CC BY
12УДК 621.313
В. В. Александров, к. т. н., профессор.
Т. Н. Гусакова, старший преподаватель, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И МАССОГАБАРИТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Рассматриваются некоторые решения, используемые разработчиками при создании современных источников вторичного электропитания на базе высокочастотных импульсных преобразователей постоянного напряжения.
В связи с широким развитием систем вторичного электропитания все большее применение находят преобразователи постоянного напряжения со звеном повышенной частоты. В последнее время особое внимание уделяется однотактным импульсным преобразователям постоянного напряжения (ИПН).
Известно, что при проектировании однотактных преобразователей важно обеспечить размагничивание магнитопровода их трансформатора как в установившемся режиме работы, так и при выключении ИПН, поскольку в противном случае при следующем включении преобразователя магнитопровод окажется насыщенным и произойдет резкий рост тока силового ключа, что приведет к его отказу.
Простейшие схемы трансформаторных однотактных ИПН с одним транзисторным ключом показана на рисунке 1.
Рис. 1.
В первой схеме (рис.1, а), известной под названием схема с обратным включением диода, при замкнутом УТ1 происходит накопление энергии в первичной обмотке трансформатора ТУ 1, при этом нагрузка питается энергией, ранее накопленной в конденсаторе. При разомкнутом VI-1 энергия, накопленная в трансформаторе, передается частично в нагрузку, а частично идет на подзаряд конденсатора. В этой схеме происходит перемагничивание сердечника трансформатора по несимметричным частным гистерезисным циклам (в пределе до величины остаточной магнитной индукции) без каких-либо дополнительных устройств. Однако масса и габариты трансформатора оказываются неоправданно завышенными.
В схеме, изображенной на рисунке 1, б, необходимо размагничивать магнитопровод трансформатора во время паузы. С этой целью для улучшения массогабаритных характеристик трансформатора используют различные схемотехнические решения.
В частности, был разработан механизм размагничивания сердечника с использованием паразитных емкостей и индуктивностей как монтажа, так и компонентов преобразователя. Идея состояла в том, чтобы передать энергию обратного такта в нагрузку без
применения размагничивающей обмотки. Соотнеся параметры паразитных индуктив-ностей и емкостей с требованиями размагничивания магнитопровода, можно добиться автоматической и сбалансированной схемы размагничивания сердечника трансформатора. Достоинством такого метода является исключение вспомогательных обмоток, что предоставляет большую площадь для силовых обмоток. Проведенные исследования показали, что метод применим для маломощных преобразователей (не более 50-75 Вт), при этом коэффициент заполнения не превышает 0,65, а КПД достигает 85 %.
Для размагничивания сердечника трансформатора во время паузы часто применяют размагничивающие обмотки, замкнутые на источник питания или на нагрузку. По существу схемы таких преобразователей представляют собой комбинации схем, показанных на рисунке 1. В таких схемах энергия от первичного источника передается в нагрузку во время замкнутого состояния силового транзисторного ключа, а при его размыкании энергия, накопленная в трансформаторе частично или полностью возвращается через размагничивающую обмотку в первичный источник питания или передается в нагрузку. При этом обеспечивается размагничивание магнитопровода до остаточной индукции. Эти схемы достаточно хорошо известны и успешно применяются в источниках вторичного электропитания. Они более надежны и не требуют точного учета паразитных параметров, что является достаточно сложной задачей, а иногда и просто невозможно. В наших работах приводятся результаты исследования таких преобразователей мощностью до 500 Вт и более.
Рис. 2.
Во всех рассмотренных выше случаях обеспечивается перемагничивание сердечника трансформатора по однополярным частным гистерезисным циклам. Это приводит к существенному увеличению массы и габаритов трансформаторов и ИПН в целом. Кроме того, режим однополярного перемагничивания ограничивает коэффициент 1рансформации и уровень выходных мощностей ИПН при заданном ряде типоразмеров сердечников.
Устранение этих недостатков возможно при обеспечении двухполярного перемагничивания сердечников трансформаторов. Для обеспечения такого режима необходимо использовать некоторую энергию, которая должна поступать в сердечник трансформатора при выключенном транзисторе. Эту энергию можно запасти при включенном транзисторе в специальном емкостном накопителе, но наиболее перспективными являются схемы преобразователей, в которых для перемагничивания сердечника трансформатора используется часть энергии дросселя фильтра. Достигается это тем, что в трансформатор вводится цепь его принудительного перемагничивания, включенная последовательно с выходным дросселем фильтра.
