автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка и исследование высокочастотных источников вторичного электропитания с улучшенными характеристиками

МОСКОВСКИМ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ФРОЛОВ Андрей Николаевич

УДК 821.314.6

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность: 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи

электроэнергии

АВТОРЕФЕРАТ

и*1

диссертации на соискание ученой степени У! ..' кандидата технических наук

Москва - 1990

)

/

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетического института.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент А.Г.Поликарпов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Э.М.Ромаш - кандидат технических наук, с.н.с Ю.К.Захаров

Ведущая организация - Научно-исследовательския институт точного приборостроения

Зашита диссертации состоится •¿ШМ1990г.. в/ь час. на заседании специализированного совета Д 053.16.13 при Московском ордена Ленина и ордена Октябрьской революции энергетическом институте, в аудитории кафедры злектроснабхения промышленных предприятий.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 105835 ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией мохно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан ".

Ученый секретарь специализированного совета Д 053.16.13, к.т.н., доцент {//ГЯ--!, И.Г.БУРЕ

!

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неотъемлемой частью любой радиоэлектронной аппратуры является источник вторичного электропитания С ИВЗП). Его характеристики во многих случаях определяют показатели аппаратуры и ее работоспособность. К сожалению, приходится констатировать тот факт, что доля И8ЭП в обшем объеме аппаратуры, ее массе и ненадежности достаточно велика. Кроме того, производство ИВЗП является одним из самых нетехнологичных и слабо поддающихся автоматизации.

Основным направлением развития и совершенствования ИВЗП является их миниатюризация и децентрализация. При этой, напряжения с требуемыми параметрами и качеством формируются в непосредственной близости от потребителя электроэнергии в аппаратуре. 8 условиях жестких требований к массо-габаритным характеристикам, технологичности, КПД практически единственным устройством, способным удовлетворить все эти требования, является высокочастотный преобразователь постоянного напряжения (ППН).

Вместе с тем, использование ППН не всегда приводит к ожидаемому улучшению характеристик. Это связано с недостатками, присущими импульсным системам преобразования энергии, а именно: высоким уровнем создаваемых радиопомех, их сложностью и напряженным режимом работы полупроводниковых приборов. Указанные обстоятельства осложняются тем, что процессы, происходящие в ППН, недостаточно изучены. Кроме того, существующие базовые схемы регуляторов практически исчерпали свои возможности. Устранение недостатков ППН возможно на пути их схемотехнического совершенствования и повышения рабочей частота. Однако, до сих пор отсутствует единый системный подход к этону вопросу, не сформулированы основные требования, предьявляемые к схеме ППН.

Основополагающей влияние на характеристики ППН оказывают такие их составные части, как магнитные элементы СМЭ) и цепи фильтрации. Традиционное выполнение МЭ не всегда соответствует требованиям, предъявляемым к ним в ППН. Пути улучшения характеристик МЗ, расчета их параметров и специфики применения при работе в ППН исследованы недостаточно полю. Недостаточно исследованы и вопросы снижения влияния паразитных паракетров этих

компонентов на работу всего устройства.

Выполнение цепей фильтрации на основе обычных Ю-фильтров противоречит требованию миниатюризации и исчерпало свои возможности. Вместе с тем, вопросам разработки новых технических I решений фильтров ППН не уделяется достаточного внимания, | отсутствуют методики расчета перспективных схемотехнических ! решений, недостаточно проанализированы их характеристики.

При разработке ППН необходимо решать вопросы, связанные о обеспечением устойчивости замкнутой системы. Это осложняется тем, что ППН в обшей случае относится к классу нелинейных импульсных систем с переменной структурой. Методы исследования таких систем, особенно в случае высокого порядка силовой части, разработаны недостаточно.

Исследования по диссертационной работе выполнялись в рамках научно-исследовательской работы 'Разработка и исследование макетных образцов унифицированных ИВЗП в модульном исполнении для бортовой аппаратуры и перспективных методов их построения" К044Б?00 С« ГР 018?003?562) на кафедре Промышленной злетроники МЭИ.

Яель диссертационной работы - разработка и исследование высокочастотных ИВЭП с улучшенными характеристиками на основе системного подхода при формулировке предъявляемых к ППН требований с последующим удовлетворением этих требований схемотехническим путем, исследование характеристик предложенных решений, развитие методов их анализа и внедрение результатов в промышленность.

