автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование и оптимизация коммутационных процессов в транзисторных источниках питания с промежуточным звеном высокой частоты для электротехнологических установок

На правах рукописи

РГБ ОД

| I) Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРАНЗИСТОРНЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность: 05.09.03 - электротехнические комплексы

и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственно^ электротехническом университете им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Дзлиев С,В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дмитриков В.Ф. , кандидат технических наук, старший научный сотрудник Гуревич С.Г.

Ведущее предприятие - Санкт-Петербургская Государственная академия аэрокосмического приборостроения

Защита соегоится ,/2^199 8 года ъ/^ час. на заседании

диссертационного совета К 063.36.08. Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

года.

Ученый секретарь диссертационного совет .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день во всем мире все больше зребуется специализированных источников питания большой мощности (более 1кВт) с выходом на постоянном токе для различных видов электротехнологий (электрохимия, сварка и т. д.), а также вторичных источников питания для радиоэлектронной аппаратуры. Как правило, источник питания должен обеспечивать глубокое регулирование выходной мощности, либо Стабилизацию выходного параметра при существенном изменении нагрузки. Помимо этого, основные требования, которые предъявляются к таким источникам питания - это высокий КПД во всем диапазоне регулирования, малое влияние на промышленную сеть, а также в ряде случаев особые требования к массо - объемным показателям (вторичные источники питания для радиоэлектронной аппаратуры и мобильные источники питания для элекгротехнологий).

В настоящее время, наиболее перспективным и в полной мере способным удовлетворить эти требования является транзисторный источник питания с промежуточным высокочастопшм преобразователем. В качестве звена высокой частоты в мощных йсточниках питания применяют инвертор напряжения на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) Или полевых транзисторах (MOSFET).

"Изменение выходной мощности источника питания осуществляется за счет регулирования высокочастотного инвертора частотным или широтно -импульсным способами. Регулирование посредством высокочастотного звена повышает динамические свойства системы регулирования источника питания, а также снижает его влияние на сеть. ,

Одним из основных факторов, который влияет на КПД инвертора, является мощность потерь в силовых транзисторах инвертора, которая складывается из двух составляющих - коммутационных потерь и потерь от прямой проводимости транзистора. Потери от прямой проводимости можно уменьшить, используя IGBT с низким падением напряжения (у MOSFET -прибора падение напряжения, как правило, значительно выше). Коммутационные потери можно значительно уменьшить за счет обеспечения "мягкой" коммутации силовых транзисторов, то есть коммутации силовых транзисторов либо при нулевом токе, либо при пулевом напряжении.

В резонансном инверторе напряжения "мягкая" коммутация силовых транзисторов обеспечивается при индуктивной расстройке резонансного контура в достаточно широком диапазоне частотного или широтно -импульсного регулирования выходной мощности. В то же время наличие в цепи силового тока элементов резонансного контура, на котором происходит раскачка реактивной мощности (напряжения), повышает установленную

мощность и ухудшает массо - габаритные показатели источника питания в целом.

В нерезонансном инверторе напряжения "мягкая" коммутация силовых транзисторов происходит только в очень узком диапазоне регулирования выходной мощности, что не позволяет достичь высокого КПД таких преобразователей, работающих на реальную нагрузку, без специальных мер. Эффективным способом, позволяющим обеспечить "мягкую" коммутацию силовых транзисторов при глубоком широтно - импульсном регулировании выходной мощности, является использование вспомогательных маломощных демпфирующих цепей. Однако известные вспомогательные цепи, в том числе активные демпфирующие цепи (АДЦ), либо не позволяют в полной мере обеспечить мягкую коммутацию силовых транзисторов, либо сами имеют значительные потери мощности.

Поэтому актуальной проблемой является разработка вспомогательных цепей для нерезонансных инверторов напряжения с широтно - импульсным регулировашем, которые обеспечивали бы "мягкую" коммутацию силовых транзисторов инвертора в широком диапазоне регулирования выходной мощности при незначительных потерях во вспомогательных цепях.

Цель настоящей работы состояла в разработке схемных решений и алгоритмов управления, обеспечивающих улучшение энергетических и массо габаритных показателей транзисторных источников питания с промежуточным звеном высокой частоты за счет оптимизации коммутационных процессов силовых транзисторов.

