мощности и анализ литературы по данной тематике показывают, что надежность работы определяется в первую очередь надежностью работы силовых ключей, загрузка которых в статическом (по току и напряжению) и динамическом (по энергии и импульсным мощностям переключений) режимах играет решающую роль в выборе типа используемого преобразователя.
Применяемые для источников питания большой мощности преобразователи можно условно разделить на три класса: І) преобразователи с прямоугольной формой токов и напряжений; 2) резонансные преобразователи; 3)преобразователи с трапециевидной формой напряжений и токов. Преобразователи с прямоугольной формой напряжений и токов имеют меньшую статическую загрузку силовых ключей при прочих равных условиях, однако их переключения сопровождаются значительной перегрузкой по току и импульсной мощности. Резо-
нансные преобразователи могут обеспечивать переключение силовых ключей при нулевом токе или напряжении, но статическая загрузка по току и потери проводимости значительно выше, чем в преобразователях первого и третьего класса, что при существующей элементной базе ограничивает их выходную мощность. Преобразователи с трапециевидной формой напряжений и токов имеют близкую к преобразователям первого класса статическую загрузку и позволяют формировать траекторию переключения силовых ключей в широком диапазоне регулирования, что значительно уменьшает их динамическую загрузку. В настоящее время анализу таких преобразователей посвящено ограниченное число работ, в которых недостаточно полно освещены следующие вопросы:
- анализ возможных способов управления и выбор наибо
лее предпочтительных;
- расчет цепей формирования траектории переключения
силовых ключей;
- получение соотношений, определяющих энергию, импульсную и среднюю за период мощности потерь переключений;
- определение регулировочных и внешних вольт-амперных
характеристик (ВАХ) преобразователя при разных способах
управления.
Традиционной выходной ВАХ ИВЭП является характеристика источника напряжения. Но с расширением областей применения ИВЭП с высокочастотным преобразованием электромагнитной энергии возникает потребность получения других выходных характеристик, таких как:
характеристика источника тока;
пологая характеристика;
характеристика постоянной выходной мощности.
В связи с этим является актуальным исследование преобразователей постоянного напряжения для источников питания большой мощности, обеспечивающих заданную выходную характеристику, а в некоторых случаях несколько выходных характеристик, с возможностью их переключения и плавного регулирования выходных параметров.
Целью работы является расширение области применения,
повышение выходной мощности и функциональной надежности высокочастотных транзисторных преобразователей постоянного напряжения, предназначенных для устройств электропитания большой мощности, имеющих различные выходные характеристики и обладающих возможностью их перестройки.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
-
Разработка методики и проведение сравнительного анализа различных типов преобразователей постоянного напряжения с точки' зрения статической и динамической загрузки силовых ключей, и выбор наиболее перспективного.
-
Проведение анализа динамических потерь для двух форм спада тока силового ключа, характерных для биполярных и IGBT-транзисторов, и разработка методики расчета цепей формирования траектории переключения в зависимости от режима работы ключа, энергии потерь и времени переключения.
-
Определение возможных способов управления выбранным преобразователем постоянного напряжения и выбор наиболее предпочтительных. Проведение анализа и получение основных расчетных характеристик преобразователя при этих способах управления.
-
Проведение анализа возможности получения заданных выходных ВАХ преобразователя, необходимых- для источников питания различного назначения.
-
Разработка инженерной методики расчета преобразователя для источника питания с перестраиваемыми выходными характеристиками на заданную выходную мощность при выбранных способах управления.
Основные методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе положений теории электрических цепей в части анализа переходных процессов, теории дифференциальных уравнений и теории полупроводниковых приборов.
Все основные расчеты выполнены на персональной ЭВМ (IBM 486 DX2-66).
Достоверность основных теоретических положений подтверждена экспериментальными исследованиями в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна работы. Автором получены новые научные результаты, выносимые на защиту.
