автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование и разработка импульсных транзисторных преобразователей постоянного напряжения

Р Г б ОА

' .л ; •

" ГОСУДАРСТВ ЕННЫП КОМИТЕТ РОССИПСКОП ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ Чупашскин государственный университет им. И. Н. Ульянова

БАЙЛ1УЛКИН Владимир Аркадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

05.09.12 — полупроводниковые преобразователи электроэнергии

Диссертационный совет К 064.15.03 по техническим наукам

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЧЕБОКСАРЫ 1904

Работа выполнена па кафедре промышленном электроники Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Г. А. Белов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор О. Г. Булатов

кандидат технических наук, с. н. с. Н. В. Донской

Ведущая организация — Всероссийский научно-исследовательский

ироектпо-коиструкторскип и технологический институт релестроения (ВНИИР)

■защита состоится «

часов

в аудитории В-301 корпуса «В»^на заседании диссертационного совета К 064.15.03 Чувашского государственного университета им. И. Н. Ульянова (428015, Чебоксары, Московский пр., 15).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим прислать по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н.

Г. П. Охоткин

ОБЩАЯ ХАРЛЮсРШЖЛ РДЕОЗН

Актуальность работы. В настоящее время импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППЮ применяются во многих отраслях промышленности. Их применение обусловлено снижением расхода дефицитных материалов, например, электротехнической стали и меди, уменьшением массы и объема, улучшением динамических характеристик. Источники вторичного электропитания. (ШЗП) на базе ИППН по многим показателям превосходят ИВЭП непрерывного действия.

Развитие техники высокочастотного преобразования электроэнергии характеризуется дальнейшим ростом частот преобразования, появлением новых силовых полупроводниковых приборов, ужесточением требований к параметрам преобразовательных устройств.

Одними из наиболее перспективных высокочастотных преобразователе'/. являются ИППН резонансного типа, имеявде ряд достоинств по сравнению с другими типами ИППН, например.меньшие уровни излучаемых и передаваемых в сеть и потребителю электромагнитных помех, благоприятные траектории переключения силовых ключей. Резонансные высокочастотные инверторы, являются силозой частью таких ИППН, известны и широко применяются в ткристорной преобразовательной технике.

Однако режимы работы резонансного инвертора в составе ИППН с замкнутыми контура!.™ управления изучены недостаточно. Не разработаны удобные для практики, основанные на точных математических моделях программы анализа и расчета на ЗШ режимов и характеристик ИППН с последователькнм резонансным инвертором при работе в составе замкнутой системы управления. Существующие интегрированные системы схемотехнического моделирования (Шсго-С/Р, PSpice, Design Center и др.) либо предназначены для моделирования аналоговых схем, либо требуют ПК расширенной конфигурации. Появившиеся недазно мощные и достаточно универсальные пакеты программ MathCAD. MatLAB. Derive, Mathematics?, Maple и др. не Есегда доступны пользователю из-за их высокой стоимости и требуемой расширенной конфигурации ПК. В то же время для анализа конкретных схем не требуются все предусмотренные в этих программах, возможности. Они малоэффективны для анализа и расчета предварительно плохо изученных схем.

В ИППН с мостовым последовательным резонансным инвертором в режимах прерывистого тока колебательного контура не рассмотрено влияние алгоритмов переключения силовых ключей на основные статические и динамические характеристики.

Не рассмотрены особенности работы последовательного резонансного инвертора с обратными диодами в режиме источника тока на частотах преобразования порядка 100 кГц и выше, когда начинает уменьшаться диапазон изменения выходного тока.

Не до конца решены проблемы обеспечения высокой надежности транзисторных высокочастотных ШИН при сохранении высокого КПД и допустимых уровней генерируемых преобразователем электромагнитных помех, а также требуемого качества процессов в замкнутой системе.

Целью работы являются: разработка программ анализа и расчета на ЭВМ режимов и характеристик ИППН с последовательным резонансным инвертором при замкнутых контурах управления, основанных на точных аналитических выражениях для элементов переходной матрицы линейной части; расчет статических характеристик и экспериментальное исследование двух новых схем ИППН на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами; разработка ряда высокочастотных транзисторных ИППН повышенной надежности и КПД; разработка устройства, обеспечивающего требуемое качество выходного напряжения и процессов в ИППН.

Методы исследований. Основные результаты работы подучены на основе методов вычислительной математики и программирования, теории цепей, теории дифференциальных и разностных уравнений в матричной форме. Достоверность полученных результатов обеспечена экспериментальными исследованиями разработанных ИППН.

Научная новизна.

1. Разработаны специализированные программы анализа и расчета на ЭВМ режимов работы и характеристик ИППН с последовательным резонансным инвертором и замкнутыми контурами управления, отличаощиеся высокой эффективностью, экономичностью, высокой точностью, быстродействием и легкостью перестройки при изменениях схемы.

2. Выполнен анализ влияния алгоритмов: переключения силовых ключей в ИППН с мостовым последовательным резонансным инвертором на внешние, регулировочные характеристики и качество переходных процессов в замкнутой системе.