В работе решались следующие задачи:

1. Разработка АДЦ для силового транзисторного ключа, обеспечивающей мягкую коммутацию силового транзистора, то есть включение и выключение при нулевом напряжении.

2. Моделирование и оптимизация параметров АДЦ, работающей совместно с силовым транзистором, а также оптимизация алгоритма совместного управления силовым транзистором и вспомогательным транзистором АДЦ.

3. Разработка, изготовление и экспериментальное исследование макета силового транзисторного ключа с АДЦ для проверки результатов моделирования.

4. Моделирование, исследование и оптимизация коммутационных процессов силовых и вспомогательных транзисторов в источнике питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром для электрохимии.

5. Разработка, изготовление и экспериментальное исследование транзисторного источника питания для электрохимии, а также испытания ею в технологическом процессе.

Методы исследования. Исследование и оптимизация различных схем транзисторного ключа с АДЦ, а также различных схем инверторов напряжения было проведено с помощью численного моделирования. Результаты моделирования подтверждены экспериментально на макете силового транзисторного ключа с АДЦ и на транзисторном источнике питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ для электрохимии.

Научная новизна.

1.Разработана новая схема АДЦ, обеспечивающая "мягкую" коммутацию силовых транзисторов в нерезонансном инверторе напряжения с широтно - импульсным регулированием в широком диапазоне регулирования. Основным отличием предложенной АДЦ от существующих является обеспечение "мягкой" коммутации вспомогательного транзистора АДЦ.

2.Создана модель источника питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим выходным трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром.

3.Предложена методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения, а также алгоритм совместного управления силовыми транзисторами инвертора и вспомогательными транзисторами АДЦ.

4.Получены расчетные регулировочные характеристики источника питания с нерезонансным полумоствым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим выходным трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром, подтверждающие эффективность использования АДЦ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Способ обеспечения "мягкой" коммутации силовых транзисторов в нерезонансном полумостовом инверторе напряжения с широтно-импульсным регулированием выходной мощности за счет применения АДЦ,

- работающих совместно с силовыми транзисторами инвертора.

2. Модели силового транзисторного ключа с АДЦ и нерезонансного полумостового инвертора напряжения с АДЦ.

3. Методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения, разработанная на основе исследований и оптимизации на моделях.

4. Оптимальный алгоритм совместного управления силовыми транзисторами инвертора и вспомогательными транзисторами АДЦ.

5. Регулировочные характеристики нерезонансного полумостового инвертора напряжения с АДЦ, согласующим трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром.

6. Экспериментальные характеристики нерезонансного полумостоаого инвертора напряжения с АДЦ.

Практическая пенность.

1.Предложена новая схема АДЦ, которая обеспечивает "мягкую" коммутацию силовых транзисторов в нерезонансном инверторе напряжения, что позволяет увеличить их нагрузочную способность, а также значительно расширить частотный диапазон применения ЮВТ в качестве силовых ключей.

2.Предложена методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения. При данных параметрах обеспечивается "мягкая" коммутация силовых транзисторов инвертора, а также вспомогательных транзисторов АДЦ.

3 .Разработана модель источника питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, выходным согласующим трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром, позволяющая уточнить параметры элементов при проектировании.

4.Разработан и испытан источник питания для электрохимии, в качестве звена высокой частоты которого использован нерезонансный полумостовой инвертор напряжения с АДЦ.

Внедрение результатов. Разработанный источник питания для электрохимии использован при проведении лабораторных работ по теме "Высокочастотные транзисторные генераторы" в рамках интенсивного курса подготовки преподавателей Российских университетов, проводимого в СПбГЭТУ в рамках Европейского Проекта ТЕМРШЯАОЗ Т_ЕЛ> - 10021 -95.

Источник питания успешно прошел испытания на технологическую нагрузку. 1

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава кафедры ЭТПТ СПбГЭТУ (1995+1997).

