СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Титов А.А. Нелинейные искажения в мощной широкополосной усилительной ступени с автоматической регулировкой потребляемого тока // Известия вузов. Сер. Радиоэлектроника.
- 2001. - № 11. - С. 71-77.
2. Широкополосные радиопередающие устройства / Под ред. О.В. Алексеева. - М.: Связь, 1978. - 304 с.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1963. - 696 с.
4. Радиоприемные устройства / Под общей ред. В.И. Сифорова.
- М.: Советское радио, 1974. - 560 с.
5. Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников В.С. Радиоприемные устройства / Под ред. Н.И. Чистякова. — М.: Государственное изд-во литературы по вопросам связи и радио, 1959. — 895 с.
6. Бронштейн И.Н., Семендяев Е.А. Справочник по математике / Пер. с нем.; Под ред. Г. Гроше и В. Циглера. — М.: Наука, 1980. — 976 с.
7. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4-х томах. Т. 3. — М.: КУбК-а, 1997. — 672 с.
УДК 621.311.6
АНАЛИЗ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ СПОСОБОВ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Е.Ю. Буркин, В.Н. Макаревич, В.В. Свиридов
Томский политехнический университет E-mail: burkin@mail.ru
Рассмотрены базовые схемы понижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей постоянного напряжения в постоянное с параметрической стабилизацией выходного напряжения. Проведен анализ трех способов управления силовыми ключами преобразователей при постоянной длительности периода, закрытого и открытого состояний ключа. Приведены структурные схемы систем управления, реализующих эти способы. Получены выражения и графики относительных величин ВЧ и НЧ пульсаций на нагрузке от входного напряжения. Показано, что наибольшую эффективность подавления входной НЧ пульсации, при прочих равных условиях, обеспечивает способ стабилизации при постоянной длительности паузы, а два других дают практически одинаковые результаты. Приведены результаты моделирования теоретических расчетов в пакете прикладных программ OrCAD 9.2.
Введение
Импульсные преобразователи (ИП) напряжения широко используют в современных источниках питания. Мощный толчок их развитию дала разработка высококачественных силовых ключей - MOS и IGBT транзисторов. Известны три базовых схемы силовой части ИП (рис. 1, а-в). В первой из них выходное напряжение UH ниже входного UK, поэтому его называют понижающим (ПН), во второй выходное напряжение выше входного (ПВ), а в третьей имеет обратную (инвертированную) полярность (ПИ). Каждая модификация занимает свою нишу в типоряде источников питания. ПН-преобразователи имеют чрезвычайно большой диапазон выходных мощностей - от долей ватта до тысяч киловатт, и используются, в основном, как регуляторы - стабилизаторы напряжения или тока в приборных источниках питания, электротехнологических установках и электроприводе. ПВ-преобразователи применяют в современных корректорах коэффициента мощности, позволяющих получить коэффициент мощности преобразователей переменного напряжения в постоянное близкий к единице. ПИ-пре-
образователи (их называют также обратноходовы-ми) с трансформаторным включением дросселя Ьф широко используют в источниках питания современных телевизоров и мониторов.
Регулировка и стабилизация выходных параметров ИП осуществляется путем изменения соотношения времени замкнутого (4) и разомкнутого (4) состояния ключа К в схемах рис. 1. Система управления (СУ) ключом ИП представляет собой широт-но-импульсный модулятор (ШИМ), который за счет обратных связей отрабатывает различные возмущения, например изменения тока нагрузки или входного напряжения. Как и в любой замкнутой системе автоматического регулирования (САР) в СУ ИП должны быть решены проблемы устойчивости, качества переходных процессов и другие, заданные потребителем задачи. Решению этих проблем посвящены многие публикации [1—4, 8].