3. Получены выражения для статических характеристик и проведено экспериментальное исследование двух ранее не рассмотренных вариантов схем МШН на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами, позволяющих расширить диапазон изменения выходного тока.

4. Разработаны, защищены авторскими свидетельствами на изобретения и исследованы схеми ШШ повышенной надежности на основе последовательного соединения регулирующих транзисторов с реализацией эмиттерного запирания, а татае на основе последовательного соединения двух преобразователей по входу и выходу.

5. Разработаны, заазвцены азторскими свидетельствами на изобретения и исследованы ряд схем ИППН с цепями формирован:« траектории переключения транзисторов с передачей энергии, накопленной в реактивных элементах цепей, в нагрузку или источник входного напряжения без дополнительных ключевых элементов. Получены соотношения для расчета параметров формирующих цепей.

6. Разработана схема устройства, устраняющего подъем внешней характеристики ИППН в режимах малых токов нагрузки и холостого хода, а тагасе улучшающего качество процессов в замкнутой системе.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Специализированные программы анализа и расчета на ЗБМ режимов работы и характеристик ИППН с ■ последовательным резонансны?.« инвертором и замкнутымз контурата упрззления при широтко- импульсной модуляции.

2. Результата, анализа зляяния двух алгоритмов переключения силовых кгочей ЙШШ с мостовым последовательны;;! резонансным инвертором на внешние, регулировочные характеристики и качество переходных процессов в замкнутой системе.

3. Выражения для статических характеристик и результаты экспериментального исследования двух схем ЖШН на основе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами, имеющих расширенный диапазон изменения выходного тока.

4. Схемы ИППН повышенной надежности на основе последовательного соединения регулирующих транзисторов с реализацией змиттерного запирания, а также на основе двух соединенных исследовательно но входу и выходу преобразователей с реализацией новых методов выравнивания напряжений мехху ними.

5. Схемы ЙШН с оригинальными- цепями формирования траекторий переключения транзисторов без дополнительных ключевых элементов и соотношения для расчета параметров формирующих цепей.

6. Схема устройства, обеспечивающего улучшение качества выходного напряжения ИППН в режимах малых токов нагрузки и холостого хода, а также процессов з замкнутой системе.

Практическая ценность работы.

1. Разработанные специализированные программы позволяют не только проводить расчеты основных статических и динамических характеристик ЮШН, но и удобны для выявления ранее не изученных динг>,ж-ческих режимов и оптимального проектирования.

2. Выявленные особенности алгоритмов переключения силовых ключей мостового последовательного резонансного инвертора ИППН позволяют проектировать схемы с лучшими динамическими и энергетическими характеристиг-с-чи.

3. Прозедекные исследования схем КППН на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодами показали возможность повышения мощности высокочастотного ЛППН без усложнения конструкции силового трансформатора.

4. Разработанные схемы ИШН на основе последовательного соединения двух преобразователей по входу и выходу или на основе последовательного соединения регулирующих транзисторов с эмиттеркым запиранием позволяют создавать источник!! питания повышенной надежос-ти и высоковольтные стабилизаторы напряжения. применяемые в радиоустановках, шахгном электрооборудовании и т.д.

5. Разработанные транзисторные ИППН с оригинальными цепями формирования траектории переключения трглзкстороз позволяют повысить КПД и надежность, .а' такие уменьшить уровни электромагнитных помех.

6. Разработанная схема дополнительного нагрузочного узла позволяет устранить подъем внешней характеристики Ш1ПН в регашах малых токов нагрузки и.холостого хода, а в ШЗПН с замкнутыми системами управления устранить ре:кимы колебаний на частотах- субгармоник :!ли другие виды сло&ных колебаний к, таким образом, обеспечить высокое качество процессоз и хоропие динамические показатели ЖШН при наличии возмущающих воздействий.

Реализация результата работы. Теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, связаны с участием автора с: 1931 г. в. ряде хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполненных кафедрой прсмэлектроники Чувашского госуниверситета.. Результаты экспериментальных исследований разных типов КППН и разработанные автором ИВЭП Еа их оснозе внедрены во ВНИИ "Альтаир". (Москва). На АО "Завод Чувашкабель" изготовлен пакетный обр;азец. устройства регулирования подачи лака при производстве змальпроводов. з которсм автором раз-

работала электронная часть устройства с источником вторичного электропитания на основе высокочастотного ИППН. На АО "Царица" (Волгоград) изготовлена опытная партия разработанных автором преобразователей на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диодаж для реверсивного электропривода постоянного тока антенн спутникового телевидения, в электроприводе станков с ЧПУ, разработанном кафедрой электропривода ЧувГУ по договору с АО "Завод 4увазкабель", использован разработанный автором ИВЗП с высокочастотным преобразованием электроэнергии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и рбсуждались на Международной • конференции "Проблемы преобразования электроэнергии" (М. ,МЭИ, 1993 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы преобразовательной техники" (Киев, 1987 г.), за Всесоюзном семинаре "Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания" (М..МДНТП, 1986 г.), на Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов ЧАССР (Чебоксары, 1985 г.), на итоговых научных конференциях ЧувГУ.