Публикации по теме диссертации. По теме работы опубликовано 3 печатные работы, в том числе 1 свидетельство на полезную модель и 2 статьи в сборниках СПбГЭТУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит га введения, четырех гл;ш, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 131 страницах машинописного текста. Работа содержит 73 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и задачи, связанные с ее достижением, перечислены основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены различные виды электрохимических технологий, для которых требуются источники питания с выходом на постоянном токе. По принципу токового обеспечения электрохимические процессы можно разделить на три группы: с постепенным (плавным или ступенчатым) увеличением плотности тока; с постоянной плотностью тока; со скачком плотности тока в начале электрохимического процесса. Таким образом, источники питания для электрохимических технологий должны обеспечивать глубокое регулирование выходной мощности. Помимо этого, при проектировании источников питания должны также учитываться общие требования, такие как высокий КПД, минимальные масса и габаритные размеры, электромагнитная совместимость.

В настоящее время наиболее перспективными являются транзисторные источники питания со звеном высокой частоты, имеющие высокие показатели.

В этой главе рассмотрены основные схемы транзисторных инверторов большой мощности, применяемых в качестве звена высокой частоты в источниках вторичного питания и в источниках питания для различных электротехнологических установок, методы регулирования выходной мощности, а также способы обеспечения высокого КПД таких инверторов. Кроме того, рассмотрены особенности использования мощных транзисторов, применяемых в качестве силовых ключей инвертора.

"Элементная база, производимая ведущими фирмами мира, такими как Siemens, International Rectifier, Motorola, EXYS Corporation, Advanced Power Technology и др., позволяет в настоящее "время разрабатывать транзисторные источники питания мощностью до 1000кВт и выше. Наиболее перспективными ключевыми силовыми полупроводниковыми приборами для инверторов, на сегодняшний день, являются биполярный транзистор с изолированным затвором (1GBT) и полевой транзистор (MOSFET). Основное достоинство этих транзисторов - полная управляемость, малые потери мощности на управление, а также высокое быстродействие при значительной мощности приборов. Выходная мощность источников питания с инвертором на ÏGBT приборах может достигать 1000кВт при частоте до 50 кГц, а на MOSFET приборах нескольких сотен кВт при частоте до 1МГц.

Потери мощности в силовых транзисторах инвертора, складывающиеся из Потерь прямой проводимости и коммутационных потерь, зависят от характеристик прибора и от режима его работы. Основными характеристиками силовых транзисторов, которые влияют на мощность потерь в нем, являются прямое падение напряжения при заданном токе н времена включения и выключения. Первое определяет потери прямой проводимости, а второе - коммутационные потери. Использование прйбороэ с лучшими характеристиками позволяет снизить потери в шгс. Другой путь уменьшения коммутационных потерь силовых транзисторов - обеспечение их

мягкой коммутации, то есть коммутации или при нулевом токе или при нулевом напряжении. Меньшими потерями прямой проводимости обладают ЮВТ, но частотные свойства у них хуже, чем у MOSFET. Проведенный обзор литературы показал, что для ЮВТ является нерациональным обеспечение "мягкой" коммутации на частотах переключения выше 50ч-100кГц.

В транзисторных источниках питания большой мощности в качестве промежуточного звена высокой частоты, как правило, используют мостовые и полумостовые инверторы напряжения, либо резонансные с широтно -импульсным или частотным регулированием, либо нерезонансные с широтно

- импульсным регулированием.

В резонансном инверторе напряжения широкий диапазон регулирования выходной мощности достигается за счет установки вспомогательных силовых элементов (резонансных конденсатора и катушки индуктивности), что повышает установленную мощность и ухудшает массо -габаритные показатели источника питания в целом. При этом "мягкая" коммутация силовых транзисторов при глубоком регулировании происходит при индуктивной расстройке резонансного контура при условии установки параллельно каждому силовому транзистору демпфирующего конденсатора для уменьшения скорости нарастания напряжения при выключении.

В нерезонансном полумостовом инверторе напряжения с широтно -импульсным регулированием "мягкая" коммутация силовых транзисторов происходит только в очень узком диапазоне регулирования выходной мощности, то есть при минимальной паузе ь импульсах управления. В нерезонансном мостоЬом инверторе напряжения при использовании широтно

- импульсного фазового регулирования можно несколько расширить диапазон регулирования выходкой мощности при сохранении условий "мягкой" коммутации (не более 20% от номинальной мощности).