В большинстве случаев основным дестабилизирующим фактором в ИП является изменение входного напряжения. Вследствие дозированной передачи энергии источника их в нагрузку имеется возможность такого управления регулирующим элементом — ключом К, при котором выходное напря-
а)
--
U
вх
Ф
СУ
к
VD0
У
с
ф
Ri
б)
RH
няющие её работу. С приходом импульса задающего генератора (ЗГ), RS-триггер (Т) переходит в состояние, при котором усилитель мощности (УМ) отпирает ключ K. Напряжение Щ на входе LC-фильт-ра амплитудой Ux поступает на интегратор (И), а с его выхода - на компаратор (КП) с фиксированным уровнем сравнения Un. В момент срабатывания компаратора триггер Т меняет состояние, ключ K запирается, а напряжение на выходе интегратора сбрасывается до нуля. В дальнейшем процессы повторяются. Очевидно, что при этом среднее значение UH = const независимо от U„.
T иф ' UBX | Ubx t
U i J
,иум tu t
t»
в)
Рис. 1. Базовые схемы импульсных преобразователей: а) понижающего, б) повышающего, г) инвертирующего
жение ИП не зависит от Um. Стабилизаторы такого типа получили название параметрических, так как в данном случае для стабилизации используется нелинейность передаточной характеристики ИП.
Способы управления регулирующим элементом
Возможны три способа управления ключом K для реализации требуемого закона управления: при постоянной длительности периода T = tu + tn = const паузы tn = const и импульса tu = const. Передаточная характеристика ПН-преобразователя в режиме непрерывного тока дросселя Ьф имеет вид:
U = UJUI (tu + tn) = UJJT. (1)
Очевидно, что если при T = const устанавливать длительность tu открытого состояния ключа K обратно пропорционально величине UK, напряжение UH будет инвариантно к Ux. Тот же эффект можно получить, если оставлять фиксированным вольтсе-кундный интеграл (ВСИ):
J = Uex tu = kUn = const. (2)
На рис. 2 приведена структурная схема СУ, реализующая указанный принцип и диаграммы, пояс-
а) б)
Рис. 2. Структурная схема параметрической СУ а) и диаграммы работы б) ПН-преобразователя для режима T=const
Для пояснения способа стабилизации при t„=const приведем уравнение (1) к виду:
tu (U^-Uon) = tnU0n=kUn = const, (3)
где Uon = const - опорное напряжение.
Если при фиксированной длительности tn оставлять неизменным ВСИ в левой части выражения (3), выходное напряжение UH = Un будет инвариантно к входному. Реализация данного способа управления очень проста (рис. 3), что подтверждается также практическими схемами, приведенными в [5, 6].
Мм tu tu ~t
t» t»
а) б)
Рис. 3. Структурная схема параметрической СУ а) и диаграммы работы, б) ПН-преобразователя для режима tn=const
Более сложен в реализации способ управления при tu = const (рис. 4). В данном случае фиксированное время tu открытого состояний ключа Kзада-ется одновибратором (ОВ). За это время получают нефиксированное значение ВСИ:
J = tu (U-Uon ), (4)
после чего, в течении времени ¡„, интегрируется постоянная величина иоп. При / = 0 срабатывает компаратор, запускается ОВ, и процессы повторяются. Длительность паузы в этом случае 4 = // иж.
циум tn
t
t»
а)
б)
J = kU„.
(6)
а затем, после прихода импульса ЗГ, формируют импульс длительностью 4 = 1/иоп до выполнения условия / = 0 (рис. 5). В данной схеме необходимо использовать дополнительный переключатель К1, подключающий ко входу интегратора И поочередно напряжения их при открытом состоянии силового ключа К и иоп при закрытом ключе К.
,ивх ' !