Публикации. По теме диссертация опубликовано 26 печатных ра-5от, в том числе получено 16 авторсгаях свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 169 наименований, 2 приложе-ш'л. Обязй объем работы в 163 стр. включает: 82 стр.машинописного текста, 38 рис. на 25 стр., список литературы на 19 стр. и 38 стр. трилсг.екий.

СЭДЕРЯАЖЕ РАБОТВ-

Во введении обоснована актуальность проблемы, рассмотрены некоторые вопросы современного состояния и тенденции развития преобразовательной техники, приведены характеристики некоторых перспективных преобразовательных устройств резонансного типа, сформулиро-заны цель и краткая характеристика работы.

В первой гладе рассмотрены основные схемы ИШШ резонансного типа, способы регулирования и методы анализа подобных схем, а такке юставлены задачи, решаемые в дачной работе.

Наиболее часто на практике используются ИППН с последовательными, параллель нами и многофазными резонансными инверторами, шшн га базе инверторов напряжения или тска с дополнительными колеба-

тельными контурами, а такае резонансные преобразователи с несколькими колебательна/л контурами, например последовательно-параллельный резонансный преобразователь, и резонансные преобразователи на основе однотактных ИППН.

Для регулирования выходного напряжения ИППН резонансного типа применяются все основные виды импульсного регулирования: частотное, широтное и фазозое, а'также используются подключение ко входу резонансных инверторов импульсных регуляторов или дополнительных ключевых элементов, изменение резонансной частоты контура и некоторые другие способы. Частотное регулирование является приемлемым при небольших изменениях тока нагрузки и входного напряжения и часто применяется в ИШШ с последовательным резонансным инвертором и в одно-тактных резонансных преобразователях. Широтное регулирование наиболее широко применяется в реташе непрерывного тока резонансного контура за счет изменения длительности интервала прстэкания тока через обратные диоды. В режиме прерывистого тока регулирование осуществляется либо за счет изменения длительности включенного состояния силовых ключей инвертора, либо включением на входе инвертора дополнительного ключевого элемента. Следует отметить, что система управления при ВЫ-2 с контуром обратной связи по выходному напряжению имеет небольшой граничный коэффициент усиления и не позволяет получить высокую стабильность выходного напряжения, поэтому в систему вводят внутренний контур, обеспечивающий регулирование среднего значения тока колебательного контура на половине периода работы ИППН. Фазовое регулирование используется редко, чаще всего в многофазных ИППН. Регулирование может, осуществляться также за счет изменения резонансной частоты.контура с использованием в контуре нелинейных реакторов или реакторов с регулируемой индуктивностью, а также конденсаторов с регулируемой емкостью.

• ИППН резонансного типа с замкнутой системой управления предс-тазляат собой нелинейные дискретные системы. При этом для простейших схем силовой части и контура обратной связи замкнутая система является неавтономной системой третьего порядка,- что определяет сложную задачу выбора методов анализа и синтеза таких систем.

Наиболее широко применяются методы, ■■ разработанные применительно к линейным импульсным системам, либо £ нелинейным ^ непрерывным системам. Среди них можно отметить методы представления ИППН в виде линейных импульсных динамических моделей с использованием линейных

методов анализа и синтеза. К таким моделям относятся линеаризованные разностные уравнения и линейные импульсные структурные модели. Методы усреднения, гармонического баланса, аналогового моделирования являются приближенными и применяются лишь в случаях, когда ограничениями на'применение метода можно пренебречь.

Для анализа разомкнутых систем широко применяется метод фазовой плоскости. Для исследования замкнутых систем более предпочтительным является метод дискретной фазовой плоскости (пространства). В этом пространстве при периодическом внешнем воздействии ИППН представляет собой уже автономную дискретную систему. Для ИППН с прерывистым током колебательного контура при выборе секущей поверхности в пространстве, порождающей точечное отображение, например поверхности, соответствующей началу формирования или окончанию спада тока колебательного контура, дискретное фазовое пространство превращается в дискретную фазовую плоскость.

Одним из основных методов исследования, нелинейных дискретных систем является метод нелинейных разностных уравнений. Разностные уравнения (отображения исследования) представляют собой строгие и универсальные динамические модели импульсных преобразователей. Метод намного упрошдет и ускоряет расчеты характеристик ИППН на ЭВМ и особенно удобен при анализе ИППН- с прерывистом током колебательного контура из-за снижения порядка системы разностных уравнений ,

Вторая глава посвящена разработке специализированных программ анализа и расчета на ЭВМ режимов работы и характеристик ИППН с последовательным резонансным инвертором при замкнутых контурах управления, основанных на точных математических моделях, рассмотрению влияния двух алгоритмов переключения силовых ключей мостового последовательного резонансного инвертора' на внешние,, регулировочные характеристики ИППН и качество переходных процессов в замкнутой системе.