"Мягкая" коммутация силовых транзисторов при глубоком широтно -импульсном регулировании выходной мощности обеспечивается вспомогательными маломощными цепями. Однако известные вспомогательные цепи, в том числе АДЦ, либо не позволяют в полной мере обеспечить мягкую коммутацию силовых транзисторов, либо имеют значительные потери мощности.

В целом, можно отметить, что нерезонансные инверторы напряжения являются более перспективными, чем резонансные, так как не требует установка дополнительных реактивных элементов для регулирования, что особенно важно при повышении мощности источника питания, а "мягкая" коммутация силовых транзисторов достигается установкой маломощных вспомогательных демпфирующих цепей.

Наиболее важными задачами совершенствования источников питания, в которых в качестве звена высокой частоты используются транзисторные нерезонансные инверторы напряжения, являются задачи оптимизации

коммутационных процессов силовых ключей инвертора в широком диапазоне регулирования, разработка смешанной ячейки силовой транзистор -вспомогательная цепь и алг оритма управления.

Во второй главе подробно рассмотрены различные демпфирующие цепи, работающие совместно с силовым транзисторным ключом. Обзор литературы и моделирование показали, что существующие схемы пассивных демпфирующих цепей способны уменьшить коммутационные потери только на выключение, увеличивая при этом коммутационные потери на включение силового транзистора, причем КПД таких цепей не превышает 70%. Известные схемы АДЦ позволяют обеспечить "мягкую" коммутацию силового транзистора практически полностью, однако их существенными недостатками являются большие коммутационные потери и сложная система управления силовым и вспомогательным транзисторами из-за разных потенциалов истоков транзисторов. Все это, делает актуальной задачу совершенствования АДЦ.

На рис. 1. представлена схема силового транзисторного ключа с предлагаемой новой АДЦ. Силовая часть схемы состоит из источника ЭДС VI, силового транзистора VI1 и активно - индуктивной нагрузки Ш к 1Л. Диод У01 служит для защиты силового транзистора от перенапряжений при его выключении. Уменьшите скорости нарастания напряжения на силовом транзисторе УТ1 при его выключении, а, следовательно, уменьшение коммутационных потерь на выключение, достигается за счет установки демпфирующего кондепсатора С1 параллельно силовому транзистору. Для включения силового транзистора УТ1 при нулевом напряжении (для обеспечения нулевых коммутационных потерь включения), используется вспомогательный транзистор УТ2 и ряд вспомогательных элементов Ь2, \ЛЭ2, С2, УОЗ АДЦ. В качестве вспомогательного транзистора желательно использовать МОБРЕТ- прибор, так как он обладает высоким быстродействием. Для рекуперации энергии, накопленной в демпфирующем конденсаторе, используется повышающий трансформатор Т1 с диодом УШ, который включен последовательно со вторичной обмоткой трансформатора. Передача энергии, запасенной в демпфирующем конденсаторе, в источник питания происходит в два этапа. Сначала эта энергия передается во вспомогательный конденсатор С2, а затем через импульсный трансформатор Т1 и диод УБ4 возвращается в источник питания.

Как видно из рис. 2., до подачи импульса управления на включение силового транзистора УТ1 подается импульс управления на включение вспомогательного транзистора УГ2 АДЦ.

За время 11 демпфирующий конденсатор С1, а также паразитная емкость сток-исток силового транзистора разряжаются до нуля п ток з 12, начинает протекать через обратный диод силового транзистора, заряжая при этом вспомогательный конденсатор С2. Во время протекания тока через

обратный диод силового транзистора \ГГ1 подается импульс управления на его включение, и, тем самым, обеспечиваются нулевые коммутационные потери включения в нем. Время Й, по истечении которого снимается импульс управления со вспомогательного транзистора УТ2, определяется временем спада до нуля тока, текущего через индуктивность Ь2, а также скоростью передачи энергии, запасенной в конденсаторе С2, через трансформатор Т1 и диод У04 обратно в источник питания. Предлагаемая АДЦ не требует точной регулировки времени \2 из-за существенного интервала времени, когда ток вспомогательного транзистора равен нулю. Это время определяется скоростью разряда конденсатора С2 до нуля.