1 i
lUy,
t» — tn —
а)
б)
Рис. 5. Структурная схема параметрической СУ а) и диаграммы работы б) ПВ-преобразователя для режима T=const
Для случая tn = const (рис. 6) ее длительность задается одновибратором ОВ, а на вход интегратора И через ключ K1 поступает разность напряжений (Uon - Um). В конце паузы ВСИ:
J = (Uon-Uex )tn. (7)
Во время tu интегрируется сигнал Ux и при J = 0 импульс заканчивается. Его длительность:
t,U,
__U ex
(8)
а)
б)
Рис. 4. Структурная схема параметрической СУ а) и диаграммы работы б) ПН-преобразователя для режима t=const
Аналогичные условия инвариантности Ux и UH можно получить и для двух других базовых схем ИП, рис. 1. Для ПВ-преобразователя:
UH= (tu+tn )UeJtn=Uon. (5)
При T = const за время 4 получают нефиксированный ВСИ
Рис. 6. Структурная схема параметрической СУ а) и диаграммы работы б) ПВ-преобразователя для режима tn = const
Выражение (8) является условием инвариантности UH = Uon от Ux для ПВ-преобразователя при 4 = const.
Для режима 4 = const требуемая длительность:
tuUx
(9)
(Uo„-Ux у
Структурная схема СУ для реализации такого алгоритма аналогична схеме рис. 6, а. Необходимо только поменять RS-входы триггера Т (или его выходы), чтобы одновибратор ОВ задавал длительность импульса, а не паузы (рис. 7).
I И
T S
i R <-|ов
а)
(Uon-Ux )'
б)
Рис. 7. Структурная схема параметрической СУ а) и диаграммы работы, б) ПВ-преобразователя для режима tu = const
Для ПИ-преобразователя передаточная характеристика:
Un=-UeXltn (10)
одновременно является условием равенства нулю за период вольтсекунд дросселя Ьф и определяет единственно возможный способ параметрической стабилизации UH, а именно tn = const [4]. Следует подчеркнуть, что это утверждение справедливо при условии непрерывности тока дросселя Ьф, что обычно имеет место. Длительность импульса в таком режиме:
t = (11) u U
ex
изменяется обратно пропорционально U«.
и
ЗГ
■'ум
\УМ\
СУ
UBX
.Гиоп
К1
| И |
I.
t
1
*
1/1
U t
UyM
I I I I
t
а) б)
Рис. 8. Структурная схема параметрической СУ ПИ-преобразователя - а); диаграммы работы - б)
На рис. 8 приведена структурная схема параметрической СУ для ПИ-преобразователя и диаграммы ее работы. Во время формирования 4 напряжение ивх через переключатель К1 поступает на вход интегратора И, а на его выходе сравнивается компаратором КП с уставкой Цп. В момент сравнения этих напряжений состояние компаратора меняется, ключ К1 подключает к входу интегратора фиксированное значение напряжения Цп. При снижении сигнала на выходе интегратора до нуля, компаратор вновь меняет свое состояние. От этого момента до начала следующего периода формируется фиксированный временной интервал П В дальнейшем процессы повторяются. Выходное напряжение при таком алгоритме не зависит от входного Uн=Uоn=const.
Сравнение изменений ВЧ пульсации
При отсутствии пульсаций напряжения на входе ИП, на выходе преобразователя имеется высокочастотная (ВЧ) пульсация, обусловленная импульсным характером его работы. Ее абсолютная величина для схемы ПН-преобразователя в режиме непрерывного тока Х^:
AUn
(U -U )t2 + U t2
У ex н J и н n
8LC
(12)
0 nm
ze -Yo
ze (1 -Yo)
Аналогичные зависимости tn= const и tu= const имеют вид:
ZE (1 -YO) _ 1
(14)
для режимов
о _ ■
nn
onu _
Z E -Yo ZE (ZE -Yo)
1 -YO
ZE°m ■
(15)
(16)
На рис. 9 приведены графики, построенные по (14-16) при y0 = 0,5. Их анализ показывает, что, при прочих равных условиях, способ стабилизации при tu=const всегда проигрывает, а два оставшихся дают практически одинаковые результаты по величине ВЧ пульсации при работе преобразователя с Y)>0,5.