Указанный способ обеспечения двухполярного перемагничивания сердечника трансформатора может быть использован во всех известных схемах однотактных преобразователей с размагничивающими цепями (например, размагничивающей обмоткой \УЗ) за счет перемагничивания сердечника трансформатора через дополнитель-
ную обмотку W4, которая может быть выполнена самостоятельной (рис. 2, а) или совмещенной (рис. 2, б).
Все схемы однотактных ИПН могут быть положены в основу построения сдвоенных структур, представляющих собой два однотактных преобразователя, работающих в режиме противофазного управления на общую нагрузку. Введение в однотактный сдвоенный преобразователь цепей взаимного перемагничивания силовых трансформаторов позволяет значительно повысить удельные характеристики ИПН. По своим массогаба-ритным и энергетическим показателям сдвоенные однотактные ИПН подобны двухтактным и превосходят некоторые из них. Кроме того, более эффективные магнитопро-воды с небольшими размерами способствуют значительному увеличению КПД.
Значительные улучшения различных характеристик ИПН, особенно в области рабочих частот 250 кГц и более дает применение наряду с обратной связью по напряжению дополнительной обратной связи по току первичной обмотки силового трансформатора. При этом обеспечивается параметрическая компенсация отклонения входного напряжения и ограничение тока силового ключа в каждом рабочем цикле. Повышается собственная устойчивость системы, упрощается частотная коррекция всего контура обратной связи и уменьшается время реакции контура как при малых, так и при больших токах нагрузки. Упрощается также процесс параллельного распределения токов в преобразовательных ячейках многозвенных преобразователях постоянного напряжения, что позволяет разрабатывать ИПН на базе однотактных преобразователей мощностью несколько кВт.
В импульсных преобразователях постоянного наггряжения в качестве силовых ключей используются биполярные и полевые транзисторы или силовые транзисторные модули.
Силовые модули получили свое активное развитие в связи с увеличением мощности силовых устройств и нашли свое применение в схемах, в которых использование дискретных элементов было неприемлемо из-за их недостаточной мощности либо сложности реализации самой схемы на дискретных элементах. Использование силовых модулей позволило уменьшить массу и габариты устройств преобразовательной техники и повысить их КПД.
В большинстве случаев силовой модуль состоит из транзисторов MOSFET или IGBT и силовых высокочастотных диодов.
В настоящее время промышленность располагает широкой номенклатурой дискретных силовых элементов, разработанных с применением современных технологий производства полупроводниковых кристаллов и их корпусирования.
Характеристики силовых высокочастотных диодов и транзисторов приведены в литературе. Анализ этих данных показывает, что при широком диапазоне токов (от 3 до 10000 А), достаточном для применения в мощных преобразователях электроэнергии, максимальное обратное напряжение достигает 600 В и более (от 200 до 3000 В), что позволяет использовать такие диоды и транзисторы не только в ИПН, но и в схемах выпрямителей и инверторов при напряжении однофазных и трехфазных цепей переменного тока 380 В.
Как известно, применение полностью управляемых ключей позволяет применять законы управления с различными вариантами широтно-импульсной модуляции и получать более качественную работу преобразователя. В качестве таких ключей принципиально можно использовать мощные биполярные транзисторы в ключевом режиме, полевые транзисторы MOSFET и биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. На рис.3 приведено качественное сравнение основных свойств указанных типов приборов.
Из рис. 3 следует, что в мощных преобразователях электроэнергии преимущества имеют транзисторы IGBT, при низких напряжениях питания конкуренцию им могут составить MOSFET.
Биполярные транзисторы уже давно используются в импульсных источниках электропитания. При этом они работают в ключевом режиме, находясь попеременно в двух состояниях: насыщения и отсечки. Чем сильнее будет насыщен транзистор, тем меньшее напряжение коллектор-эмиттер удается получить, тем меньше будут тепловые потери и выше КПД.
