автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Коммутируемые одноактные преобразователи напряжения - исследование, анализ, моделирование

Р Г 6 од

1 3 НОЯ 1305

На правах рукописи

УШЕЛИН Сергей Александрович

КСШУТИРУЕШЕ ОДНОТДКТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ -ИССЛЕДОВАНИЕ. АНАЛИЗ, МОДЕЛИРОВАНИЕ

Специальность 05.09.12 Полупроводшясовые преобразователи электроэнерпи

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедре "Промышленная электроника" Московского энергетического института (Технического университета)

Научный руководитель: д.т.н., доцент Поликарпов А.Г.

Официальные оппоненты: д.т.н., с.н.с. Колосов В.А.

к.т.н., с.н.с. Твердов И.В.

Ведущее предприятие: ОКБ "Меркурий", г. Смоленск

Защита состоится

1995 г. в аудито-

рии кафедры ЭПП в /Г часов ¡со минут на заседании Диссертационного совета Д.053.16.13 Московского энергетического института. (Технического университета)

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250. г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет МЭИ. (Технического университета)

. С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института. (Технического университета)

Автореферат разослан

. £ „

1995 Г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.053.16.13 к.т.н. доцент

И.Г. Буре

- 3 -

ОБЩАЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Постоянная тенденция улучшения массогабаритных показателей современной радиоэлектронной аппаратуры заставляет разработчиков источников вторичного электропитания принимать все возможные меры по уменьшению их массы и объема. Это достигается как конструктивным и технологическим совершенствованием, так и разработкой новых схемных решений.

Улучшение массогабаритных показателей современных источников питания достигается в основном за счет уменьшения массы и объема реактивных компонентов при переходе к более высокой частоте коммутации. Однако, с ростом частоты растут динамические потери в силовых ключах. В результате необходимость отвода тепла становится сдерживающим фактором на пути дальнейшего улучшения их удельных показателей.

Особенностью практически всех новых топологий преобразователей напряжения являются малые динамические потери. Однако существующие в настоящее время преобразователи напряжения (в том числе резонансные и квазирезонансные) не всегда удовлетворяют потребителей. Это приводит как к появлению новых схемных решений, так и новых структур преобразователей. Одной из таких структур являются рассматриваемые в работе коммутируемые одно-тактные преобразователи напряжения.

Целью работы работы является разработка, теоретический анализ, моделирование и экспериментальные исследования коммутируемых однотактных преобразователей напряжения, сочетающих хорошие энергетические показатели, свойственные классическим преобразователям с малыми динамическими потерями, свойственными резонансным схемам; разработка методики определения параметров моделей магнитных компонентов для их последующего использования программами схемотехнического анализа; исследование устойчивости и динамических свойств замкнутых систем стабилизации напряжения и тока на основе разработанных преобразователей.

Основная идея, положенная в основу разрабатываемых структур преобразователей - запирание диода выпрямителя перед выключением силового ключа. При этом через ключ протекает только ток намагничивания силового трансформатора, что обеспечивает малые динамические потери. Запирание диода выпрямителя осуществляется специальными узлами дополнительной коммутации, аналогичными узлам

искусственной коммутации тиристоров. Поэтому разработанный класс преобразователей назван коммутируемыми однотактными преобразователями напряжения.

Задачи, решаемые в диссертационной работе:

1. Разработка новых топологий однотактных преобразователей напряжения, сочетающих хорошие энергетические показатели, свойственные классическим преобразователям, с малыми динамическими потерями, свойственными резонансным схемам.

2. Анализ статических и динамических режимов работы таких преобразователей, получение их основных характеристик, а также расчетных соотношений для обеспечения работоспособности узла формирования траектории переключения силового ключа в заданном диапазоне токов нагрузки.

3. Анализ эффективности предложенного метода формирования траектории в статическом и динамическом режимах работы преобразователей напряжения.

4. Разработка схемных решений коммутируемых преобразователей, в которых силовой ключ включается при нулевом напряжении, а выключается при близком к нулю токе, а также построение многоканальных источников электропитания на основе разработанных преобразователей напряжения.

5. Исследование свойств магнитных материалов при их использовании на высокой частоте перемагничивания.

6. Разработка методики определения параметров моделей магнитных материалов по экспериментальным данным; формирование библиотеки параметров моделей ряда отечественных и зарубежных магнитных материалов.