При использовании транзисторов мостового инвертора в качестве регулирующих возможна реализация двух алгоритмов управление ими. При первом алгоритме выключаются оба открытых на предыдущем интервале транзистора одновременно, и ток колебательного контура через открывающиеся обратные диоды замыкается через силовой трансформатор в источник входного напряжения. При втором алгоритме выключается только один из транзисторов, и ток контура замыкается через один из обратных диодов, остающийся открытым второй транзистор и первичную

обмотку силового трансформатора. Таким образом, при первом алгоритме переключения транзисторов энергия контура отдаётся в нагрузку и источник входного напряжения, при втором - только в нагрузку. Очевидно, что КЦД ИППН при втором алгоритме управления транзисторами выше. Следует отметить, что второй алгоритм можно реализовать только в ИППН с мостовым инвертором, а режим работы ШПН при этом полностью аналогичен режиму работы ИППН с регулирующим транзистором на входе инвертора. В дальнейшем предполагается, что при обоих алгоритмах переключения силовых ключей инвертора ток контура спадает до нуля раньше момента отпирания очередной пары транзисторов, и в течение полупериода ток в контуре не меняет направления.

Система управления ИППН имеет два контура обратной связи: внешний - по выходному напряжению, и внутренний - по среднему значению тока колебательного контура за половину периода работы ИППН.

Процессы в силовой части ИППН на интервале т0=£с//£Ск включенного состояния транзисторов описываются системой дифференциальных уравнений в векторно-матричной форме

X « +

где х = 8х1,Х2,_хз1т ~ лектор состояния с относительными координатами XI; хх=1сИЖ/и5-. 1с - ток резонансного контура; Ь - суммарная индуктивность контура; Ск - емкость конденсатора контура; иб=Евх -базовое напряжение, за которое принята постоянная составляющая входного напряжения евх; хг=*ис/и6; ис - напряжение на конденсаторе Ск; Хз=и'и/иб: и'н - приведенное к первичной обмотке силового трансформатора напряжение аа нагрузке; вектор внешних воз- . мущений с координатами Уг=д н. ~ приведенный к первичной обмотке силового трансформатора дополнительный изменяющийся ток нагрузки; г - суммарное активное сопротивление контура; - матрица гаэффмциентов системы; Зн. - матрица внешних воздействий;

I: ^=80 о 1;

__1 «г о &% ] 1|о жг!

й=\/Ь/Ск/г -добротность резонансного контура; - первый па-

раметр схемы; - постоянная времени выходного фильтра; /?-

сопротивление нагрузки; С© - емкость выходного фильтра; зег^к/С» -второй параметр схемы.

- и -

Для постоянной матрицу Лн решение уравнения (1) на очередном интервале to. удовлетворяющее начальным условиям Хо=д(п9п) (л -дискретное время; 8- относительный период дискретизации; Гп - длительность полупериода работы ИППН). записывается в форме Коши. Если прикять v(t)=v(rBn), что означает, что вектор внешних возмущений на периоде дискретности 8П не меняется, а его изменения (если они есть) происходят скачком в дискретные моменты времени л0п, то вектор v можно вынести за знак интеграла формулы Коши, и определение интеграла сведется к интегрированию матричной экспоненты ехр(АнХ)- В результате решение уравнения (1) примет вид

х(т) = Д(х-пвп)х(п8п) + B(t-ri8fi)v(n9n), (2)

где матрица В(г) = СД(-с)-£]ЛиВ„; Е - единичная матрица. Элементы фундаментальной матрицы Л(х) можно определить, например, методом многочленов Сильвестра-Лагранжа, определив предварительно собственные значения матрицу Лк. В большинстве реальных случаев характеристическое уравнение системы дифференциальных уравнений ИППН рассматриваемого типа имеет один действительный корень Xi и два . комплексно-сопряженных корня >2.3a6±juo, которые можно определить, например, методом Кардано.

Уравнение (1) остается справедливым к., на интервале Tc=tc/V£ci< спада тока в контуре и его решение запишется в- виде

х(Х) = Л(г-/:9п-Го)«'(л9п+Т0) + B(t-n0n-to)Vc(nen), (3) где вектор внепиих всзмуцений Ус(гйп)Ч-У1(пвп).У2(г>вп)1т при первом алгоритме и ус(лОп) = 80, V2(лвп)?т при втором алгоритме переключения силовых ключей инвертора. Из уравнения (3). можно определить значение вектора состояния л в конце интервала tc

x(n8n+-C0+tc)=fl(to+tc)^(r6n)+>i(Xc)B(to)v(n9n)+S(Xc)vrc(fieri), (4) откуда, учитывая, что л, 'г8п)(n9n+ta+-tc) =0, получается уравнение для определения интервала тс спада тока контура :

aiz(tK)(n9n)+aiз(tM)(лвп)+[Ьи(хи)-kb\i(тс)](п9п)+

+Ь1г(Ти)Уг(Л9п)-0. (5)

где аи - элементы фундаментальной матрицы Жх); tH=to+tc; t>u -элементу матрицы В(х); коэффициент к~2 при первом алгоритме и к=1 при втором алгоритме переключения.силовых ключей инвертора.

На интервале xn=tn/]/HcK бестоковой паувы изменяется только координата xz, изменение которой при отсчете временн от начала паузы определяется соотношением

УэСО - ii(t)x3(0) - [3-hCt)33S2V2(0)/3si, (6)

где h(t)-pxpi-aeix-).