МС^ЕТ
НИЗКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
(<гое
биполярный
- Очень малое
- Очень высокая частота (до 500 кГц)
• Контролируемое напряжение затвора - лепсо управляем
- Малые потери при ВЮ1 • Высокая частота (до 100 кГц) при малых токах
- Сложное управление
- Потерн при ВКЛ много меньше, чем у МОБЯЕТ
- Средняя частота (до 20 кГц)
- Контролируемое напряженке затвора - легко управляем
Рис. 3.
Однако чрезмерное насыщение чревато большой неприятностью - в таком состоянии база транзистора накапливает большое количество неосновных носителей, которые задерживают выключение транзистора. Выключить транзистор, т. е. перевести его в режим отсечки можно приложением между базой и эмиттером обратного напряжения, в результате чего ток базы меняет свое направление. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе, ток не меняет своего значения. Это время называется временем рассасывания. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы. В течение времени рассасывания транзистор остается открытым и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы, и заканчиваются они почти одновременно. Для ускорения рассасывания в базу, как уже отмечалось выше, иногда полают обратный закрывающий ток. Однако прикладывать к базе обратное напряжение опасно, так как может произойти пробой перехода эмиттер-база.
Если к базе транзистора в процессе запирания не прикладывать обратное напряжение, а просто замыкать базу на эмиттер, то такое запирание, в отличие от рассмотренного активного, называется пассивным. При пассивном запирании время рассасывания увеличивается, но этот режим не требует для своей реализации дополнительных элементов и поэтому достаточно широко используется в импульсной силовой схемотехнике.
При включении транзистора (когда он переводится из режима отсечки в состояние насыщения) ток коллектора достигает установившегося значения не сразу после подачи тока в базу, а спустя некоторое время задержки, после чего коллекторный ток плавно нарастает.
Коммутационные процессы в транзисторе очень важны, так как определяют динамические потери при его переключении. Слишком большие активные потери могут перегреть транзистор, и он выйдет из строя. Кроме того, эти потери существенно уменьшают КПД устройства.
В мощных импульсных источниках питания в ключевых цепях необходимо иметь токи, которые невозможно обеспечить одним транзистором. Тогда используется па-
раллельное включение транзисторов, при этом общий ток распределяется между отдельными транзисторами. Особенностью биполярных транзисторов является то, что невозможно параллельно соединить их электроды, необходимо обязательно включать в эмиттерные цепи небольшие резисторы, выравнивающие токи. Необходимо отметить, однако, что на выравнивающих резисторах рассеивается дополнительная мощность, которая снижает КПД преобразователя.
В настоящее время биполярные транзисторы используются в мощных импульсных преобразовательных устройствах все реже и реже. Их место активно занимают полевые транзисторы МОБЕЕТ и комбинированные транзисторы ЮВТ, имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.
Для достижения высокой удельной мощности ИПН требуется также улучшение конструкции силовых магнитных элементов. В первую очередь это касается трансформатора.
Применение новых типов магнитных материалов для изготовления сердечников трансформаторов и их полное использование может довести до минимума объем феррита и число витков в обмотках. Благодаря применению бескаркасных обмоток с плоскостным проводом устраняются промежутки, свойственные круглым проводам, что приводит к увеличению коэффициента заполнения медью более, чем в полтора раза (с 50 % до 80 %). Плоскостные проводники также уменьшают потери от высокочастотной составляющей переменного тока, результатом чего является уменьшение межвит-ковой емкости, индуктивности рассеяния "и потерь на гистерезис. С целью лучшего отвода тепла от обмотки трансформатора для его пропитки необходимо применять специальный высокотеплопроводящий компаунд, который выбирается, исходя из его антистатических свойств, высокой удельной теплопроводности и хорошей тепловой совместимости с ферромагнитным материалом.
Исследования, проведенные авторами, показали, что применяя в многозвенных структурах однотактные ИПН с двухполярным перемагничиванием магнитопровода трансформатора и используя современные полупроводники и ферромагнитные материалы, можно разработать преобразователь постоянного напряжения с выходной мощностью до 10 кВт и КПД до 90 %.
IMPROVING METHODS OF POWER AND CLEARANCE PARAMETERS OF CONSTANT VOLTAGE CONVERTERS
V. V. Alexandrov, T. TV. Gusakova
Some solutions used by development engineers at the creation of modern sources of secondary power supplies on the basis of high-frequency pulsing converters of constant voltage are observed.