7. Построение непрерывных моделей разработанных преобразователей напряжения для анализа их частотных свойств.

8. Выработка рекомендаций по коррекции замкнутых систем стабилизации на основе полученных преобразователей напряжения с целью обеспечения их устойчивости.

9. Практическая реализация ИВЭП на основе разработанных преобразователей, и сравнение полученных теоретических данных с экспериментальными.

• Методы исследования При проведении теоретических исследований использовались: аналитические методы, принятые в электротехнике и теории электрических цепей; теория дифференциальных уравнений; методы теории

автоматического управления; метод усреднения в пространстве состояний; пакеты прикладных программ математического анализа и схемотехнического моделирования. Достоверность полученных аналитических зависимостей и результатов машинного анализа проверялась экспериментальными исследованиями, проведенными на макетных образцах.

Научная новизна:

- сформулирован комплекс требований к преобразователям напряжения для обеспечения минимальных динамических потерь при повышенной частоте коммутации;

- получены аналитические выражения, описывающие электромагнитные процессы в коммутируемых преобразователях;

- получены расчетные соотношения для обеспечения формирования траектории переключения силового ключа в заданном диапазоне токов нагрузки;

- разработана методика определения параметров моделей магнитных компонентов;

- предложен способ улучшения точности моделирования петли пе-ремагничивания аморфных сплавов;

- получены частотные характеристики коммутируемых преобразователей напряжения;

- сделаны выводы относительно устойчивости и способов ее достижения в замкнутых системах стабилизации на основе разработанных преобразователей.

Практическая ценность:

- разработана новая топология преобразователей напряжения, способная обеспечивать малые динамические потери при повышенной частоте коммутации;

- получены аналитические выражения для регулировочных и внешних характеристик разработанных преобразователей напряжения, расчетные соотношения для обеспечения формирования траектории и ограничения на коэффициент заполнения управляющих импульсов силового ключа;

- построены непрерывные нелинейные модели коммутируемых преобразователей напряжения, позволяющие исследовать их динамические и частотные характеристики;

- выработаны рекомендации по обеспечению устойчивости замкнутых систем стабилизации на основе разработанных преобразователей;

- получены экспериментальные данные о свойствах магнитных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса на различных частотах перемагничивания и выработаны рекомендации об их использовании в качестве сердечника насыщающегося магнитного реактора;

- сформирована библиотека параметров моделей ряда отечественных и зарубежных магнитных материалов;

Основные положения, выносимые на защиту:

- способ формирования траектории переключения силового ключа;

- параметрическая и функциональная реализация способа формирования траектории переключения силового ключа;

- топологии разработанных коммутируемых однотактных преобразователей напряжения;

- схемные решения многоканальных ИВЭП на основе коммутируемых преобразователей;

- схемные решения обеспечения минимальных суммарных потерь в ключах коммутируемых преобразователей;

- методика определения параметров модели перемагничивания ферромагнетиков, позволяющая сформировать библиотеку параметров моделей отечественных и зарубежных магнитных материалов и использовать ее при анализа высокочастотных преобразователей напряжения;

- применение метода усреднения в пространстве состояний для анализа коммутируемых преобразователей (в том числе и при частотно-импульсной модуляции);

- непрерывные нелинейные модели разработанных преобразователей напряжения.

Реализация результатов работы:

Результаты работы использованы при разработке источника тока для заряда аккумуляторных батарей автономной аппаратуры заводом "Измеритель", г. Смоленск.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:

- на семинаре кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ "Структуру однотактных преобразователей напряжения с малыми динамическими потерями", декабрь 1994 г.

- на семинаре кафедры промышленной электроники МЭИ "Проблемы проектирования преобразователей напряжения с повышенной частотой коммутации", октябрь 1995 г.

- на научном совете по комплексной проблеме "Научные основы

электрофизики и электроэнергетики" - "О научном обеспечении отечественного производства источников вторичного электропитания". Российская академия наук; отделение физико-технических проблем энергетики; октябрь 1995 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ; еще 4 приняты к публикации и находятся в печати.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 126 страницах машинописного текста, иллюстрированных 67 рисунками на 37 страницах; списка литературы, включающего 81 источник на 8 страницах; и 3 приложений на 25 страницах.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность разработки и предпосылки теоретических и экспериментальных исследований новых структур преобразователей постоянного напряжения, позволяющих обеспечить улучшение массогабаритных и надежностных показателей источников электропитания за счет снижения динамических потерь. Сформулирована цель работы и задачи исследования; приведены положения, выносимые на защиту; показана научная новизна и практическая ценность результатов исследования. Приведена структура изложения материала диссертационной работы.

