CC BY
10УДК 621.314
В. В. Александров, к. т н., профессор, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ПО МАССЕ ИПН
Рассматриваются вопросы проектирования магнитных элементов импульсных преобразователей напряжения. Приведены расчетные формулы для определения коммутационных потерь и перенапряжения на силовых ключах.
При проектировании импульсных преобразователей напряжения (ИПН) должны быть удовлетворены общие требования, предъявляемые к таким устройствам, и специфические требования, обусловленные особенностями вторичных источников питания (ВИП) и условиями эксплуатации. В целом эти требования могут быть сформулированы как требования рационального использования электротехнических материалов, полупроводниковых приборов и других компонентов аппаратуры с целью получения высокого КПД, малых массы и габаритов при заданных параметрах выходного напряжения.
Решение проблем миниатюризации ИПН означает, что решается задача оптимизации разрабатываемого устройства, за основной показатель качества которого приняты масса или объем. Вопросы оптимального с точки зрения объема проектирования ИПН рассмотрены в литературе. Однако в ряде случаев определяющим является не объем, а масса преобразователя, поэтому в настоящей работе ставится задача оптимизации массы ИПН, причем в пространстве параметров элементов выбранной конкретной схемы, т.е. определяется
Мопт = тт {М(Р,,Р2,... Рп,ЧьЧ2, ••• Чт)} (1)
В общем случае выражение (1) является функционалом не изменяемых в процессе оптимизации характеристик устройства (Рь ... Рп), которые определяются требованиями технического задания, и совокупности параметров элементов и характеристик схемы ИПН, не оговоренных заданием (яь ... qm). Таким образом, при решении (1) заданные характеристики Рь ... Рп должны быть реализованы так, чтобы обеспечить минимум массы преобразователя при некоторой совокупности параметров Я1, ... ят.
В опубликованных работах отмечается, что проблема миниатюризации ИПН решается в полном объеме в том случае, если силовые элементы схемы используются только для силового преобразования электрической энергии и ее передачи в нагрузку, а все функции, связанные с организацией такого преобразования, осуществляются специально выбранными элементами, целями и узлами, составляющими при любой их сложности незначительную часть массы ИПН. При этом оптимальное проектирование ИПН разделяется на два этапа: 1. Оптимизация силовой части схемы преобразователя по критерию минимума массы с учетом ограничений, обусловленных реализуемыми силовой частью функциями. 2. Синтез несиловой части ИПН, реализующей максимальное число функций, обеспечивающих выполнение требований задания к параметрам устройства.
На первом этапе определяются частота коммутации силовых ключей и параметры реактивных элементов выходного фильтра преобразователя, при которых его масса минимальна, а режимы работы соответствуют требованиям технического задания и возможностям применяемых полупроводниковых приборов (транзисторов или тиристоров и диодов). Здесь же производится оптимальный конструктивный расчет маг-
нитных элементов, определение энергетических показателей ИПН и параметров высокочастотных колебаний.
Как известно, масса и габариты мощных ИПН в значительной степени определяется массой и габаритами реактивных элементов силовых частей преобразователей.
Масса конденсатора зависит от его емкости и допустимого напряжения и может быть рассчитана по формуле
где ук - удельная масса конденсатора.
Зависит от предельно допустимого напряжения, от величины емкости конденсатора и его типа и изменяется от 10 до 3 Г/мкФ для конденсаторов К76П-1, К76-3 (и > 250В) и от 0,4 до 0,01 г/мкФ для конденсаторов К50-33, К52-2, ЭТО-1, ЭТО-2 (и < 50В).
Для современной элементной базы характерно то, что удельные массо-габаритные показатели намоточных элементов ниже, чем эти же показатели конденсаторов. В частности, масса накопительного дросселя определяется индуктивностью и током его первичной обмотки и равна
где А - коэффициент, зависящий от материала сердечника и конструкции дросселя. В системе СИ для тороидального сердечника из альсифера ТЧК-55 для однообмоточного дросселя А = 0,303, а для двухобмоточного - А = 0,455.
На рис. 1 приведены зависимости массы накопительных дросселей и выходных конденсаторов ИПН от величин соответственно индуктивности и емкости. Отметим, что масса дросселей для мощных, преобразователей напряжения (мощностью 200 Вт и выше) в низкое постоянное (200 В и меньше) значительно больше массы конденсаторов. Причем это различие увеличивается с ростом мощности ИПН.