Если ввести дискретный вектор состояния У(л) = Йуа(л),у2(л)!1т, где yi(n)=-À'2(/<9n); у.г(л)=хз(лЬл), и обозначить Vi(n)=i>i(n6n), V2(n)=VZ(rBn), V(r¡) « то, поскольку ■х2(п9п+-со+тс) ■=

» yi(rn-î) ixz на интервале тп не изменяется) и х\ (лЭп) = =xi(пвп+Хо+хс)О, уравнение (4) сведется к векторно-разностному уравнению

T(m-l) = шг(п) + ttr(n), (?)

где tí и И - квадратные матрицу 2x2.

Система управления ИППН содержит датчик тока колебательного контура, интегратор со сбросом, генератор пилообразного напряжения, триггер-защелку, ■ .формирователь.импульсов управления силовыми транзисторами инвертора, усилители сигналов рассогласования и компаратор. Управляющее напряжение иу, подаваемое на вход компаратора и сравниваемое с пилообразным напряжением ип, в относительных единицах можно записать в виде _

Uy/Un « Ко(и-хз) - Kor|xicrc, (8)

где Un - амплитуда пилообразного напряжения; Ка. Кот - коэффициенты передач контуров обратной связи по выходному напряжению и току контура; и - относительное опорное напряжение. -Длительность интервала То определяется из уравнения т

ко(и-Хз) - KotJxícft - То/8п =0. (9)

Интеграл, входящий в уравнение (9), можно определить из уравнения |x(T)dT » С(Т) U(0)+ÍhShv(0)] - /I'SHy(0)t, (10)

полученного интегрированием t/агричкой экспоненты Л(х)*ехр(Анх), где С(Х)=А нСД(Х)-Е].

Разработанные программы основаны на точ-ных явных выражениях для элементов переходной матрицы Л(т) на различных интерзалах работы ИППН, предварительно выведенных и преобразованных к более удобному для расчетов виду вектсрно-матричных выражений для значений вектора состояния силовой части на границах интервалов и уравнениях системы управления. В программах предусмотрены вычисления по указанным выражениям и. уравнениям, а такяе анализ логических условий для определения режимов работы. Программы позволяют учесть все возможные нелинейности системы, з них реализуется подход'к исследуемым преобразователям как к дискретным нелинейным системам.

Программ написаны на языке TURBO-PASCAL-реализованы-на ЭВМ типа 1Ш PC/AT и в зависимости от назначения (расчет внешни;: характеристик, расчет регулировочных характеристик, расчет переходных процессов, расчет функций доследования, расчет областей устойчигос-

ти и другие).' могут включать в себя следующие процедуры и-функции: процедуру определения собственных значений матрицы Да методов Кар-дано; процедуру определения элементов фундаментальной матрицы Л(т) и матрицы П(т); процедуру расчета координат вектора я з моменты То и тс по выражениям (2) и (3); функцию вычисления значения хз в конце интервала тп по уравнению (б); процедуру вычисления элементов матриц И и Ы , координат дискретного вектора состояния ЗГ(л) по уравнению (7) и значения левой части уравнения (5) для определения интервала тс; функцию вычисления интеграла тока Xj по (10); функцию вычисления среднего значения тока xi на периоде дискретности 8п с предварительным определением значений интегралов па интерзалах Хо и хс; функцию вычисления интеграла Напряжения кз; функглш определения среднего значения на периоде 8П; функцш вычисления левей части уравнения (9) ; процедуру решения нелинейных уравнений методом fiu-.:ера (через три известные точки провод-лея парабола и находятся ее корни; метод имеет высокую сходимость - обычно -достаточно трех-че-тырех итераций при точности 1СГ12); процедуру вычкслэт:я установившихся значений вектора Г л вывода результатов расчета; процедуру организации расчетов переходных процессзз с вызолом результатов.

На dhc. 1 приведены рассчитанные соответствующими программами внешние (а) и регулировочные (б) характеристики ШШ, на рис.2 -переходные процессы установления выходного напряжения при подключении ИППН к источнику входного напряжения при разных ■ коэффициентах Кот (сплошные линии соответствуют первое алгоритму, штриховые -второму алгоритму переключения силовых ключей ИППН). Из рассмотрения полученных характеристик и переходных процессов видно, что второй алгоритм переключения сялоеьк ключей определяет лучшие энергетические, первый - лучшие динамические показатели.ИППН. .-■

Пр^зедена проверка полученных результатов на экспериментальном пакете ИВЭП.

3 третьей главе рассмотрено ограничение диапазона изменения г.ы/одкого тока ШШН. на базе последовательного резонансного инвертора с обратными диода».® при повышенных частотах преобразования, про- -гедея анализ работы новых схем ИППН без указанного ограничения, выведены основные соотношения для расчета силовой части и статических сагактеристик ИЛИ и результаты экспериментального исследования.