Поставленная цель достигается решением следующих задач: обзор и выбор наиболее перспективных методов построения высокочастотных ППН и их составных частей; формулировка требований, предъявляемых к высокочастотным ППН; разработка схемотехнических решений силовой части ■ ППН. удовлетворяющих перечисленным требованиям; анализ основных характеристик разработанного высокочастотного ППН: схемотехническое совершенствование функциональных узлов силовой и несиловой части; исследование путей улучшения характеристик магнитных элементов (МЗ); разработка методов расчета Ю с улучшенными характеристиками; разработка методов снижения влияния паразитных параметров МЗ на работу ППН; разработка цепей фильтрации с улучшенными показателями; исследование характеристик

перспективных цепей фильтрации; разработка методик расчета цепей фильтрации; разработка модифицированного метода усреднения в пространстве состояний и его применение для анализа схем ППН; разработка схем и опытных образцов высокочастотных ИВЗП с улучшенными характеристиками.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались: аналитические методы, принятые в электротехнике и теории электрических цепей; методы теории автоматического регулирования и управления; вычислительная техника и пакеты прикладных программ математического анализа и схемотехнического моделирования; экспериментальная проверка в необходимых случаях полученных выражения и допущений; метод усредненного пространства состояний как объект модификации.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем: сформулирован базис схемотехнических требований, на основании которого разработана схема высокочастотного однотактного ППН; получены аналитические выражения, характеризующие работу магнитно-связанного ППН нового типа в режимах непрерывного СНТЗ и прерывистого СПТ> токов. Показано, что в режиме ПТ данный ППН ведет себя как идеализированный источник тока; на основании рассмотрения режимов работы МЭ установлено, что их характеристики значительно зависят от конфигурации немагнитного зазора и катушки; предложены новые конфигурации немагнитного зазора МЭ и его катушки, обеспечивающие улучшение статических и динамических характеристик, уменьшение внешних магнитных полей и обеспечивающие режим ИТ в широком диапазоне изменения тока; установлена неминимально-фазовость схем магнитно-связанных фильтров; разработан новый тип магнитно-связанных фильтров, позволяющий обеспечить работу на источник тока и исключить влияние паразитных сопротивлений конденсаторов на величину пульсаций выходного напряжения; проведен анализ передаточных характеристик магнитно-связанных фильтров, установившие!, что их амплитудно-частотная характеристика имеет наклон 80 Дб/дек с " наличием достаточно широкой полосы частот полного подавления пульсаций; установлено, что гармонический состав переменных состояния при внешнем воздействии содержит составляющие. соответствую®« сигналу с амплитудной модуляцией, и составляющую

самого воздействия; установлено, что малосигнальные характеристики регуляторов первого и второго типов содержат передаточную функцию

—Т 5

вила е а , гдз Тэ зависит от типа характеристики и вида модуляции.

Практическая ценность работы определяется тем, что в ней: предложен магнитно-связанный ПЛН нового типа и разработана методика его расчета; разработан способ обеспечения режима НТ магнитных элементов ППН и даны рекомендации по его реализации; разработаны эффективные схемотехнические решения функциональных узлов силовой и несиловой частей ППН; разработаны методики расчета МЗ, работающих с постоянной составлявши тока намагничивания, с новыми конфигурациями немагнитного зазора и катушки; разработан метод снижения влияния индуктивностей рассеяния на работу ППН; получены уточненные соотношения, позволяющие выбрать параметры компонентов магнитно-связанных фильтров с целью максимального подавления пульсаций; предложены новые схемотехнические решения магнитно-связанных фильтров; разработана методика применения кодифицированного метода усреднения в пространстве состояний; приведены уточненные малосигнальные передаточные характеристики регуляторов первого и второго типов.

Основные положения, выносимые на защиту; базис основных требований, предьявляемых к высокочастотным ППН; топология перспективного высокочастотного ППН; конфигурация немагнитного зазора МЗ; конфигурация катушки МЭ; методики расчета МЭ с предложенной конфигурацией немагнитного зазора и катушки; топология емкостного магнитно-связанного фильтра; методики расчета индуктивных и емкостных магнитно-связанных фильтров; модифицированный метод усреднения в пространстве состояний дл; анализа ППН с высоким порядком силовой часта.