2 -
1.5 -
1 -
0.5
0.6
0.8
1
1.2
1.4
В зависимости от величины ин и номинального входного напряжения Цх0 величина пульсации будет разной. Относительная величина пульсации:
Аи ^
= / (Уо,£е (13)
Аи п 0
где 70 = Ц/Цй - начальный коэффициент заполнения, еБ = и^и^ - относительное изменение входного напряжения, АЦп0 - величина пульсации при
7 = Го.
Для режима параметрической стабилизации ПН-преобразователя при 7,=const с учетом (12, 13), получим относительную величину ВЧ пульсации:
Рис. 9. Зависимость относительных величин ВЧ пульсации на нагрузке от входного напряжения для ПН-преобразователя
Полученные выражения позволяют оценить также динамические свойства ПН-преобразователя, связанные с его способностью подавлять НЧ составляющую - пульсацию входного напряжения. Появление НЧ пульсации на выходе ИП даже при идеальном функционировании приведенных выше схем СУ связано с инерционностью LCD-фильтра, а именно с конечным временем установления нового значения ВЧ пульсации, определяющегося по выражениям (14-16) при изменении Цх.
Очевидно, что большие величины коэффициентов подавления входной пульсации будут получены при таком способе параметрической стабилизации, при котором установление нового значения ВЧ пульсации не будет приводить к изменению
и
и
п
и
0
/ ч
X
\ V >
\ 4 \
SEL>> 0V-
A , \ A A
V j \
л r А/ j у
f
r
5ms
□ о л V(L1:2)
¡А/
7?
¥
W
А/
А/
Рис. 10. Результаты моделирования схемы (рис. 1, а) с использованием СУ (рис. 2-4). ивх = 10 В/дел; ин = 1 В/дел; t = 0,2 мс/дел
среднего тока дросселя фильтра Ьф, что эквивалентно условию постоянства размаха пульсации этого тока в процессе работы.
Подавление входной НЧ пульсации
Относительные изменения пульсации тока ПН-преобразователя для рассмотренных режимов:
Zr (1 - Yo)
°In = 1
= on
Zr -Yo 1 -Yo
= ОТг
(17)
(18) (19)
Выражения (17-19) позволяют выбрать предпочтительный параметрический способ управления силовым ключом ПН-преобразователя, осуществляющего подавление входной пульсации. Очевидно, что наиболее эффективен алгоритм управления при tn = const, при котором теоретически выходная НЧ пульсация должна отсутствовать. Следующими по эффективности подавления НЧ пульсаций являются алгоритмы управления силовым ключом при T = const и 4 = const, соответственно.
Для проверки проведенных теоретических расчетов в пакете прикладных программ OrCAD 9.2 была реализована физическая модель схемы силовой части (рис. 1, а), работающей по алгоритмам СУ (рис. 2-4). Результаты моделирования, приведенные на рис. 10, полностью подтверждают проведенные расчеты.
100V
V(V1:+)
1st
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: Пер. англ. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 294 с.
2. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 240 с.
3. Бирзниекс Л.В. Импульсные преобразователи постоянного тока. — М.: Энергия, 1974. — 256 с.
4. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 184 с.
5. А. с. 469965 СССР. Тиристорный стабилизатор напряжения /
Б.А. Багинский В.Н.Макаревич, Ю.А. Отрубянников. -Опубл. Бюлл. № 17, 1975.
6. А. с. 560215 СССР. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения / Б.А. Багинский, В.Н. Макаревич. - Опубл. Бюлл. № 20, 1977.
7. А. с. 547756 СССР. Импульсный параметрический стабилизатор постоянного напряжения / Б.А. Багинский, В.Н. Макаревич. - Опубл. Бюлл. № 7, 1977.
8. Arbetter B. and Maksimovic D. Feedforward Pulse Width Modulators for Switching power Converters // IEEE Trans. Power electron. - 1997. - V. 12. - № 2 (Mart) - Р. 56.