Граничный зыходной ток (переход к режиму источника тока)■ ШИ этого типа определяется соотношением l'a = -ifCKE3x(îс+1) [здесь К --exp(-x//4Q*~l)J. При увеличении частоты / преобразования нэсбходи-

- w -

ко соответственно увеличивать и резонансную частоту контура уменьшением, например, индуктивности Ь, которая ограничена снизу индуктивностью 13 рассеяния силового трансформатора. В этом случае приходится уменьшать Ск. и, так как Г обратно-пропорциональна нг достаточно высоких частотах (порядка 100 кГц и выше) начинает проявляться уменьшение диапазона изменения выходного тока ИППН. Максимальный выходной ток короткого замыкания (КЗ) 1н. кз.тах кгЕы/ъЧи.

Исследованы две новые схемы ИППН, в которых можно обеспечит! требуемый диапазон изменения выходного тока и мощности преобразования без усложнения конструкции силового трансформатора, связанной с обеспечением уменьшения индуктивностей рассеяния. В первой схем; в цепь обратных диодов включается первичная обмотка вспомогательного трансформатора, вторичная обмотка, которого через выпрямител подключается либо к выходу, либо ко входу ИШТЧ. Во второй схеме ] цепь обратных диодов включаются дополнительные ключевые элементы ] дополнительная сйыотка силового трансформатора. При этом максимальный выходной ток КЗ определяется выражением /н.кз.тах : *С2+6)ЕВх/к2ГЬг> где С=П1/П2 для первой схемы и й=ь-д/у/г для вторст схемы ИППН: т,. лг - коэффициенту трансформации силового и вспомогательного трансформаторов; *д, »г*- - числа витков дополнительной ; первичной сбм-ток сидоес-го трансформатора.

Методом усреднения выведены соотношения для расчета склово: части и основных статических характеристик ИЩИ. На рис. 3 приведе ны схема силовой часта одного из вариантов ИППН (рис. 3,а) и вкеш ние характеристики (сплошные линии) и зависимость КПД тц ог ток нагрузки (штриховые лшяп!) при разных В (рис. '3,6) исследовании схем преобразователей . Проведено сраЕ

нение полученных результатов с результатами экспериментального исс ледования макета ИППН.

Четвертая глава посвящена практической реализации высокочас тстшг' транзисторных ИППН повышенной надёжности и КПП, разработк схем ИППН с цепями формирования траекторий переключения силовы транзисторов и схемы дополнительного нагрузочного узла.

При питании ИППН от сети 380 В или других источников повышен кого напряжения амплитуда напряжения на регулирующем транзисторе учетом возможных колебаний в сети, кратковременных перенапряжений различных помех может достигать 1000 В и больше. В этом случае дл получения требуемой надежности регулирующие транзисторы можно сое линять последовательно, обеспечив необходимый запас по напряжении

а)

> h <T\ n m.

»\ \ \ \ \ ...... v \ \ \

i A \ 1 \ i \ i V ' \ \ \ \

\ i \ 1 \ 1 \ i \ i \ > 1 l

/ Л ' . i/\ i /Vi Л 1 Í Р-П2 \¡

V -V

ft§ ¿,¡> лj .6)

Ряс. з

¿,2 lus

или применять последовательное соединение по входу и выходу двух преобразователей.

В работе рассмотрена разработанная автором схема ЖШН с последовательны!.! соединением регулирующих транзисторов, в которой реализован способ так называемого "змиттерного запирания" транзисторов, причем в схеме используется всего-один вспомогательный низковольтный высокочастотный транзистор. При этом способе запирания на этапе рассасывания и спада тока коллектора цепь эмиттера транзистора разрывается, чем исключается вероятность возникновения вторичного пробоя, а граница области безопасной работы (ОБР) транзистора при выключении сдвигается вплоть до напряжения икео- Это повышает надежность работы транзисторов и всего ИППН в целом.

Повышенную надежность имеют разработанные автором схемы ИППН на основе двух соединенных последовательно по входу и выходу преобразователей, в которых обеспечивается точное распределение напряжения источника питания ме;.ду преобразователями. Для этого в одном случае обмотка положительной токоеой обратной связи кавдого из магнитно-транзисторных ключей включается в коллекторную цепь другого ключа. В другом случае в клачи вводятся дополнительные токовые обмотки, включаемые в уравнительную пику .КШШ, появляющуюся при последовательном соединении преобразователей. Предложенные реализации ИППН исключают перегрузи: транзисторных, ключей по напряжения на веек этапах работы и при любой относительной длительности их включенного состояния. В результате существенно повышается надежность ИППН и возрастает КЦЦ за счет уменьшения уравнительных токов.

В транзисторных ИПНН- необходимо . применять специальные цепи, формирующие требуемую траекторию переключения силового транзистора, лежащую в ОБР. Простейшие формирующие ШЗ- и ЯСС-цепи обладают существенным недостатком - они снижают КПД. преобразователей, причем на повышенных частотах- преобразования- рассеиваемая в резисторах мощность становится соизмеримой с выходной мощностью*ИППН. Для устранения этого недостатка применяются формирующие цепи, осуществляющие передачу энергии реактивных элементов цепей на вход, или на выход ИППН, либо во вспомогательные источники питания.

Автором разработаны схемы ИППН с формирующими цепями, в которых передача энергии реактивных элементов цепей на вход или на выход ИППН осуществляется без дополнительных ключевых элементов, что способствует увеличению как КЩ. так и надеетосгя преобразователей.