На основе схемы, показанной на рис.1., была создана модель силового транзисторного ключа с АДЦ для программы Рэрке.

Импульсы управления \Т1 • Импульсы управления УТ2 И Т

\т УТ1

1 1 1 1 т I 1 1 1 1 ; 1

1 ! -УГ2

12 И 12 1

Рис.2. Импульсы управления силовым и вспомогательным транзисторами

Для качественного исследования модели все диоды были заменены идеальными резистивными ключами, а трансформатор Т1 представлен в виде линейной модели с рассеянием. Исследование и оптимизация параметров предлагаемой схемы на созданной модели позволило выработать методику расчета параметров элементов АДЦ. В качестве критерия оптимальности была выбрана мощность потерь во вспомогательном транзисторе АДЦ, а в качестве ограничений - необходимость соблюдения условий "мягкой" коммутации для силового транзистора и вспомогательного транзистора АДЦ.

Исходными данными для расчета параметров АДЦ являются частота переключения силового транзистора /„ер, напряжете источника питания У1=и<з, ток, текущий через силовой транзистор в момент его выключения 1м и время выключения силового транзистора Ъ^^ся^г (берется из справочных данных на транзистор).

Методика расчета параметров АДЦ:

1. Емкость демпфирующего конденсатора С1 определяется из условия снижения мощности коммутационных потерь по формуле

= - для МОББЕТ

С1" з-и<+ - -яЮВТ.

где к- коэффициент снижения мощности коммутационных погерь выключения в силовом транзисторе УТ1. На основе проведенных исследований можно рекомендовать выбирать к=8-г10. Выбор большего значения к приводит к неоправданному увеличению реактивной энергии проходящей через АДЦ.

Максимальное напряжение, прикладываемое к С1 Уситах)= Щ

Разница в формулах определения С1 для МОЭРЕТ и ЮВТ связана с различием процессов выключения транзисторов.

2. Емкость вспомогательного конденсатора С2

С2=(0.9-г1.1)-С1

Максимальное напряжение, прикладываемое к С2, иса<тсх)=иа.

3. Индуктивность Ь2 определяется го условия требуемой скорости разряда демпфирующего конденсатора С1 по формуле

=__________ (0.1-Т-0.15)2_

4. Параметры импульсного трансформатора Т1

ЬЗ=<10-г30)Ь2 Ь4=4-Ь3

где ЬЗ и Ь4 - собственные индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора Т1.

Коэффициент связи обмоток трансформатора Т11^=0.98^0.99

5. Транзистор УТ2 (МОБРЕТ) следует выбирать исходя ш максимального импульсного тока по формуле

I «I__13"иа

V см

С2

и максимального напряжения сток - истока иут2(ши)=1 ^Ца.

При ЭТОМ ДОЛЖНЫ ВЫПОЛНЯТЬСЯ соотношения 1ом< 1\Т2(тах) и иш<и\Т2(шдх)-

6.Диоды У02+У04 следует выбирать так, чтобы. Ьм^Ь^тм) и иропах)^ .5'11(1.

Предлагаемая методика справедлива при незначительном нарастании тока в цепи нагрузки Иц (не более 10% от номинального тока) за время 11.

Для проверки результатов моделирования и методики расчета был создан макет силового транзисторного ключа с АДЦ, питающийся от однофазного сетевого выпрямителя с емкостным фильтром, мощностью Рн=1кВт с частотой переключения силового транзистора /1ср=66кГц, в котором в качестве силового и вспомогательного транзисторов использовались МОБРЕТ П1РВС40 (УПз=600В, 1П=6.2А). Исследование на макете показало, что для обеспечения "мягкой" коммутации силового и вспомогательного транзисторов, а также высокого КПД АДЦ в целом, необходимо использовать быстродействующие диоды 100 нс) и импульсный трансформатор с малыми потерями на перемагничивание (например, с сердечником на феррите 1000НМЗ). При соблюдении этих условий погрешность расчета по предложенной методике не превышает 5%. Полученные при моделировании зависимости показали, что предложенная схема мало чувствительна к разбросу параметров элементов (для отдельных элементов разброс может достигать 50%), что является несомненным достоинством предлагаемой схемы АДЦ.

