Научная статья на тему 'Спектральная оценка сигналов силовой цепи импульсных преобразователей напряжения'

Спектральная оценка сигналов силовой цепи импульсных преобразователей напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
122
31
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Самотик Л.А., Каржаев А.С., Горяшин Н.Н.

В работе предложены результаты оценки спектрального состава сигналов силовой цепи повышающего импульсного преобразователя напряжения (ПН) с резонансным переключением в сравнении с классическим ПН с ШИМ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Самотик Л.А., Каржаев А.С., Горяшин Н.Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Спектральная оценка сигналов силовой цепи импульсных преобразователей напряжения»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.314.1:004.94

Л. А. Самотик, А. С. Каржаев Научный руководитель - Н. Н. Горяшин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СПЕКТРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СИГНАЛОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

В работе предложены результаты оценки спектрального состава сигналов силовой цепи повышающего импульсного преобразователя напряжения (ПН) с резонансным переключением в сравнении с классическим ПН с ШИМ.

Как известно, импульсные преобразователи напряжения являются источником электромагнитных помех, что создает дополнительные проблемы при их использовании в системах электропитания чувствительных к электромагнитному излучению электронных устройств. Импульсные преобразователи могут производить два типа электромагнитных помех (ЭМП). ЭМП, генерируемые непосредственно импульсной работой ключевого элемента (КЭ), и ЭМП, генерируемые паразитными резонансными цепями электрической схемы в моменты отпирания или запирания ключевого элемента КЭ. ЭМП, генерируемые за счет паразитных элементов, как правило, имеют узкий спектр, где гармонике с максимальной амплитудой соответствует собственная частота паразитного резонансного контура (РК). В случае, если один из элементов паразитного РК носит нелинейный характер, как, например, барьерная емкость диода, или емкость сток-исток МДП-транзистора, то генерируемая помеха может иметь более широкий спектр. Такой тип помех главным образом зависит от используемой элементной базы, условий монтажа и компоновки элементов преобразователя на печатной плате. Поэтому теоретический анализ помех такого рода затруднителен и сводится, как правило, к лабораторным исследованиям. ЭМП, генерируемые непосредственно импульсной работой КЭ, могут быть проанализированы путем разложения функций сигналов тока и напряжения в ряд Фурье [1]:

г« ( )=^+

Х(ап • 005 (п •1)+ Ьп • вш С • Г))

; (1)

а0 =

1 1

-• | /(г; ап = — | /(/)• сов(п• ;

1 2-—

Ьп = — • | /(г)• вш(п • —0

а = а0 ;Ап =40^,

(2)

(3)

где (1) - уравнение ряда Фурье; (2) - коэффициенты Фурье; формула (3) определяет амплитуду п-й гармоники, - функция времени исследуемого сигнала. Также Фурье анализ сигналов в цепи КЭ позволит оценить амплитуды высших гармоник, на которых могут входить в резонанс паразитные РК реальной схемы.

Современные тенденции развития преобразовательной электроники направлены на применение резонансных режимов при переключении КЭ [2]. При этом наихудшим с точки зрения спектрального состава излучаемой помехи является классический тип ПН с прямоугольной формой тока и напряжения и ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ), т. к. по сравнению с ним резонансные режимы переключения КЭ позволяют приблизить форму сигналов в цепи КЭ к гармонической. Таким образом, анализ ЭМП предлагается проводить путем сравнения гармонических составляющих сигналов в цепи КЭ с резонансным переключением с аналогичными в режиме ШИМ с «жестким» переключением КЭ при прочих равных условиях.

Далее введем понятие относительного логарифмического коэффициента, показывающего разницу между амплитудами соответствующих гармоник сигналов ШИМ и ПНТ режимов при прочих равных условиях:

Iп0ТН = 201ои

г пнт

V п J

(4)

где 1п - амплитуда тока п-й гармоники сигнала соответствующего режима.

а б

Рис. 1. Сигналы тока через ключевой элемент для повышающего преобразователя напряжения с резонансным переключением (а) и с жестким переключением (б)

Секция ««Автоматика и электроника»

30 22 14 6 -2 -10 -18 -26 -34 -42 -50

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

п

Рис. 2. Относительная спектральная характеристика тока КЭ повышающего ПН с резонансным переключением при нулевых значениях тока

Т Отн JU - In ,db it Л. .. „ 1 "ТтЛт. 1 1 гТт J!T Т 1 1 1 ^ - н и mm

ii 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1

На рис. 1 показаны формы анализируемых сигналов в преобразователе напряжения повышающего типа. На рис. 2 показан относительный спектр тока в соответствии с (4) для двух приведенных сигналов при прочих равных условиях. Относительный коэффициент заполнения у в случае ПН с жестким переключением и ШИМ определен исходя из заданных условий с учетом неидеальности фронтов (рис. 1, б).

Предложенная относительная логарифмическая оценка спектрального состава показывает, что резонансный режим работы КЭ имеет существенно меньший вклад высших гармоник по сравнению с ПН с ШИМ с жестким переключением в частотный спектр сигнала тока в цепи ключевого элемента.

Библиографические ссылки

1. Hsiu, L. Characterization and Comparison of Noise Generation for Quasi-Resonant and Pulsedwidth-Modulated Converters, / M. Goldman, R. Carlsten, F. Witulski, W. Kerwin, // IEEE Trans. Power Electron., Vol. 9, No.4, pp 425-432, july 1994

2. Abu-Qahouq, J. Unified Steady-State Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters / I. Batarseh, J. Abu-Qahouq // IEEE Trans. Power Electron., Vol. 17, No. 5, pp. 684-691, sep. 2002.

© Самотик Л. А., Каржаев А. С., 2012

УДК 621.314

А. А. Соломатова Научный руководитель - Н. Н. Горяшин, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ВСТРОЕННОГО В МДП-ТРАНЗИСТОР ДИОДА

Представлен сравнительный экспериментальный анализ процесса обратного восстановления встроенного в МДП-транзистор диода при жестком и резонансном режимах работы преобразователя напряжения.

При использовании встроенного в МДП-транзитор диода для обеспечения существования резонансного процесса в высокочастотных преобразователях напряжения с резонансным контуром и полной волной тока резонансного цикла [1] проявляется процесс его обратного восстановления, что приводит к дополнительным потерям мощности. Рассмотрим механизм этого процесса в кремниевых МДП-транзисторах с блокирующим напряжением более 100В. Проблемам анализа процесса обратного восстановления полупроводниковых силовых диодов в импульсных преобразователях посвящены многие работы, например [2]. На рис. 1 приведена схема повышающего ПН, где в качестве силового диодного ключа используется встроенный в МДП-транзистор диод, причем затвор самого транзистора соединен с истоком с целью исключения индуцирования в нем проводящего канала. С помощью данной экспериментальной установки были сняты осциллограммы переходных процессов

тока во встроенном в МДП-транзистор диоде при его переключении для разных режимов: скорости спада тока при запирании диода и амплитуды тока при его прямом смещении (рис. 2).

Рис. 1. Схема устройства для исследования процесса обратного восстановления диода, встроенного в МДП-транзистор, ПИЭ - первичный источник электропитания, Rз и Rн - сопротивление затвора и нагрузки соответственно

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.