-
Разработана методика анализа преобразователей постоянного напряжения, позволяющая оценивать их по статической и динамической загрузке силовых ключей. В результате анализа показано, что мостовой преобразователь с дросселями в цепях переменного и постоянного токов обладает наилучшими совокупными показателями.
-
Показано, что управление мостовым преобразователем с дросселями в цепях переменного и постоянного токов может осуществляться как за счет изменения коэффициента заполнения импульсов управления (широтно-импульсная модуляция (ШИМ)), так и за счет изменения периода работы (частотная модуляция (ЧМ)), и при этом возможно формирование траектории переключения силовых ключей.
-
Предложена эквивалентная схема замещения мостового преобразователя с дросселями в цепях переменного и постоянного токов, по которой определены выражения для мгновенных значений токов и напряжений на элементах и получены аналитические выражения для выходных и регулировочных характеристик преобразователя при двух способах управления (ШИМ и ЧМ) . Получены выражения, определяющие законы изменения коэффициента заполнения импульсов управления преобразователя с ШИМ и периода работы преобразователя с ЧМ для реализации следующих выходных ВАХ: пологой, источника напряжения, источника тока, постоянной выходной мощности.
Практическая ценность выполненных исследований заклю-
чается в следующем:
1. Разработана инженерная методика расчета динамиче
ских потерь и параметров элементов цепей формирования
траектории переключения силовых ключей мостового преобра
зователя с дросселями в цепях переменного и постоянного
токов.
2. Получены соотношения, позволяющие определять
энергию, импульсную и среднюю за период мощности потерь
выключения силовых ключей мостового преобразователя в за
висимости от величины параметров элементов цепей формиро
вания траектории, при двух аппроксимациях формы спада то
ка ключей, характерных для биполярных и IGBT-транзисто-
ров.
-
Разработана инженерная методика расчета мостового преобразователя с дросселями в цепях переменного и постоянного токов при двух способах управления (ШИМ и ЧМ), позволяющая определять загрузку и статические потери силовых ключей, параметры элементов преобразователя, исходя из заданной выходной мощности, диапазона тока нагрузки, требуемой внешней характеристики.
-
Определен диапазон регулирования и изменения тока -нагрузки, при котором мостовой преобразователь с дросселями в цепях переменного и постоянного токов не имеет динамических потерь включения и сохраняет требуемую выходную характеристику.
-
Разработаны новые схемотехнические решения преобразователей и схем управления, подтвержденные авторскими
свидетельствами и патентом Российской Федерации.
Реализация в промышленности. Теоретические и практические результаты диссертационной работы легли в основу разработки ряда источников питания для электродуговой сварки "ФОРА-60", "ФОРА-90", "ФОРА-120", выпускаемых серийно Государственным Рязанским приборным заводом, которые экспонировались на ряде Республиканских и Международных выставок и удостоены диплома специализированной Международной выставки "СВАРКА-96", проведенной в октябре 1996г. в г.Киеве. В настоящее время осваивается выпуск источника питания на 160А "ФОРА-160П" с перестраиваемыми
выходными характеристиками для ручной и полуавтоматической электродуговой сварки.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
IV Всесоюзной конференции по проблемам преобразовательной техники, Киев, ИЭД АН УССР, 1987;
V межотраслевой НТК по средствам вторичного электропитания, Ленинград, 1987;
Всесоюзном семинаре по средствам вторичного электропитания, Москва, 1988;
Всесоюзном семинаре по высокоэффективным системам вторичного электропитания, Москва, МДНТП, 1989;
Межотраслевой НТК по элементам и системам вторичного электропитания, Севастополь, 1989;
- VI республиканской научно-технической конференции
студентов, молодых ученых и специалистов, Рязань, 1993г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 пе-
ч. тных работ, в том числе 3 авторских свидетельства и 1 патент Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 106 страницах машинописного текста, иллюстрированного 67 рисунками на 49 страницах, имеет список литературы из 58 наименований и приложения на 4 страницах.