Реализация результатов работа в промышленности. Результата работы нашли практическое применение в образцах новой техники нг ряде предприятий гг.Калуги и Москвы, что отражено в актах с внедрении с суммарным полученным экономическим эффекта» 400 тыс.руб.С доля соискателя 134 тыс.руб.5. Ожадаемы( экономический эффект от внедрения в 1991-1932 гг. новых разработш составляет около 500 тыс.руб.

Экономическая эффективность обусловлена применение!

перспективных схемотехнических решений, что привело к снижению материалоемкости, трудоемкости, себестоимости и повысило технологичность изделии. Использование разработанных ИЮ11 значительно улучшает характеристики всего комплекса аппаратур«. Разработанные методики расчета и полученные в работе соотношения значительно сокращают время проектирования новых №0П. Модифицированный метод усреднения в пространстве состоянии позволяет эффективно анализировать схемы ГШ с высоким порядком силовой части, что также сокрашает время разработки новых устройств.

Апробация работы, Основные положения диссертационной работы докладывались и обсухдались на: Научно-технической конференции молодых специалистов С г.Москва, 1986г.); Научно-технической конференции 'Перспективы развития оконечной телеграфной аппаратуры' Сг.Калуга, 1986г.); Научно-технической конференции молодых специалистов С г.Ленинград, .198/4-.); Научно-технической конференции "Перспективы развития оконечной телеграфной аппаратуры" Сг.Калуга, 1987г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоения в серийном производстве унифицированных источников вторичного электропитания импульсного типа" С г.Севастополь, 138?г.); Всесоюном научно-техническом семинаре "Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА" (г.Москва, 1989г.);

Публикации, Материалы диссертации опубликованы в 19 печатных работах, в их числе 9 авторских свидетельств на изобретения.

Работа "Источник питания телеграфного аппарата" очмечена третьей премией на республиканском конкурсе НТО РЭС им.А.С. Попова в 1986г.

Обьем и структура работы. Диссертационная работа состоит га введения, пяти глав и заключения, изложенных на 194 страницах машинописного текста и иллюстрированных 5? рисунками и 6 таблицами, списка литературы, вклочающего 9? наименовании на ю" страницах, приложений на 29 страницах. Общий обьем работа составляет 233 страницы.

-8-

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы, приведены основные научные и практические результаты, полученные в работе, перечислены основные положения, выносимые автором на защиту, сведения об апробации работы и практическом использовании ее результатов.

В первой главе проведен обзор существующих технических решений, показавший, что общепризнанной тенденцией совершенствования ИВЭП является использование в качестве их составных частей ППН. Однако, существующие базовые схемы ИПН практически исчерпали свои возможности. Отсюда совершенно понятно стремление к совершенствованию топологии ППН с целью улучшения его характеристик. Характеристики ППН во многом определяются его частотой преобразования. Повышение частоты преобразования позволяет улучшить динамические характеристики системы питания и массо-габаритные показатели зз счет уменьшения величин пассивных компонентов. Проведенный обзор патентной и научно-технической литературы позволил выделить следующие основные топологические структуры ППН: двухтактные преобразователи; квазирезонансные и резонансные преобразователи; однотактные преобразователи.

Использование двухтактных схем в высокочастотных ППН весьма затруднительно по следующим причинам: сложность обеспечения симметричного перекагничивания магнитопровода, что вызвано значительными относительными задержками включения/выключения активных ключей и вопросами синхронизации их работы; сложность создания схемы управления активным ключом, обеспечивающей малые времена задержек, и ее высокая стоимость, усугубляющаяся в случае использования двух и более ключей; сокращение в значительной степени преимущества в размерах трансформатора по сравнению с однотактными схемами из-за необходимости уменьшения перепада индукции для снижения величины потерь в магжлшроводе при отсутствий магнитных материалов о малыми удельными потерями при высокой частоте перемагничивания.

Квазирезонансные и резонансные преобразователи не наши пока широкого применения из-за: резкого увеличения активных потерь вследствие возрастания действующих значений токов и напряжений;

ухудшения коэффициента использования полупроводниковых приборов по току и напряжению; сложности обеспечения работоспособности в широких диапазонах изменения тока нагрузки и входного напряжения; необходимости частотно-импульсного регулирования; высокой сложности схемы управления.

Однотактные ППН обладают существенными достоинствами для применения в области высоких частот преобразования, что обусловлено: отсутствием необходимости симметрирования перемагничивания МЗ; малыми потерями в магнитопроводе вследствие малого перепада индукции; минимальным количеством управляемых ключей; простотой схемы управления.