В работе рассмотрены тагае разработанные автором схемы ИРН.

эднотактных преобразователей, инверторов тока с резонансными цепями формирования траектории переключения транзисторов с рекуперацией энергии без дополнительных ключевых элементов. В работе рассмотрен принцип действия этих схем, приведены рекомендации по их применению к соотношения для расчета емкости зунтиругцчх конденсаторов, при которой обеспечиваются минимальные потери мопцюсти в регулирующих транзисторах. В качестве призера на рис. 4 приведены схема ИРН с цепью указанного типа и зависимость относительных потерь мощности г транзисторе от емкости шунтирующего конденсатора, на рис. 5 -:дна из разработанных схем инверторов тока.

В большинстве ИППН в режимах малых токоз нагрузки и холостого гада наблюдается подъем внешней характеристики, который сохраняется ааже при замкнутой системе управления, Еызызая в преобразователях режимы колебаний на частотах субгармонкк ийи другие виды сложных колебаний. Указанный подъем обычно устраняют путем кодсначештя резистора к выходу преобразователя, что снижает его КТЩ з номинальном эежтае. В работо рассмотрены разработанная автором схема и принцип хействкл дополнительного нагрузочного узла. Узел содержит дза вспомогательных транзистора к несколько-резисторов и подключается к еы-<оду ИШШ, имеющих сглаживающий фильтр с индуктивностью. В реалах, Злизких к номинальному, ток дросселя сглаживающего фильтра непрерывен, дополнительна^ нагрузка не работает. В режимах малых токов {агрузки ток дросселя фильтра становится прерывистым, и вступает в заботу дополнительней нагрузка, причем, чем ыекьЗе ток нагрузки треобразователя, тем больгае время подключенного состояния нагрузоч-юго резистора к выходу ИППН. -Наибольшая длительность включенного состояния дополнительной нагрузки СуЯет' в режиме -холостого хода, :то и способствует устранения, подъема внешней характеристики ШШН.

'ЗЛКгЯЗГЕ -

1. Разработанные на основе точных математических--моделей ИШШ : последовательным резонансный инвертором прокрамш позволяв? про-¡одить расчеты и анализ на ЗВМ реапмов .н характеристик ШШН, выя->ить не изученные динамические эзжши, рассмотреть зяпяние различных алгоритмов -переключения-силовых ключей на основные характерис-•ики, а также проводить расчеты по -оптимальному. проектированию, .'

2. Выявленные особенности дь/х алгоритмов переключения силовых даочей мостового последовательного, резонансного инверторз позволяют

Iß

V

U

V i

-Li

а)

¥

б)

Ркс. 4

\

\

\

Рис. 5

екомендовать на практике такой алгоритм управления ключами, чтобы переходных режимах обеспечивался первый способ, в установившемся ежиме - второй способ передачи энергии колебательного контура.

3. В ИППН на базе последовательного резонансного инвертора с братньми диодами на повышенных частотах преобразования начинает появляться ограничение диапазона изменения выходного тока, устра-ить которое можно применением рассмотренных новых схем преобразо-ателей с использованием полученных в работе соотношений для расче-а силовой части и основных статических характеристик ИППН.

4. Схемы ИППН на основе последовательного соединения двух преобразователей по входу и выходу или ка основе последовательного со-динения регулирующих транзисторов с зкиттерным запиранием позволя-I? разрабатывать устройства повышенной надёжности'за счет выравни-шия напряжений на силовых транзисторах' и создания необходимого ; ал аса по напряжению для них, а также расширения области безопасной >аботы транзисторов при их эшгетерном запирании.

5. Применение для формирования траекторий переключения силовых ■ранзисторов ИППН разработанных автором цепей с рекуперацией энер-■ии без дополнительных ключевых элементов позволяет обеспечить не ■олько высокие КПД и надежность без существенного ухудшения кас-:о-габарлтных показателей ИППН, но и меньшие уровни обусловленных :окачи рекуперации электромагнитных помех в случае резонансных фор- • дарующих цепей. - •

6. Устранение подъема внешней характеристики ИППН в'режимах «алых токов нагрузки а холостого хода применением, разработанной автором схемы дополнительного нагрузочного узла поззоляет без снкже-[ия КПД в номинальных режимах. улучшить качество выходного напряке-¡ия, а з ИППН с замкнутыми системами управления устранять рожи,а хлебаний на частотах субгармолик или'другие виды сложных колебаний I, тактам образом, обеспечить высокое качество процессов и хорошие [инамические показатели ЙППН при Наличии зозмущзвщих зоздзйствкй.

Основное содержание диссертации кзложено в следующих работах: . 1. Еэлоз Г.А., Баймулккн В.А. Экспериментальное исследование мгульсяого регулятора напряжения на шаных МШ-тракзисторах// При-юнение полупроводниковых приборов з преобразовательной технике/ 1увал. ун-т. - Чебоксары. 1983. - С. 34-372. БаймулкинЗ.А. Сравнительная характеристика обгемшэ? пока-гателей последовательного резонансного кнзертора и инзертсра капря-

жения// Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции молодых учеЕых и специалистов ЧАССР. -Чебоксары,1985.-С.15-17

.3. Костьшев В.И., Баймулкин В.А. Импульсный регулятор напряжения с улучшенной схемой зашиты от сквозных токов// Полупроводниковые устройства преобразовательной техники. - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 1385. - С. 28-32.

