CC BY
53
РАДИОЭЛЕKTРОHИKА
УДК 621.314.6
МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БИПОЛЯРНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
Ф.И.Букашев
Институт электронных и информационных систем НовГУ, boukachev@gmail.com
Разработана методика проектирования и оптимизации параметров управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов. В качестве расчетного критерия предлагается эквивалентное падение напряжения выпрямителя. Проведен расчет параметров схемы выпрямителя по данной методике, полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с расчетом.
Ключевые слова: управляемый выпрямитель, биполярный статический индукционный транзистор, методика проектирования
The paper describes the design and optimization algorithm for controlled rectifiers based on bipolar static induction transistors. The fictional equivalent drop-on voltage is proposed as a criterion for design. The calculation of rectifier circuit parameters is carried out according to the algorithm. The experimental data is consistent with the calculation.
Keywords: controlled rectifier, bipolar static induction transistors, design algorithm
Общие принципы проектирования управляемых выпрямителей, а также пропорциональнонасыщенный режим управления биполярными статическими индукционными транзисторами (БСИТ), рассмотрены в [1,2]. Вместе с тем до сих пор отсутствовала конкретная методика проектирования выпрямителей, включающая в себя алгоритм расчета номиналов элементов схемы и критерии оценки результатов. Ниже на примере макета управляемого выпрямителя, изображенного на рис.1 [3], показано применение разработанной нами методики.
В качестве основного критерия методики проектирования управляемых выпрямителей на основе БСИТ выбран критерий минимума потерь мощности. Оптимизация выпрямителя в данном случае представляет собой выбор таких номиналов элементов схемы, при которых потери мощности выпрямителя минимальны.
Энергетическая эффективность управляемого выпрямителя может быть просто и наглядно представлена в виде эквивалентного падения напряжения. Эквивалентное (фиктивное) падение напряжения
I ВхоД | 1 h
VT1
R1
1 кОм — = C1
15 нФ
R2
7,5 Ом
VT3
, КТ3102Б
21
-| 3 | Выход I
VD1
LL4148
VD2
LL4148
VT2 .J VT4
-L КТ3107Б | L КТ3107Б
п
R3
22 Ом
Рис.1. Схема макета управляемого выпрямителя на основе БСИТ
управляемого выпрямителя равно падению напряжения на выпрямительном элементе, выделяющем при равном среднем выходном токе равную тепловую мощность:
V • I
KqCR=V6X - кых)+^-^, вых
где 1вых — выходной ток управляемого выпрямителя, А; V6X — входное напряжение управляемого выпрямителя, В; V6blX — выходное напряжение управляемого выпрямителя, В; Iy — ток потребления управляемого выпрямителя, А; разность V6X - V6blX представляет собой падение напряжения на БСИТ.
В программе Micro-Cap 9 Evaluation было проведено компьютерное моделирование схемы, изображенной на рис.1, при выходном напряжении 2 В. Использовалась SPICE-модель БСИТ КТ698И [4]. На рис.2 приведены графики зависимости эквивалентного падения напряжения, полученные в результате моделирования, и результаты измерений характеристик макета.
Отношение тока коллектора к току базы БСИТ
Рис.2. Зависимость расчетного и экспериментального эквивалентного падения напряжения управляемого выпрямителя при выходном токе 0,2 А (1); 0,4 А (2); 1 А (3). Кривые — расчетные значения, точки — экспериментальные значения
Эксперимент и компьютерное моделирование схемы показывают, что эквивалентное падение напряжения управляемого выпрямителя имеет слабо выраженный минимум. Для диапазона выходных токов от 0,2 до 1 А минимум эквивалентного падения напряжения наблюдается при отношении тока коллектора к току базы в диапазоне 35^65.
Методика проектирования и оптимизации управляемых выпрямителей на основе БСИТ включает следующие четыре этапы.
На первом задаются исходные данные для проектирования, в том числе — выходное напряжение и диапазон изменения выходного тока.