В первой главе показана актуальность уменьшения потерь в преобразователях напряжения малой и средней мощности, а также целесообразность улучшения качества потребляемого сетевыми ИВЭП тока (коррекция коэффициента формы). Приведены основные пути уменьшения потерь в источниках питания, а также проведен анализ структур преобразователей напряжения, предназначенных для работы с повышенной частотой коммутации. Выявлены основные недостатки существующих в настоящее время преобразователей напряжения и требования, предъявляемые к их новым топологиям. Проведен анализ элементной базы современных ИВЭП и показаны тенденции ее совершенствования. Рассмотрены особенности технологии изготовления магнитных компонентов преобразователей напряжения с повышенной частотой коммутации, а также применяемые в таких преобразователях магнитные материалы.

В первой главе рассмотрены также известные методы анализа установившегося и динамического режимов работы преобразователей напряжения, а также возможность их совместного использования с

Рис. 1

пакетами программ схемотехнического анализа (РБр1се и ШсгоСАР). Признано наиболее целесообразным использовать для такого анализа метод усреднения в пространстве состояний.

Кроме того, рассмотрены проблемы, возникающие при анализе и моделировании магнитных компонентов преобразовательных устройств, особенно при использовании их нелинейных и гистерезисных свойств. Показаны недостатки существующей методики определения параметров моделей магнитных компонентов, используемых в пакетах программ схемотехнического анализа. Сформулированы требования к новой методике.

В конце главы сформулированы конкретные задачи проводимого исследования.

Во второй главе рассмотрен способ уменьшения динамических потерь в преобразователях напряжения, основанкый на параметрическом или функциональном (под воздействием сигнала управления) запирании выпрямительного диода перед выключением силового ключа. В момент коммутации через ключ протекает только ток намагничивания силового трансформатора, что обеспечивает малые динамические потери на этом этапе работы.

Для запирания выпрямительного диода необходим узел дополнительной коммутации, подобный узлу искусственной коммутации тиристоров. Поэтому разработанная топология названа коммутируемыми преобразователями напряжения. В работе рассматриваются только однотактные преобразователи такого типа, хотя возможно построение и двухтактных схем, использующих этот принцип.

Схема коммутируемого однотактного преобразователя напряжения (КОПН), использующая для згширания выпрямительного диода насыщающийся магнитный реактор, представлена на рис. 1.

Магнитный реактор выполнен на сердечнике из материала с прямоугольной петлей гистерезиса. В ненасыщенном состоянии он

Рис. 2

- 9 -

представляет собой трансформатор тока. Во время открытого состояния силового ключа магнитный реактор перемагничивается по частному циклу с заходом в насыщение (рис. 2, кривая а). К моменту насыщения коммутирующий конденсатор С1 оказывается заряженным до 2пЕ, где п - коэффициент трансформации силового трансформатора, Е - напряжение питания. После насыщения реактора напряжение на этом конденсаторе оказывается приложенным к диоду УБ2 и запирает его. Ток силового ключа падает до тока намагничивания силового трансформатора и потери при его выключении оказываются минимальными. Временные диаграммы работы схемы представлены на рис. 3.

В рассматриваемой схеме длительность проводящего состояния силового ключа определяется перезарядом конденсатора С1 трансформированным током нагрузки. Максимальная длительность импульса ограничена максимальным перепадом индукции в сердечнике магнитного реактора:

1тах = (8-Вр-И! -5 р)/пЕ , где Б - сечение магнитопровода магнитного реактора;

зд, - число витков обмотки VII; Вг - остаточная индукция; р - коэффициент прямоугольности петли гистерезиса. Вследствие ограниченности максимальной длительности импульса, минимальный ток нагрузки 1н т1п, при котором сохраняется нормальный режим работы узла дополнительной коммутации:

■С1

Рис. 3

2 г2 П ' Е

I

Н т I п

4 Вр -Б' ( «2 - \У, )

Однако в большинстве случаев формирование траектории переключения в области малых токов отсутствует вследствие ограничения максимальной длительности импульса схемой управления для обеспе-«рчия нормального режима работы силового трансформатора.