Как было показано выше, одной из важнейших характеристик ВИН является уровень пульсаций выходного напряжения, который для прямого ИПН определяется величинами Ь и С, а точнее их произведением, что также отмечается в литературе, чем меньше индуктивность дросселя, тем больше должна быть емкость конденсатора, чтобы обеспечить требуемый уровень 6 ин. На рис. 2. приведены зависимости суммарной массы реактивных элементов силовой части ПН-схемы от величины индуктивности Ь дросселя для преобразователей различной мощности и пульсациях выходного напряжения, составляющих 5% от ин. Как видно из рис. 2, для снижения массы реактивных элементов ИПН (а, следовательно, и в целом ВИП) необходимо применять дроссели возможно меньшей индуктивности. Однако, как показали исследования работы преобразователя с помощью ЭВМ, уменьшение индуктивности дросселя ведет к возрастанию величины емкости конденсатора и, как следствие этого, к увеличению перерегулирования по току и напряжению при включении ИПН. Таким образом, увеличение емкости конденсатора ограничивается предельно допустимыми режимами силовых ТК, а индуктивности дросселя - заданными массо-габаритными показателями ИПН.
При оценке энергетических показателей ИПН необходимо учесть потери в ключевых регуляторах, магнитных элементах и конденсаторах. Эти потери достаточно подробно освещены в литературе, где приводятся выражения для их расчета. В частности, для ПН - схемы потери в насыщенном состоянии в силовом транзисторе ТК равны.
Потери в транзисторах ТК в состоянии отсечки для ПН-схемы определяются выражением
Мк = ук С
(2)
(3)
Р.* = Рн Ь.мх к, {1+[Я» (1 - к,) / 2/Ц2 / 3} / Я,
(4)
Рогс = и„1ко(1-К,)/К:
(5)
Рис. I. Зависимости массы дросселей и конденсаторов от величин индуктивности и емкости
Рис. 2. Зависимости суммарной массы реактивных элементов силовой части ПН-схемы от величины индуктивности накопительного дросселя
Потери в момент переключения слагают из потерь на включение и выключение
P„ep = P„tr,ep/{l+[R„(l-Ks)/2/Lf (6)
Потери в базовой цепи садового транзистора, в рекуперативной диоде и конденсаторе выходного фильтра соответственно равны
РБ = иБЭ15К3 (7)
Р* = Р„ R, (1 - К,){1 + [R„ (1 - К,) / 2/L]2 / 3} / R„ + I„ U, (1 - К,) (8)
Ро - Rc [U„ К, (1 - Ks) / 2/L]2 / 3 (9)
Аналогично определяются потери я в элементах других схем ИПН, расчет потерь в накопительных дросселях и трансформаторах осуществляется по математической модели гистерезиса.
Параметры высокочастотных колебаний, возникающих на полупроводниковых элементах ИПН, можно определить по методике, изложенной в литературе.
Например, максимальное значение высокочастотного колебания на силовом ТК при его запирании для обратного преобразователя определяется выражением
Еы = Е „(1 + NK .) + Itm V(£„ + L2S + N 1 Lc) l(C к + C„ ) (10)
а для прямого ИПН равно
Еы = Е, + 1Ы V(i„ + Lu ) /(С, + Ст„ Тс, + 1 /(С* + С„ ) (П)
В выражениях (10) и (11) L1S, L2s, Lc - соответственно индуктивности рассеяния первичной а вторичной обмоток и паразитная индуктивность обкладок конденсатора; Ск и Стр - паразитная емкости ТК и трансформатора.
Второй этап оптимального проектирования ИПН связан с разработкой схем управления, синтезом корректирующих цепей и устройств, макетированием и отработкой схем преобразователя. Последнее может осуществляться путем исследования математической модели ИПН на ЭВМ.
QUESTIONS OF DESIGNING OPTIMUM ON WEIGHT PULSE VOLTAGE CONVERTERS
V. V. Alexandrov
Questions of designing of magnetic element of pulse voltage converters are examined. Design formulas for definition of switching losses and overvoltage on power keys are taken.
УДК 658.26:621.31
В. В. Александров, к. т. н., профессор.
В. А. Дробилов, доцент, ВГАВТ.
603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР С ФАЗОВОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ НА БАЗЕ ШИМ-КОНТРОЛЛЕРА иС3875Х
В данной статье рассматривается мостовой инвертор на базе ШИМ-контроллера иС3875И. Рассмотрены особенности работы устройства с переключением силовых ключей при нулевом напряжении.