Удельные характеристики ППН в значительной степени определяют сглаживающие фильтры. Уменьшение массы и габаритов сглаживающих фильтров может быть достигнуто при использовании частичной регулируемой модуляции входного напряжения. Перспективным решением, позволяющим уменьшить величину пульсаций напряжения, является использование магнитно-связанных фильтров.

Характеристики ППН неразрывно связаны с характеристиками магнитных элементов. Использование новых конструктивных решений МЗ позволяет уменьшить величину пульсаций, повысить технологичность, снизить стоимость. Не менее важным является совершенствование методов расчета МЭ для высокочастотных ППН.

Правильное " проектирование ППН невозможно без глубокого анализа его динамических характеристик. Существующие точные методы анализа ППН позволяют рассчитать реакцию системы на заданное воздействие, определить переходные характеристики и т.д. К ним относятся методы пространства состояний и моделирования на ЭВМ. Следует отметать. что затраты времени при таком подходе достаточно велики. Подход, базирующийся на основе г-преобразования и исследования псевдочастотных характеристик, позволяет более точно аналитически определять свойства замкнутой системы. К недостаткам этого подхода следует отнести сложность исследования систем с высоким порядком силовой части. Наиболее простым методом анализа схем ППН можно считать усреднение в пространстве состояний. Однако, точность этого метода при анализе в области частот, близких к частоте коммутации, оказывается недостаточной.

Во второй главе сформулированы требования, предъявляемые к

схемотехническим решрниям высокочастотных ППН. Основные из них следующие: непрерывное С"гладкое") входное потребление энергии; непрерывная (частично-модулированная) передача энергии в выходную цепь; снижение величин индуктавностей рассеяния и их отрицательного влияния на работу схемы; использование высокоэффективных сглаживающих фильтров; повышение крутизны характеристики "управление-выход"; обеспечение диапазона токов нагрузки от нуля до максимального.

На основе перечисленных требований разработана топология высокочастотного ППН, представленная на рис.1. Для этой схемы получены следующие основные расчетные соотношения:

ин»ЕСпг+п4>гС1-г>'С1-2г>: ис1=ин/Спг^т; ис2=ин/Спг+п,К1-г); ик=ин/С пг+п43С 1-г) г; дисф=ин |пг/С п2+п4> -ТI /&фСфГ. Для отсутствия модуляции на входе 1фСф фильтра необходимо выполнение соотношения п2/п4=г/С1-г). Для минимизации величины пульсаций на краях диапазона изменения входного напряжения требуется выполнение соотношения гма.Кс'|''»"ыин=2п2/( п2+п4). Величины критических индуктавностей, являющихся граничными между режимами непрерывных (НЮ и прерывистых С ПТЗ токов, определяются выражениями:

Цкр=ин1"г'с,Ъ+п4>-г1'21нГ; 1^р=ЕтС1-т>/{21нЯп4С1-г>+пгт:]} -прерывистый магнитным поток Т^; 1^р1=Е(1-г>/21нГСпг-»-П14). -прерывистый ток диода ; п2+п4) - ограничение на

ток нагрузки по минимальному значению. Основные расчетные соотношения для режима ПТ диода : г'«21н1. ППа+п^/Е - относительное время проводимости диода УБ^

ин»£Сл2+п4:)Г/С1~т/г,3; иеХ-Е/С1-г/г'); ис1=Е/сГ'/г-13. Граница между режимами ПТ и НТ диода определяется выражением:

Ин/ ЕС п2+л4) «г' (1-Г' 3 / С 2г1 -13 . Внешние характеристики идеализированного ППН в зависимости от г' представлены на рис.2. В режиме ПТ выходная часть ППН ведет себя как источник тока, и при этом: 1нг£г/21А/Спг+п4) - для любого !1н. С точки зрения уменьшения пульсаций входного тока требуется согласование пульсаций на Сг и С2, что определяется соотношением:

С^Са-а-гЗ/т.

Для дальнейшего увеличения крутизны регулировочной

характеристики используется N звеньев *А~ (рис. 15. В режиме НТ всех диодов справедливы следующие основные соотношения:

UH=E( Пд+^Зга-тЗ/ (l-C N+1)T};

Для реализации жесткой внешней характеристики, характерной для рзжима НТ, предложено использовать последоватльное соединение нас^шз'огшся МЗ. При этом, в случае оптимального выбора величин инду.: тпвностей и токов насыщения МЗ возможно значительное уменьшение общего типоразмера сердечников.

