автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование и разработка высокочастотных преобразователей на основе нормально открытых статических индукционных транзисторов

Р Г &ОСК01Ш1й ордена ЛЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

+■

На правах рукописи

КАРДАН МАРЕК

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ НОРМАЛЬНО ОТКРЫТЫХ СТАТИЧЕСКИХ ИНДУКЦИОННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.09.12 - Полупроводниковые преобразователи электроэнергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

- МОСКВА 1993

Работа выполнена на кафедре промышленной электроники Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революц:;>: энергетического института

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Ведуаая организация -

кандидат технических наук, доцент Тугов Н.М.

доктор технических наук, профессор Дьяконов В.П., кандидат технических наук, доцент Фадеев К).И.

ВЭИ их. В.И. Ленина

Защита диссертации состоится « 4А » и*^1^^ 1993 г. в аудитории кафедры ЭПП в 4 Т час. Я О мин. на заседании специализированного Совета Д.053.16.13 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

С диссертацией кохно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Отзывы по данной работе просиы направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

Автореферат разослан

18« пая

1993 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент

И.Г. Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время ряд бытовых устройств имеют низкие энергетические и иассо-габаритные показатели:

электронагревательные плиты, излучатели, сварочные аппараты, источники питания ПЭВМ и т.д. Повышение этих показателей - важная народно-хозяйственная задача. Предварительный анализ литературы показал, что решение этой задачи возможно во-первых, при переходе к питанию пульсирующий напряжением, во-вторых, при повышении частоты преобразования до сотеи кГц, в-третьих, при использовании в- качестве активных элементов нормально-открытых статических индукционных транзисторов.

Целью работы является повышение энергетических, массо-габаритных и технических показателей устройств бытовой электроники и электротехнологии в результате исследования, моделирования и построения высокочастотных преобразователей (ВЧП) на основе нормально-открытых ключей (НОК) с питанием пульсирующим напряжением.

Постановка задачи включала в себя :

- разработку электрических и тепловых моделей нормально-открытых ключей на основе СИТ, работающих в резонансных высокочастотных режимах;

- анализ алгоритмов управления ВЧП на основе НОК с питанием пульсирующим напряяенйеы;

- анализ построения и схемотехники ВЧП на основе НОК с питанием пульсирующим напряженней как в целом, так и отдельных модулей ВЧП.

Научная новизна работы заключается в следующем :

- определены электрические и тепловые модели НОК на основе СИТ, работающих в резонансных" высокочастотных режимах;

- проведен анализ алгоритмов управления ВЧП на основе НОК с питанием пульсирующий напряженней:

- определены принципы построения и схемотехника ВЧП на основе НОК с питанием пульсирующим напряжением.

Практическая ценность работы. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработаны:

- электронные устройства с высокими энергетическими , массо-габаритными и функциональными показателями;

- ВЧП с пульсирующим питанием силовой части для индукционного нагрева (нагревательный элемент устройств бытовой электроники);

- ВЧП с регенеративным способом переключения силовых ключей для электротехнологии;

- ВЧП для привода двигателя постоянного тока.

Апробация работы. Некоторые результаты работы обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы

преобразовательной техники" (Киев, 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы включающего 88 наименований. Работа излохена на 120 страницах, из них 74 страниц основного текста и 46 страниц рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определена цель и задачи исследования.

В первой главе рассомгрена модель нормально-открытых ключей, являющихся основой построения ВЧП, которая обеспечивает достаточно высокую точность анализа выходных параметров и характеристик НОК в предельных и аварийных режимах, анализ воздействия на НОК внешних условий, анализ зависимости выходных параметров НОК от внутренних

параметров СИТ (крутизны, коэффициента передачи тока, сопротивления сток-исток).

Предлоге::^ измерительно-вычислительные комплексы и программное обеспечение для определения параметров элементов модели НОК. Один из вариантов подели НОК в виде схемы земещения представлен на рис.1.

РисЛ.

Сравнение результатов моделирования и эксперимента показало.

'УКЫНЛ.

что для НОК в высокочастотном реаешш точность расчетов снижается с ростом частоты вследствии влияния паразитных элементов, вносимых

конструкцией. Для повышения точности моделирования НОК на высоких частотах (свыше 100 кГц) необходимы предварительные натурные испытания НОК, позволяющие оценить паразитные параметры конструкции, и предлагаемая модель НОК эмпирическая. Высокие энергетические показатели НОК в ВЧ резонансных режимах обеспечиваются при выполнении следующих требований ФИУ НОК:

1. Форсированное отпирание и запирание по току при одновременном решении проблемы сквозных токов;

2. Контроль за отсекающим смещением (оптическая обратная связь);

3. Возможность автоматического перехода режима работы НОК из полевого в биполярно-полевой без изменения структуры ФИУ;

4. Обеспечение пропорционального управления при силовом пульсирующим напряжением.

Предложены схемотехнические методы выполнения указанных требований. На рис.2 приведен пример ФИУ с истоковым запиранием, работающим в резонансном режиме.

Рис.2.

Определены особенности анализа ОБР и теплового режима СИТ при работе в НОК на резонансных частотах свыше 100 кГц. предложена тепловая модель СИТ для резонансных режимов.

Проведен анализ схемотехнических иетодов защиты НОК от коммутационных перенапряжений на высоких частотах, обеспечивающих низкий уровень потерь в целях защиты.

Во второй главе проведен анализ проблем построения ВЧП с пульсирующим питанием силовой части (без силового низкочастотного фильтра).