Максимальный ток нагрузки IH тах, при котором сохраняется формирование траектории переключения, ограничен индуктивностью рассеяния магнитного реактора La:

I„ гоах = nE / / La/Cl

Импульс напряжения на входе LC-фильтра такого преобразователя имеет достаточно сложную форму (Ut, на рис. 3). Поэтому для получения регулировочной и внешней характеристик его целесообразно заменить эквивалентным, с равной вольт-секундной площадью и амплитудой пЕ. Длительность этого импульса t„3 :

t

2-w, S ^ 2-nE-Cl ( w2

ИЭ =

C'l Ib'VjJ / Wo \

(Bs - M + —— - + 1 .

IH v W, >

пЕ 1н

Вз - индукция насыщения магнитного реактора;

Поскольку рассматриваемый преобразователь напряжения выполнен на основе регулятора 1-го типа, то его регулировочная характеристика в общем виде представляет собой выражение:

ин/пЕ - 1/(1 + где 1п - длительность паузы.

Так как длительность импульса в таком коммутируемом преобразователе определяется параметрами схемы, то для регулирования напряжения можно использовать только частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ).

При получении регулировочных и внешних характеристик длительность паузы целесообразно нормировать на период собственных колебаний выходного ЬС-фильтра. При этом регулировочная характеристика будет иметь вид:

Цн _ 1_

пЕ / с( \

1 +

А + В/1

н

2w, S nE Cl • (wz + w,) где А = --- (Bs - Br); В =

пЕ Тф (у»2 - щ ) -Тф

с( = Ц /Тф ; Тф = 2п / Ь2С2.

Полученные согласно этому выражению семейства регулировочных и внешних характеристик представлены на рис. 4 и 5 соответственно.

При фиксированном периоде Т следования импульсов схема ве-

- 11 -

дет себя как источник мощности:

Рн = 2 - Г-С1 - п Е

1 «г " «1 где Г = 1/Т - частота коммутации;

Рн - мощность нагрузки.

Анализ регулировочных характеристик преобразователя показал, что его предпочтительно использовать в составе стабилизатора тока или мощности. В последнем случае, помимо формирования траектории переключения силового ключа, появляется параметрический канал стабилизации, что как правило улучшает динамические характеристики.

Магнитный реактор рассматриваемого преобразователя можно выполнить и с автотрансформаторным включением обмоток (рис. 6). При этом несколько улучшаются его массогабаритные показатели, а также уменьшается влияние индуктивностей рассеяния.

Наиболее существенным недостатком рассмотренного коммутируемого однотакт-ного преобразователя при построении на 71 его базе стабилизаторов напряжения является .сильная параметрическая зависимость длительности проводящего состоя- и ния силового ключа от тока нагрузки. Показано, что частота работы преобразо- ^ вателя в режиме стабилизатора налряже- Рис. 6

ния пропорциональна току. Поэтому получение широкого диапазона рабочих токов затруднено. Вследствие этого на основе такого КОПН более целесообразно построение стабилизатора тока, работающего на противо-ЭДС (например для заряда применение КОПН с магниакку-муляторных батарей). Из-за наличия токовой обратной связи, применение КОПН с магнитным реактором в таком режиме оказывается весьма эффективным.

В рассмотренной схеме магнитный реактор выполняет одновре-

05

Рис. 5

1н/1н1МХ 1

Рис. 7 Рис. 8

менно функцию трансформатора, заряжающего коммутирующий конденсатор, и функцию ключа, подключающего этот конденсатор к диоду для запирания последнего. Для исключения параметрической зависимости длительности импульса от тока нагрузки и напряжения первичной сети целесообразно разделить функции трансформатора и ключа. При этом для дополнительной коммутации можно использовать обычный транзисторный ключ, который подключает к диоду предварительно заряженный конденсатор.

Схема одного из вариантов такого коммутируемого преобразователя представлена на рис. 7. В ней заряд конденсатора осуществляется энергией дросселя выходного фильтра. Этот же многообмоточный дроссель выполняет роль коммутирующего трансформатора. Диаграммы токов и напряжений схемы также представлены на рис. 8. Выпрямительный диод \/Б2 запирается перед выключением силового ключа источником ЭДС, образованным многообмоточным дросселем и конденсаторами С1 и С2.