Не менее важными являются вопросы практической реализации составных частей высокочастотных ППН. К ним относится разработка силового ключа, схемы эффективного управления им. вопросы конструирования высокочастотных схем управления, контроля, обратной связи и других. Для решения этих вопросов предложен ряд оригинальных устройств, реализованных в ИВЗП, параметры которых приводятся в работе.

В третьей.главе рассмотрены вопросы расчета высокочастотных МЗ с постоянной составляющей тока намагничивания. Разработаны методики расчета МЗ при заданной плотности тока и мощности потерь в обмотках. Для' случая соединения последовательно двух насыщающихся МЗ показано, что уменьшения общего типоразмера можно достичь при токе насыщения, величине индуктивности, соотношении типоразмеров первого и второго МЗ, определяемыми соответственно

выражениями: 1мм,„, ^Г; ^нас=/Циин1.рмлкс ;

этом, отношение общего типоразмера двух МЭ к типоразмеру одного ненасыщенного МЗ определяется из:

VV^Wkc'^h^^h'Wc- Аналогичные соотношения получены для случая трех МЗ.

Анализ различных видов потерь в ППН позволил определить способы и выработать рекомендации для их уменьшения.

Динамические потери при выключении силового ключа являются одной из основных составляющих общих потерь в высокочастотных ППН. Для уменьшения этих потерь в случае линеиной зависимости времени спада от амплитуды тока силового ключа требуется выполнение

условий: у=2/3 - для известных схем ПШ; г=1/3 - для схемы на рис.1. На основании критерия минимума мощности динамических потерь при выключении силового ключа предложен алгоритм выбора тепа транзистора.

Анализ уменьшения активных потерь в обмотках МЗ показал, что что осуществимо в случае переменного по длине сечения обмотки. При чт>м, величина сечения обкатки должна быть пропорциональна расстоянию этого сечения от геометрического центра. Для уменьшения потерь вследствие скин-эффекта и эф!екта близости целесообразно использовать планарную конфигурацию катушки МЭ. 8 этом случае при переменном по длине сечении обмотки возможно уменьшение активных ютерь в катушке в несколько раз в зависимости от соотношения жешнего и внутреннего диаметров. Такая катушка может изготавливаться по технологии обычных печатных плат с тонким ¡волируюиим основанием, что существенно повышает технологичность МЭ, вследствие исключения процесса намотки.

Для обеспечения режима НТ магнитного элемента в широких пределах изменения тока намагничивания предложена переменная по течению магнитопровода величина немагнитного зазора. Показана, что аля обеспечения обратнопропорциональнои зависимости индукт. юности от тока намагничивания величина зазора на одном из участков должна описываться следующей экспоненциальной функцией: ГС X) =СеРХ; 5 где ~ число витков

сбмотки: хмдкс - высота кольцевого, талгома И-образного или длина окружности внутреннего кольца броневого магнитопроводов; В3 -индукция насыщения. Для соотношения величин индуктивностей при малых токах намагничивания МЗ с переменным и с постоянным зазорами получено следующее выражение:

1.у[.=«ТрехрСТ/2Тр)/2Т; Т*10Тр, где Тр - типоразмер магнитопровода для реализации критической индуктивноста при максимальном токе намагничивания; Т - типоразмер магнитопровода. Получено следующее соотношение между типоразмерами магнитолроводов с постоянным и переменным зазорами при одинаковой индуктивности Iв режиме малых токов; Т„/Т.»*С.у21.кр1пС2Ц/1кр), где 1,кр - критическая индуктивность для максимального тока. Разработана подробная методика расчета МЗ с переменным зазором.

На основе анализа показано, что использование переменного

зазора позволяет уменьшить величину энергии, запасенной в магнитопроводе. Это приводит к улучшению динамических характеристик ППН. Для соотношения энергий, запасенных в магнйтопроводах с постоянным и переменным зазорами, при одинаковой индуктивности намагничивания в режима малых токов получено следующее выражение: (2-1. /г^-^псг^/!. )).

Для уменьшения, внешних магнитных полей и индуктивностей рассеяния МЭ предложена конфигурация немагнитного зазора, изобретенная в качестве примера для Ш-образного магнитопровода на рис.3. Рассмотрены другие конструктивные рекомендации по уменьшению индуктивностей рассеяния, а ( также оригинальные схемотехнические решения по снижению их величины и влияния на работу ППН.