В третьей главе рассмотрены режимы работы полумостового нерезонансного инвертора напряжения без АДЦ с широтно - импульсным регулированием выходной мощности, работающего на различные виды нагрузки: активно-индуктивную последовательную цепь, а также на нагрузочную цепь, включающую выходной согласующий трансформатор, выпрямитель, индуктивный фильтр и резпсгивный эквивалент нагрузки. Было выяснено, что для этих видов нагрузки условия "мягкой" коммутации

(включение и выключение при нулевом напряжении) сохраняются только в очень узком диапазоне регулирования выходной мощности. Это связано с тем, что при увеличении паузы между импульсами управления ток, текущий через обратный диод одного из силовых транзисторов перед его в!шючением, спадает до нуля раньше подачи на него импульса управления и включение происходит при ненулевом напряжении. Еще более ухудшаются условия включения силовых транзисторов при установке параллельно каждому из них демпфирующего конденсатора, для уменьшения скорости нарастания напряжения на транзисторах при их выключении, так как в этом случае конденсаторы будут разряжаться (заряжаться) через силовой транзисгор в момент включения. Таким образом, проведенные расчеты показали, что нерезонансный полумостовой инвертор напряжения без вспомогательных цепей может работать в режиме "мягкой" коммутации силовых транзисторов практически только без регулирования или с регулированием по входу, что усложняет как силовую часть, так и систему управления. Сделанный вывод справедлив и для мостовых нерезонансных инверторов напряжения.

Для исследования коммутационных процессов в нерезонансном инверторе напряжения с предложенной АДЦ и определения эффективности применения такой АДЦ разработана расчетная схема (рис, 3.) для программы Pspice.

Силовая часть схемы состоит из источника ЭДС Vj, силовых транзисторов XI и Х2 (IGBT), конденсаторов С1 и С2, сопротивлений утечки конденсаторов Rcl и Rc2, дросселя насыщения Ldr, выходного согласующего трансформатора Т1, диодов выпрямителя D1 и D2, индуктивного фильтра и резнстивного эквивалента электрохимической нагрузки R;;.

Каждая АДЦ содержит демпфирующий конденсатор Csi (С^), транзистор (MOSFET) МИ (М21), конденсатор Сц (C2i), индуктивность Ьц (L21) и диода D12 (D22) и D13 (D23). Для рекуперации энергии, накошенной в демпфирующих конденсаторах обоих АДЦ, используется повышающий трансформатор Т2 с диодом D30, который включен последовательно со вторичной обмоткой трансформатора TL Управление силовыми XI (Х2) и вспомогательными Mil (М21) транзисторами осуществляется источниками пульсирующего напряжения V}| (Vy2) и Vyn (Vy2i).

Между стоками силовых транзисторов XI и Х2 и демпфирующими конденсаторами Csi и Cs2 установлены дополнительные диоды Dn и D2i, соответственно. Наличие этих диодов позволяет обеспечить постоянное значение напряжения на демпфирующем конденсаторе перед включением вспомогательного транзистора, независимо от режима работы силовой схемы. Без дополнительных диодов Dn и D21 напряжения на демпфирующих конденсаторах перед включением транзисторов меняется при регулировании, что не позволяет оптимально настроить АДЦ.

Рис. 3. Расчетная схема нерезонансного полумосгового инвертора напряжения с активной демпфирующей цепью, согласующим трансформатором, выпрямителем н индуктивным фильтром

В силовую часть схемы нерезонансного полумостового инвертора введен насыщающийся дроссель La,. Он необходим для того, чтобы на время включенного состояния вспомогательного транзистора до момента включения силового транзистора ток в силовой цепи был заблокирован или ограничен на достаточно низком уровне, чтобы не перегружать АДЦ.

В данной схеме стадии рабочего цикла АДЦ полностью соответствуют рассмотренным выше, а параметры АДЦ могут быть рассчитаны по полученным там же соотношениям.