Такой преобразователь напряжения позволяет использовать ШИМ-регулирование. Регулировочная характеристика идеализированного преобразователя имеет вид:

Чн _ _*_

пЕ ' 1 ( "1 + *2 + "з , '

где 1С - коэффициент заполнения управляющих импульсов основного ключа;

- коэффициент заполнения управляющих импульсов дополнительного ключа;

"1,•"з " число витков в соответствующих обмотках дросселя Минимальное значение коэффициента заполнения управлявших

с.

- 13 -

импульсов Уп1п, при котором сохраняется формирование траектории:

*пип - «з / («1 + «2 + *3) -и В рассматриваемом КОПН спад тока силового ключа происходит достаточно медленно. Это объясняется большой индуктивностью рассеяния многообмоточного дросселя. Кроме того, в таком КОПН не устранены динамические потери в дополнительном ключе.

Перечисленные недостатки отсутствуют в преобразователе с резонансным узлом дополнительной коммутации (рис. 9). В этой схеме функции фильтрации пульсаций и осуществления дополнительной коммутации разделены между двумя магнитными компонентами. Это позволяет обойти противоречивость требований, предъявляемых к многообмоточному дросселю предыдущей схемы. Колебательный контур, образованный индуктивностью рассеяния коммутирующего трансформатора и конденсатора С1, позволяет свести к минимуму потери при дополнительной коммутации.

Минимальные потери при дополнительной коммутации могут быть получены в схеме с зарядом дополнительного конденсатора энергией, накопленной в сердечнике силового трансформатора, если за время дополнительной коммутации конденсатор полностью разряжается.

На основе разработанных преобразователей напряжения возможно построение многоканальных источников (как с гальванической развязкой между каналами, так и без нее). Один из вариантов представлен на рис. 10.

На рис. 11 представлен также КОПН с синхронным выпрямлением. В этой схеме отсутствует коммутирующий трансформатор. Заряд коммутирующего конденсатора С1 осуществляется во время разомкнутого состояния силового ключа энергией, накопленной в сердечнике силового трансформатора. Обмотка рекуперации служит для ограничения напряжения на коммутирующем конденсаторе.

• '. ]

Рис. 9

Использование синхронного выпрямителя позволяет, помимо снижения статических потерь, осуществлять включение силового ключа при нулевом напряжении на нем. Для разряда выходной емкости силового ключа дополнительная коммутация осуществляется не только перед выключением, но и перед включением силового ключа. Ток разряда емкости ограничен индуктивностью рассеяния силового трансформатора. Силовой ключ преобразователя включается при нулевом напряжении, а выключается при нулевом токе, что обеспечивает минимальные динамические потери и низкий уровень излучаемых помех. Использование такой схемы преобразователя напряжения предпочтительно в источниках питания, работающих от промышленной сети (220 В) и использующих в качестве силового ключа МДП-тран-зистор.

В третьей главе рассмотрены вопросы экспериментальных исследований параметров магнитных материалов при высоких частотах перемагничивания, а также их моделирования. Эти исследования были вызваны необходимостью отбора магнитных материалов, способных работать в качестве сердечника магнитного реактора на частотах свыше 100 кГц, а также сравнительной оценки удельных потерь в ферритах и аморфных сплавах. Измерения проводились при помощи автоматизированного стенда [4], позволяющего получать петлю',гистерезиса магнитного материала, а также его основные параметры при заданной амплитуде и форме индукции на частотах до 1 МГц.

Задача моделирования магнитных материалов возникла при исследовании динамических режимов работы КОПН с магнитным реактором при помощи программ схемотехнического анализа (М1сгоСАР-1У и Р5р1се). Процессы в этой схеме КОПН определяются перемагничива-нием сердечника реактора и от точности определения параметров модели существенно зависит достоверность полученных результатов.

Для достижения приемлемой точности предложена методика определения параметрвв модели магнитных материалов (модели Джил-са-Атертона), используемых этими программами. Методика основана на расчете начальных приближений параметров модели по двум экспериментально снятым петлям гистерезиса магнитного материала

Рис. 11

- 15 -

(рис. 12), и процедуре оптимизации, направленной на приближение расчетной петли к экспериментальной. Оптимизация проводилась при помощи программы Parts пакета PSpice.

Методика позволяет определить параметры модели второго уровня сложности: MS (намагниченность насыщения), А (пара-

Рис.