В четвертой главе проведен анализ передаточных характеристик индуктивных магнитно-связанных фильтров СИМСФ). Для схемы на рис.4 передаточная характеристика определяется выражением:

Из анализа этого выражения видно, что это неминимально-фазовая цепь. Указанная передаточная характеристика имеет ноль при выполнении следующего условия: 1к=1пС1-п)+1/ы Сг. Для максимального подавления пульсаций данное условие должно выполняться для частоты коммутации ППН, а также с учетом следующих соотношений: С^С^; п=0,5.

Сравнительный анализ Г-образного Ю фильтра, двухзвенного 1С фильтра и индуктивного магнитно-связанного фильтра, представленного на рис.4 при одинаковых габаритах компонентов показал, что использование ИМСФ позволяет уменьшить величину пульсаций напряжения примерно в 50 раз по сравнению с Г-образным и в 10 раз по сравнению с двухзвенным 1С фильтрами. Частотные характеристики схемы на рис.4 представлены на рис.5.

Обеспечить высокую эффективность подавления пульсаций при работе от источника тока позволяют специально разработанные схемы емкостных магнитно-связанных фильтров (ЕМС40. Для этих схем определены передаточные характеристики и оптимальный набор параметров для минимизации величины пульсаций. Проведенный анализ установил аналогичность характеристик ЕМСФ характеристикам ИМСФ.

Дальнеииее улучшение характеристик ИСФ возможно при их комбинации с активными цепями. В работе рассмотрены различные варианты реализации таких фильтров^.

В пятой главе рассмотрены вопросы, связанные с динамическими характеристиками ППН. Важнейшей задачей проектирования ППН является их анализ как систем автоматического регулирования. Для проведения анализа схем ППН с широтно-импульсно« модуляцией С СИЮ в режима НТ и высоким порядком силовой части предложена модификация метода усреднения в пространстве состоянии. Основу такой модификации составляют следующие положения: замена рассмотрения средних значений производных переменных состояния рассмотрением средних значений напряжений и токов в схеме; переход от рассматриваемого воздействия к эквивалентному: анализ полученной усредненной системы уравнений, описывающей схеяу, в комплексной области; нахождение передаточных характеристик 'вход-выход' и 'относительная длительность импульса-выход' как частных производных выходной величины по соответствующему воздействию; учет влияния пульсаций выходного напряжения на передаточную характеристику НИМ.

На основе анализа процессов в импульсной системе установлен гармонический состав переменных состояния при входном воздействии. Показано, что в него входит спектр сигнала с амплитудной модуляцией. Определено, что переход к эквивалентному воздействию

-Т 5

осуществляется через передаточную функцию е » , где Т3=С1-у)/2 -для входного возмущения в моменты начала импульса; Тэ=Т/2 - для импульсного возмущения при. модуляции франта или спада системы с ШИМ-2 в режиме НТ.

На основе модифицированного метода усреднения в пространстве состояний проведен анализ регуляторов первого и второго типов в режиме НТ. Малосигнальная передаточная характеристика "управление-выход" регулятора первого типа определяется выражениями:

где X - коэффициент перэдачи импульсной системы; Т - период коммутации; Кое - коэффициент усиления цепи обратной связи; У -входное напряжение,- 11и - размах пилообразного напряжения; -

круговая частота коммутации. Малосигнальная передаточная характеристика 'относительная длительность импульса-выход' регулятора второго типа имеет вид:

£йну дг^е'^^са-гь/с ас 1-Г) 2>з/сс 1-Т) 2с а+Б^с ас 1-г) г~> +5г1С/с 1-г)2)

Полученные выражения совпадают с результатами анализа о использованием 2-преобразовання до частот и с результатами

анализа методом усреднения в пространстве состоянии для частот

? заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

В приложениях приведены практическая схема разработанного ряда ИВЭП и описание ее работы, таблица параметров магнитопроводов, необходимая для расчетов по разработанным методикам, а также материалы по внедрению результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы следующие:

1. Сформулирован базис схемотехнических требовании, на основании которого разработана топология высокочастотного однотипного ППН.

2. Получены аналитические выражения, характеризующие работу магнитно-связанного ППН нового типа в режимах НТ и ПТ. Показано, что в режиме ПТ данный ППН ведет себя как идеализированный источник тока.