4. Белов Г.А., Кузьмин С.А., Баймулкин В.А. Мощные транзисторные преобразователи постоянного напряжения// эярстрпннпа р автоматике/ Под ред. Ю.И.Конева. - М.: Радио и связь, 1986. Вып. 17. - С. 142-148.

. 5. Белов Г.А., Баймулкин В.А. Импульсный регулятор напряжения с цепью формирования траектории включения транзистора// Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА. - М.: ВДНТП, 1986. - С. 77-78.

6. Баймулкин В.А.'.Ильин В.Ф. Уменьшение коммутационных потерь в транзисторных ИРН// Полупроводниковые преобразовательные устройства/ Чуваш, ун-т. - Чебоксары, 1387. - С. 16-19.

7. Белов Г.А., Баймулкин В.А. Источник электропитания ка основе транзисторного инвертора тока// Проблемы преобразовательной техники. - Киев,1987. Ч. 2. - С.24-26.

8. Баймулкин В.А. Преобразователь переменного напряжения 380 В в стабилизированное постоянное// Электрические аппараты и устройства на основе ыикроэлектронной техники/ Чуваш, ун-т. - Чебоксары, 1988. - С. 105-110.

• 9. Белов Г.А., Баймулкин В.А. Четырехканальный ИВЭП для питания микропроцессорных устройств// Электротехнические микропроцессорные устройства и системы.- Чебоксары: Изд-во Чузаш. ун-та, 1992. - С. 126-129.

10. Белов Г.А., Баймулкин В.А. 'Исследование стабилизированного резонансного преобразователя постоянного напряжения методом пространства состояний// Проблемы преобразования электроэнергии. Тезисы докл. Между нар. конф. - М. : МЭИ. АССОЦ. "АПЭМ", 1993. - С. 36-37.

11. A.c. N 1121754 СССР. Импульсный регулятор напряжения/ В.И.Костылев, В.А.Баймулкин- Открытия. Изобретения. 1984, N 40.

12. A.c. N 1145426 СССР. Импульсный регулятор постоянного напряжения/ В.А.Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1985, N 10.

13. A.c. N 1159124 СССР. Импульсный регулятор напряжения/ Е.А.Баймулкин, Г. А. В ел ов, В. Ф. Иль ив. Открытия. Изобретения. 1985,N20.

14. А. с. Ла 1182615 СССР. Транзисторный инвертор тока / В. А. Бай-мулкин, Г. А. Белов, С. А Кузьмин. Открытия. Изобретения. 1Уьэ. .№ ЗЬ.

15. А. с. № 1291946 СССР. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения / Г. А. Белов, В. А. Баймулкин, В. И. Костылев и др. Открытия. Изобретения. 1987, № 7.

16. А. с. № 1297199 СССР. Транзисторный инвертор / Г. А. Белов, В. А. Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1987, № 10.

17. А. с. № 1339799 СССР. Импульспый регулятор постоянного напряжения / Г. А. Белов, В. А. Баймулкин, В. И. Костылев и др. Открытия.

Изобретения. 1987, № 35.

18. А. с. № 1381461 СССР. Транзисторный импульсный регулятор с повышенным входным напряжением / Г. А. Белов, С. А. Кузьмин, В. А. Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1988, № Ю.

19. А. с. Л1> 1386979 СССР. Стабилизирующий источник вторичного электропитания / Г. А. Белов, В. А. Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1988, № 13.

20. А. с. № 1390738 СССР. Преобразователь постоянного напряжения / В. И. Костылев, Г. А. Белов, В. А. Баймулкин и др. Открытия. Изобретения. 1988, № 15.

21. А. с. Л« 1524142 СССР. Однотактный преобразователь постоянного напряжения / В. А. Баймулкин, В. И. Костылев, В. П. Крупкин и др. Открытия. Изобретения. 1989, Л» 43.

22. А. с. Л°а 1582296 СССР. Однотактный преобразователь постоянного напряжения / В. И. Костылев, В. Л. Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1990, № 28.

23. А. с. Л? 1598075 СССР. Преобразователь постоянного напряжения / В. И. Костылев, Г. Л. Белов, В. А. Баймулкин и др. Открытия. Изобретения. 1990, № 37.

24. А. с. Л'» 1665484 СССР. Преобразователь постоянного напряжения / В. И. Костылев, В. А. Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1991, № 27.

25. А. с. Л» 1758797 СССР. Однотактный преобразователь постоянного напряжения / В. И. Костылев, В. А. Баймулкин. Открытия. Изобретения. 1992, № 32.

26. Л. с. № 1774443 СССР. Преобразователь постоянного напряжения н постоянное / В. И. Костылев, В. А. Ба/'шулкии. Открытия. Изобретения. 1992. ,М' 41.

Формат 60X84/16. Объем 1 п. л. Тираж 100, Заказ № 930. Тип. ЧувГУ.