Для оценки эффективности предложенной АДЦ проведены исследования на моделях полумостового инвертора напряжения с АДЦ и без АДЦ со следующими параметрами: максимальная мощность в нагрузке Рн(шах)=2кВт, частота переключения транзисторов ^|ср=66кГц, напряжение питания Ud=300B, выходные напряжение UB!„.,mm=15B и ток 1вых гюм^ЮОА.

Параметры схемы:

-силовая часть: Vd=300B, С,=С2=0.45мкФ, Rci=Rc2=510kOm, Ryi=Ry2=3.30m, Vyl=Vy2={0-15)B, XI и Х2 - IRFBC30UD2 (IGBT), L4=350mkTh, Ь5=Ц=9мкГн, kcb(tir0.98, U (/=53.21-10'3м, S=36.7-10"6m2, w=6bhtkob, марка феррита - 1500НМ), Ьи=5мкГн, Rh=:150mOm, Dl и D2-идеальные резистивные ключи.

-активные демпфирующие цепи: Csi=Cs2=10h<E>, Сц=С2г=10нФ, Ьц=Ь21=10мкГн, Li=L2=300mkTh, Ьз=1.2мГн, кохт2)=0-98, Rvn=Ry2i=10m, Vyn=Vy2K0-15)B, Mil и М21 -IRFBC40 (MOSFET), Dil, D12, D13, D21, D22, D23, D3Q- идеальные резистивные ключи.

В качестве силовых транзисторов для обеих схем были выбраны IGBT фирмы International Rectifier - IRGBC30UD2 (VCE=600B, Тс=23 А). Несмотря на го, что это сверхбыстрые IGBT, эти приборы можно использовать при частоте переключения / 1Кр=ббкГц без обеспечения "мягкой" коммутации на действующий ток 3-ь5А (из справочных данных). Такое значительное снижение допустимой загрузки прибора по току связано с большими коммутационными потерями в приборе на этой частоте. Моделирование такого инвертора показало, что .предложенные меры по уменьшению коммутационных потерь позволяют эффективно использовать IGBT в полумостовом нерезонапспои инверторе напряжения, работающем на частоте до 66-гЮОкГц, что повышает КПД такого инвертора в целом. При этом потери мощности в обоих силовых транзисторах полумостового инвертора напряжения с АДЦ не превышают 2^3% от выходной мощности инвертора, что приблизительно в 1.84-2 раза меньше, чем для такого же инвертора без АДЦ. Потери мощности в АДЦ цепи не превышают 0.2-г0.4% от выходной мощности инвертора при использовании в качестве вспомога тельных транзисторов MOSFET приборов на ток O.HfWM силового транзистор;;.

Четвертая гласа посвящена экспериментальному исследованию процессов коммутации транзисторов инвертора в источнике питания с

выходом на постоянном токе для установки производства гипохлорита, в котором в качестве звена высокой частоты использован полумостовой нерезонансный инвертор напряжения с предложенными АДЦ.

Источник питания с выходом на постоянном токе имеет следующие основные характеристики: максимальная выходная мощность Рц(таХ)=2кВт, частота переключения силовых транзисторов инвертора =66кГц, выходной номинальный ток нагрузки 1н=Ю0А, выходное номинальное напряжение иц=15В. Габаритные размеры источника питания 480x265x160 при массе 5 кг и КПД » 89%. При этом масса платы вспомогательных АДЦ 0.2 кг.

Силовая часть схемы источника питания, а также значения элементов, практически полностью соответствуют схеме, показанной на рис. 3. Питание инвертора производится от однофазного выпрямителя с емкостным фильтром.

Исследование процессов коммутации силовых и вспомогательных транзисторов АДЦ в источнике питания при глубоком . регулировании выходной мощности полностью подтвердили результаты моделирования приведенные в главе 3. На рис. 4. показаны временные диаграммы напряжения коллектор - эмиттер и затвор - эмиттер силового транзистора, поученные при моделировании с помощью программы Рвргсе, а на рис. 5. осциллограммы этих же напряжений полученные при экспериментальном исследовании источника питания.