3. На основании рассмотрения режимов работы МЗ установлено, что их характеристики значительно зависят от' конфигурации немагнитного зазора, и катушки. Предложены новые конфигурации немагнитного зазора МЗ и его катушки, обеспечивавшие улучшение динамических характеристик, уменьшение потерь и внешних магнитных полей, и поддержание режима НТ в широком диапазоне изменения тока.

4. Впервые установлена неминимально-фазовость схем магнитно-связанных фильтров.

5. Впервые разработан принципиально новый тип магнитно-связанных фильтров, позволяющий обеспечить работу на источник тока и исключить влияние паразитных сопротивлений конденсаторов на величину пульсаций выходного напряжения.

-176. Анализ передаточных характеристик МСФ установил, что их амплитудно-частотная характеристика имеет наклон 80дБ/дек с наличием достаточно широкой полосы частот полного подавления пульсаций.

?. Установлено, что гармонический состав переменных состояния при внешнем воздействии соответствует составу «гнала с амплитудной модуляцией, а также содержит составляющую самого воздействия.

8. Установлено, что малосигнальные характеристики регуляторов первого и второго типов содержат передаточную функцию вида e"T=°, где Тэ зависит от типа характеристики и вида модуляции.

9. Разработаны эффективные схемотехнические решения функциональных узлов силовой и несиловой частей ППН, а также методики расчета предложенных решений.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф., Фролов А.Н. Высокочастотный преобразователь напряжения. - В сб.: Высокоэффективные источники и системы вторичного электр-у.итания РЭА: Материалы семинара. - М.:МДНТП, 1989, стр.163-165.

2. Поликарпов А.Г., Фролов А.Н. Анализ динамических характеристик импульсных преобразователей напряжения. - В сб.: ТСС, сер. ТПС. - М.:1988, вып.4. стр.52-56.

3. Поликарпов А.Г., Фролов А.Н. Высокочастотные преобразователи напряжения. - В сб.: ТСС, сер. ТПС. - М.:1989, вып.4, стр.32-3?.

4. Поликарпов А.Г., Фролов А.Н. Оптимальное проектирование высокочастотных преобразователей постоянного напряжения. - В сб.: ТСС. сер. ТИС. - М.:1989, вып.8. стр.90-99.

5. Фролов А.Н. Автоматизация расчета дроссель-трансформатора однотактного преобразователя напряжения. - В сб.: СТСС, сер. СВЭП - М.:1988,вып.2, с.15-21.

6. Фролов А.Н. Схемы управления для однотактных стабилизирующих преобразователей постоянного напряжения. - В сб.: ТСС. сер. ТПС. - М-г198?', вып.?, стр.64-69.

?. A.c. 1332299 (СССР) G05F 1/5??. Способ стабилизации

выходных напряжения N-канального источника питания/ Калухенский В.А., Фролов А.Н. - Опубл. в Ей.. 198?. №31.

8. A.c. 138506? С СССР) G05F 1/577. Способ стабилизации напряжении на К нагрузках/ Калухенский S.A.. Тимченко Н.М., Фролов А.Н. - Опубл. в БИ., 1988, №1.

9. A.c. 1341626 С СССР) G05F 1/57?. Способ управления стабил)пирующим устройством/ Калухенский В .А., Фролов А.Н. Опуб.:. в БИ., 198?. tf20.

A.c. 1504?53 ССССР) Н02М 3/335. Источник питания с

1

бестрансформаторным входом с защитой от перегрузок/ Фролов А.Н. -Опубл. в БИ., 1989, №32.

11. A.c. 1501236 С СССР) Н02М ?/53?. Преобразователь постоянного напряжения/ Фролов А.Н. - Опубл. в БИ., 1989, №30.

12. A.c. 1453550 С СССР) Н02М 3/335. Стабилизирующий источник напряжения постоянного тока/ Фролов А.Н. - Опубл. в БИ.. 1988, ff30.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, лично соискателем выполнено: в /1/ получены расчетные соотношения, характеризующие режимы работы компонентов схемы; в /2/ проведен анализ характеристик схемы' с конденсаторной развязкой; в /3/ проведен сравнительный анализ механизмов потерь в высокочастотных ППН с широтио-тиульсной модуляцией и квазирезонансных схем; в /4/ определены требования к режиму работы Ю; в /?-9/ разработаны оригинальные алгоритмы функционирования цепи обратной связи.

J1-__. 3aKa3^-J_l£_. Обьем /У/ . Тирах 100 экз. Бесплатно.

Тип. МЭИ. ротапринт. Красноказарменная, 13.