Определена основные преимущества ВЧП с пульсирующим питанием силовой части:

- Резкое снижение "массы и габаритов ВЧП, связанное прежде всего с отсутствием НЧ фильтра.

- Упрощение построения ВЧП за счет цепей нелинейного заряда при включении ВЧП и полного разряда НЧ фильтра при выключении ВЧП.

Унрощение. общего алгоритма управления, что повышает надежность ВЧП в целом.

- Снижение мощности, потребляемой схемой управления, что не просто повышает КПД устройства, но и открывает новые возможности построения локальных источников питания.

- Уменьшение стоимости преобразователя.

• Увеличение коэффицента мощности cos if и уменьшение мощности 'искажений Т в форме тока потребляемого от сети.

--Повышение надежности регулирования выходной мощности.

В работе проведен анализ безопасного алгоритма управления ВЧП с нормально-открытыми ключами. рассмотрена проблема запуска и питания" схемы -управления ВЧП.

Проведен анализ возможных вариантов выполнения ФИУ для СИТ. особенно их выходкой, формирующей ток затвора части. Представлена

схема ФИУ (рис.3), которая применялась в реальной разработке ВЧП для индукционного нагрева.

Рис.Ъ

С целью обеспечения максимального КПД и высокой надежности работы устройства в целом, проектируя ФИУ, следует придерживаться следующих правил:

- в закрытом состоянии СИТ, ФИУ должен обладать минимальным потреблением (максимальное число транзисторов, входящих в состав ФИУ, должно быть закрытым);

- ФИУ должен обеспечивать нормально-закрытое состояние СИТ. т.е. отсутствие входного сигнала ФИУ определяет закрытое состояние СИТ.

Рассмотрена роль оптической обратной связи ОПОС в ВЧП на НОК. Показано, что ее применение повышает надежность работы схемы"и защищает силовые ключи от коротких замыканий, как в рабочем, так и в аврнйных режимах. Кроме того, ОПОС позволяет упростить СУ, обеспечить более эффективное использование силовых ключей по мощности. Практическое построение преобразователей с ОПОС подтвердило ряд других достоинств применения оптопар в качестве датчиков информации в ВЧП, прежде всего возможность передачи состояния по постоянному току, а также:

- обеспечение высокой электрической изоляции входа и выхода информационного канала;

- однонаправленность потока информации (отсутствие паразитной обратной связи с выхода на вход);

- возможность формирования многотактных и многоячейковых схем при сохранении надежности алгоритма работы схемы.

В третьей главе представлении разработанные на базе исследований высокочастотных преобразователей с НОК и пульсирующим питанием эффективные электронные устройства для бытовой электроники и электротехнологии.

Предложен нагревательный элемент со следующими свойствами:

- практически мгновенная готовность к нагреву нагрузки (а не промежуточного основания, как в традиционном нагревательном элементе накаливания);

- отсутствие нагрева окружающего пространства:

высокие энергетические показатели. чистота и полная безопасность:

- микропроцессорное управление (6 алгоритмов нагрева).

На рис.4 приведены алгоритмы нагрева ("кипячения" и "мармира") при разных значениях максимальной потребляемой мощности и различных конструкциях нагревательного элемента.

т °С

400 -

80- ; р^в^К--*"" имена.л риираль

60 ■ - мат-л ННС-2 1

1,0. 1 | т Ьсди = 2 ЧГ 1

20 1 -!-*-

Рис А.

Рис.5

КПД нагрева при этом повышается почти в 5 раз по сравнению с нагревательным элементом накаливания.

На рис.5 приведена зависимость температуры нагрева алюминия от частоты.

Максимальная рабочая частота преобразователя 440 кГц обеспечивает эффективный нагрев алюминия.

На основе предложенного нагревательного элемента возможно построение сварочного модуля с пульсирующим питанием. Повышение мощности модуля обеспечивается либо переходом к многотактным (ячейковым) ВЧП, либо к интегральным силовым сваркам с контролем параметров СИТ (сопротивление в открытом состоянии, напряжение смыкания, напряжение отсечки, крутизны, коэффициента передачи по току). .

Для электротехнологических целей разработан ВЧП в автогенераторном режиме, работающий в широком диапазоне частот (66-440 кГц).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Применение модели СИТ и математического моделирования позволяет на этапе проектирования проводить достаточный с точки зрения точности- анализ работы схемы, значительно экономит время и материальные ресурсы разработчика.

2Г При проектировании реальных устройств необходимо особое "внимание уделить анализу безопасности работы схемы (ОБР) и теплового режима приборов.

3. Большие перспективы открываются перед преобразователями на СИТ с - пульсирующим питанием силовой части, что значительно улучшает технико-экономнческие показатели преобразователей.

4. При-проектировании ВЧП с пульсирующим питанием на НОК особое-внимание следует уделить надежности алгоритма управления, а также формированию формы и амплитуды затзорного тока.

5. Разработан ВЧП на СИТ с пульсирующим питанием для индукционного нагрева.

6. Разработан автогенератор для питания бытовых излучателей (люминисцентных ламп).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кардаш М., Тугов Н.М., Федоров С.Д. Высокочастотные ключи для источников гарантированного питания. //Проблемы преобразовательной техники: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Киев, 1991. - ч. 5. с. 210-211

2. Каталог по применению полевых транзисторов. /Воронин П.А., Пилях А., Кардаш М., Тугов Н.М., Федоров С.Д., Фролков O.A./ под ред. Тугова Н.М. и Федорова С.Д. - Донецк, "Синпас", 1992.