На втором этапе проводится расчет с целью определения отношения тока коллектора к току базы БСИТ по критерию минимума эквивалентного падения напряжения управляемого выпрямителя. В рассмотренном примере из диапазона 35^65 выбрано среднее значение 50.
На третьем этапе рассчитывается оптимальное отношение тока базы к напряжению насыщения кол-
лектор-эмиттер БСИТ. В рассмотренном примере это отношение составляет от 50 до 140 мА/В.
На четвертом этапе производится расчет параметров тех элементов схемы, которые задают режим работы БСИТ. В рассматриваемом примере это сводится к выбору номинала резистора И2, обеспечивающего необходимое отношение тока базы к напряжению насыщения коллектор-эмиттер БСИТ 'УТ1; сопротивление резистора составило 7,5 Ом.
Поскольку экстремум эквивалентного падения напряжения управляемого выпрямителя выражен слабо, смещение рабочей точки транзистора (например, при изменении температуры или вследствие технологического разброса параметров компонентов) не приводит к резкому снижению к.п.д. управляемого выпрямителя. К.п.д. рассмотренного макета управляемого выпрямителя достигает 90%.
Таким образом, разработана и проиллюстрирована примером методика проектирования и оптимизации параметров управляемых выпрямителей на основе БСИТ. В основу методики положен критерий — эквивалентное падение напряжения управляемого выпрямителя. Показано, что критерий универсален и не зависит от конкретной схемотехнической реализации устройства.
Использование SPICE-модели БСИТ позволяет автоматизировать процесс проектирования выпрямителей. На примере показано, что SPICE-модель БСИТ обеспечивает приемлемую для инженерного расчета погрешность порядка 10-15%.
1. Преобразователь переменного напряжения в постоянное: Свид. на полезную модель 25818 Рос. Федерация: МПК7Н02М7/217 / Букашев Ф.И., Петров Р.В., Смирнов А.Ю.; заявитель и патентообладатель Букашев Ф.И. — 2002107569/20; заявл. 01.04.2002, опубл. 20.10.2002. Бюл. №29.
2. Букашев Ф.И., Байбузов А.В., Смирнов А.Ю. Применение БСИТ с «пропорционально-насыщенным» управлением в низковольтных высокоэффективных выпрямителях // Схемотехника. 2003. №6. C.19-20.
3. Шахмаева А.Р., Букашев Ф.И. Разработка управляемых выпрямителей на основе биполярных статических индукционных транзисторов // Известия вузов. Электроника. 2009. №6. С.16-21.
4. Букашев Ф.И. SPICE-модель биполярного статического индукционного транзистора // Известия вузов. Электроника. 2009. №5. С.15-21.
Bibliography (Translitirated)
1. Preobrazovatel' peremennogo naprjazhenija v postojannoe: Svid.
na poleznuju model' 25818 Ros. Federacija: MPK7H02M7/217 / Bukashev F.I., Petrov R.V., Smirnov A.Ju.; zajavitel' i paten-toobladatel' Bukashev F.I. — 2002107569/20; zajavl.
01.04.2002, opubl. 20.10.2002. Bjul. №29.
2. Bukashev F.I., Bajjbuzov A.V., Smirnov AJu. Primenenie BSIT s «proporcional'no-nasyshhennym» upravleniem v nizkovol'tnykh vysokoehffektivnykh vyprjamiteljakh // Skhemotekhnika. 2003. №6. C.19-20.
3. Shakhmaeva A.R., Bukashev F.I. Razrabotka upravljaemykh vyprjamitelejj na osnove bipoljarnykh staticheskikh indukcionnykh tranzistorov // Izvestija vuzov. Ehlektronika. 2009. №6. S.16-21.
4. Bukashev F.I. SPICE-model' bipoljarnogo staticheskogo in-dukcionnogo tranzistora // Izvestija vuzov. Ehlektronika. 2009. №5. S.15-21.
