CC BY
20
ОСНОВНЫЕ НЕИСПРАВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО БЛОКА В ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ Ладик А.В. Email: Ladik649@scientifictext.ru
Ладик Александр Викторович — аспирант, кафедра электротехники и промышленной электроники, Рыбинский государственный авиационный технический университет, г. Рыбинск
Аннотация: ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации сильноточных сигналов. Кремниевые силовые полевые транзисторы (MOSFET) активно применяются в качестве управляемых силовых ключей. Совершенствование технологии их производства позволило добиться выдающихся технических характеристик. В настоящее время, самым слабым местом всех преобразователей являются силовые вентили, выход из строя которых приводит к тому, что преобразователь полностью выходит из строя, при этом также наблюдается выход из строя элементов, подключенных в качестве нагрузки, если отсутствует резервная система энергоснабжения. Ключевые слова: ключ, схема, перенапряжение, пробой, выход из строя.
THE MAIN MALFUNCTIONS OF THE CONVERTING BLOCK IN POWER SUPPLIES Ladik A.V.
Ladik Aleksandr Viktorovich — Graguate Student, DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING AND INDUSTRIAL ELECTRONICS RYBINSK STATE AVIATION TECHNICAL UNIVERSITY, RYBINSK
Abstract: keys on field transistors are widely used for switching of silnotochny signals. Silicon power field transistors (MOSFET) are actively used as the operated power keys. Improvement of technology of their production has allowed to achieve outstanding technical characteristics. Now, the weakest point of all converters are power gates which failure leads to the fact that the converter completely fails, at the same time failure of the elements connected as loading is also observed if there is no backup system of power supply.
Keywords: key, scheme, overstrain, breakdown, failure.
УДК 621.314.632
Анализируя имеющуюся в настоящее время литературу, можно выделить несколько основных причин выхода из строя силовых вентилей:
- перенапряжения на ключевых элементах преобразователя, вызванные паразитной индуктивностью;
- перегрев, вызванный неправильной эксплуатацией;
- ошибки системы управления [1].
С перегревом и ошибками системы управления все понятно. Разберемся с перенапряжением, вызванное паразитной индуктивностью.
При проектировании преобразователей большой мощности с гальванической развязкой входа от выхода мы выбираем силовые ключи выходного каскада с двукратным запасом по току, напряжению и мощности, но они все равно выходят из строя.
Этому вопросу подвержены следующие схемы импульсных преобразователей:
- обратноходовая;
- прямоходовая;
- пушпульная.
А вот полумостовая и мостовая не подвержены. В итоге проектировщики практически полностью отказываются использовать топологии: обратноходовую, прямоходовую и пушпульную в преобразователях большой мощности, хотя экономически они более эффективны, чем полумостовая и мостовая схемы [2].
В специальной литературе еще упоминается тот факт, что при больших токах работа ключей становится неуправляемой.
Рассмотрим вариант с трансформатором на выходе, используя прямоходную схему.
Рис. 1. Идеальный и реальный трансформаторы
В такой схеме используется специальная обмотка для размагничивания магнитопровода трансформатора, то есть для снятия напряжения самоиндукции и отвода накопленной энергии обратно в источник питания. Например, в пушпульной схеме такой размагничивающей обмоткой является обмотка второго плеча. В момент, когда ключ одного плеча закрывается, другое плечо подключено к источнику питания через диод, шунтирующий силовой ключ. Накопленная в магнитном поле энергия будет отведена именно через эту цепь. В обратноходовом преобразователе накопленная энергия отводится в выходную цепь, в которой также фиксированное напряжение. В общем, все наши дальнейшие рассуждения легко переносятся и на эти схемы.
Мы ожидаем увидеть следующее:
Напряжение на транзисторе достигнет определенного значения, равного:
иут = ипит + ипит ■ Ш11Шразм, (1)
где ишт - Напряжение питания,
иут - напряжение на транзисторе,
Ш1 - колличесво витков в первичной обмотке,
Ш
•• ра
- Количество витков в размагничивающей обмотке.
Через некоторое время оно остается на этом же уровне до тех пор, пока происходит сброс энергии в цепь питания. Далее, по мере истощения накопленной энергии, напряжение снижается до напряжения питания.
Но в реальном же трансформаторе напряжение на транзисторе при закрытии подскакивает выше расчетного, потом медленно убывает до расчетного (рисунок 2).
Рис. 2. Схема и изменения напряжения в момент закрытия силового ключа
Скачек напряжения возникает из-за индуктивности связи между первичной и размагничивающей обмотками. Поскольку магнитное поле индуктивности не может измениться моментально, то ток, проходящий через первичную обмотку, должен уйти в обмотку размагничивания (с учетом соотношения витков), а там уже постепенно уменьшаться. В идеальном трансформаторе это происходит моментально, но в реальном для этого требуется время.
В маломощных схемах этот скачок практически незаметен. На это имеется две причины:
- величина скачка зависит от силы тока, т.е. чем больше сила тока в нагрузке, тем больше будет скачок;
- индуктивность связи зависит от толщины обмоток и того, насколько плотно они прилегают друг к другу и получается, что, чем мощнее трансформатор, больше ток, на который
он рассчитан, тем толще провод, тем больше индуктивность связи. Если для маленьких трансформаторов эта индуктивность ничтожно мала, то для силовых изделий может составлять 10% и более индуктивности первичной обмотки.
Вот почему прямоходная, обратноходная и пушпульная схемы не применяются для проектирования мощных преобразователей. Получается, что управлять большими токами невозможно из-за паразитной индуктивность нагрузки. Защита от перегрузки по току современных источников питания построена по принципу прерывания тока при превышении его силы выше определенных значений. Прервать сильный ток просто невозможно, потому как резкое возрастание амплитуды напряжения на силовом ключе выведет его из строя. Перечисленные топологии обладают преимуществами:
- меньшие потери, более высокий КПД,
- простота схемы;
- меньшее количество деталей и их суммарная стоимость. Но не все потеряно. Существует несколько путей для преодоления описанных проблем, такие как применение
демпфирующих цепей, резонансных преобразователей, включение индуктивности утечки в резонансный контур, а также активных схем ограничения напряжения на силовых ключах.
Мостовая и полумостовая схемы не подвержены пробою вентильных ключей, потому что при появлении напряжения на стоке нижнего ключа выше напряжения питания - напряжение отходит в цепи питания через шунтирующий диод верхнего транзистора. А вот если напряжение на истоке верхнего транзистора падает до уровня менее нуля, то оно восстанавливается из цепи питания через шунтирующий диод нижнего транзистора. Такая защита работает моментально и не связана с индуктивностями.
Список литературы / References
1. Веселов А.М. Фаррахов Д.Р. Расчет и моделирование демпфирующей цепи на примере импульсного преобразователя постоянного напряжения // Вестник УГАТУ, 2016. № 3 (73). С. 96-99.
2. Бажутов Д.А. Индуктивность утечки и пробой силового ключа // Электротехника. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://gyrator.ru/circuitry-leakage-induсtancе/ (дата обращения: 15.07.2018).