Как видно из этих рисунков, напряжение затвор - эмиттер силового транзистора начинает возрастать только тогда, когда напряжение эмитгер-коллекгор силового транзистора достигает нуля, то есть на силовой транзистор подается импульс управления, когда через его обратный диод уже течет ток. Запирание силового транзистора происходит при незначительном напряжении коллектор - эмиттер, рост которого задерживается демпфирующим конденсаторам, то есть напряжение затвор - эмиттер спадает до нуля, когда напряжение коллектор - эмиттер еще незначительно выросло. На рисунках также хорошо видно, что во время паузы в импульсах управления силовыми транзисторами (оба транзистора выключены) наблюдаются затухающие колебания напряжения коллектор - эмиттер силового транзистора. Значительно более быстрое затухание колебаний напряжения на осциллограмме связано с наличием потерь в выходном согласующем трансформаторе, который моделировался без учета этих потерь.

Сравнение результатов моделирования с результатами, полученными экспериментально показало, что погрешность оценки на модели интервала времени, когда вспомогательный транзистор может быть выключен без потерь, не превыаюет 10%.

JK3, В изэ, В 400 1 20т

200

-100 -5+--------г...........г—7------г-----------г-----------г-----i t, МКС

169 172 176 180 184 188 Рис.4. Расчетные временные диаграммы напряжения коллектор - эмиттер (а) и затвор - эмиттер (б) силового транзистора

■к

г \ • :

Л?

Г'' .' "

Рис. 5. Осциллограммы напряжений коллектор- эмиттер (а) и затвор -эмиттер (б) силового транзистора (1дел. по гориз = 2мкс, 1дел. по верт. = 100В - для напряжения (а), 1дел. по верт. = 5В - для напряжения (б))

Погрешность в скорости нарастания напряжения при выключении силового транзистора, а также скорости нарастания тока при включении вспомогательного транзистора не превышают 5%.

Таким образом, экспериментально доказано, что применение предложенной АДЦ обеспечива-т условие "мягкой" коммутации для'снловых и вспомогательных транзисторов инвертора при глубоком регулировании выходной мощности, а разработанные модели и методика расчета параметров АДЦ дают достаточно точные для проектирования результаты.

Разработанный источник питания успешно прошел испытания на реальной установке производства гипохлоритл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1 .Предложена новая схема А ЛИ. обеспечивающая "мягкую" коммутацию силовых транзисторов в нерезонансных инверторах напряжения с широтно - импульсным регулированием при глубоком регулировании выходной мощности.

2.Создана модель источника питания с иерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим выходным трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром.

3. На основе проведенных исследований и оптимизации на моделях разработана методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения, а также алгоритм совместного управления силовыми транзисторами инвертора и вспомогательными транзисторами АДЦ. Методика и алгоритм проверенны экспериментально на макете силового транзисторного ключа с АДЦ и на источнике питания с .нерезонансным полумостовым инвертором напряжения.

4.Получены регулировочные характеристики нерезонансного полумостового инвертора напряжения с АДЦ, согласующим выходным трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром, подтверждающие эффективность использования АДЦ, то есть возможность глубокого регулирования при сохранении "мягкой" коммутации транзисторов.

5.Разработан и прошел испытания источник питания для электрохимии, в качестве звена высокой частоты которого использован нерезонансный полумостовой инвертор напряжения с АДЦ, обладающий улучшенными энергетическими и массо-габаритными показателями, а также показавший хорошие эксплуатационные характеристики при работе на реальную нагрузку.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Коммутационные процессы в транзисторных инверторах для индукционного нагрева/ Бондаренко Д.Н., Дзлиев C.B., Патанов Д.А.// Изв. ГЭТУ. - 1996. - Вып. 497. - С.98-110.

2. Силовой транзисторный ключ с активной демпфирующей цепью/ Дзлиев C.B., Патанов Д.А.//' Изв. ГЭТУ. '- 1997. - Вып. 511.- С.25-29.

3.Свидетельство на полезную модель 5296 RU, МКИ 6Н02 Н7.122. Демпфирующая цепь / C.B. Дзлиев, Д.А. Патанов - N96117896; Заявл. 06.09.96; Опубл. 16.10 97, Бюл. N10. - 2с.

Подписано к печати 5.01.98. Формат оО х 84'/]в Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 2,

Издательско - полиграфический центр ГЭТУ 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.