12

метр формы безгистерезисной кривой намагничивания), С (постоянную упругого смещения доменных границ), К (постоянную подвижности доменов).

Общий алгоритм определения начальных приближений параметров модели можно сформулировать следующим образом:

- измеряется предельный цикл перемагничивания, на основе которого вычисляются Ms и К:

Ms = Bg/Ho - Hs, К =е Нс.

- для этой же петли находится величина ^; по справочным данным или на основе измерений в малых полях - д,, после чего - коэффициент С:

С = (Man - )

- измеряется петля перемагничивания с амплитудой индукции Вд/2 и определяется коэффициент А:

А - На- fW

Используя разработанную методику и результаты экспериментальных измерений была сформирована библиотека параметров моделей ряда отечественных и зарубежных магнитных материалов (в том числе и с прямоугольной петлей гистерезиса).

В четвертой главе изложены результаты моделирования установившихся и динамических 8001 ' ' ' ' ' ^ ' 1 |1,в режимов работы коммутируе- т мых преобразователей напряжения. На рис. 13 приве- too дены временные диаграммы тока и напряжения силового 200 ключа при формировании 0 траектории включения и выключения. Проведена оценка эффективности предложенного метода формиро-

Рис.

1.5

13

2 t,HC&5

вания траектории переключения силового ключа в преобразователях, работающих от бортовой (27В) и промышленной (220В) сети. Исследована работа КОПН с магнитным реактором в режиме источника тока при работе на проти-во-ЭДС. Диаграмма тока при выходе на режим представлена на рис. 14. Проанализирована работа различных узлов дополнительной коммутации во время переходных процессов. Показано влияние дополнительной коммутации на динамические характеристики преобразователя. Переходной процесс выхода на режим КОПН с дополнительным транзисторным ключом и зарядом коммутирующего конденсатора от силового трансформатора приведен на рис. 15. Показано, что в сетевом преобразователе с частотой коммутации 250 кГц при выходной мощности 80 Вт использование дополнительной коммутации снижает суммарные потери в ключах с 7.6 Вт до 3.7 Вт.

В пятой главе разработаны нелинейные непрерывные модели различных типов коммутируемых преобразователей. Модели получены методом усреднения в пространстве состояний. Проведен сравнительный анализ результатов расчетов по полным (имитационным) и непрерывным моделям. Показано, что полученные модели адекватно отражают напряжение на нагрузке в динамических режимах работы преобразователя. Большинство этих моделей пригодны для анализа реакции на большие возмущающие воздействия, в том числе переходных процессов выхода на режим при включении. По полученным моделям построены частртные характеристики разработанных преобразователей в различных режимах работы и показано, что с точки зрения методики обеспечения устойчивости замкнутых систем стабилизации напряжения, КОПН аналогичны преобразователям первого типа.

Рис. 14

Рис. 15

- 17 -И "н 10

полная модель

непрерывная

нелинейная

модель

1, мкС

1,мкС

800

0 400

Рис. 16 Рис. 17

На рис. 16 и 17 представлены результаты расчетов переходных процессов по полным и нелинейным непрерывным моделям для КОПН с магнитным реактором , а также с дополнительным транзисторным ключом и зарядом коммутирующего конденсатора от силового трансформатора соответственно. Временные диаграммы приведены для 100% скачков сопротивления нагрузки.

На рис. 18 представлены частотные характеристики КОПН с магнитным реактором при работе на противо-ЭДС с разным внутренним сопротивлением, а на рис. 19 - частотные характеристики скорректированной системы стабилизации на основе КОПН с дополнительным транзисторным ключом в наихудшем, с точки зрения обеспечения устойчивости, режиме работы.

Кьг дв г

30

Г.кГц

■ ^......:

г,кГц

0.001 0.01 0.1 1 10 Г.кГц 0.001 0.01 0.1

Рис. 18 Рис. 19

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведенной работы.

В приложениях приведены схемы макетных образцов ИВЗП на основе разработанных преобразователей, их основные характеристики

и осциллограммы. Представлены результаты экспериментальных исследований магнитных материалов, а также полные (имитационные) модели КОПН для анализа в среде М1сгоСАР-1У.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработан новый класс однотактных преобразователей напряжения, обеспечивающих выключение силового ключа при токе, равном току намагничивания силового трансформатора.

2. Предложены схемные решения, обеспечивающие формирование траектории переключения в любых динамических режимах. Траектория переключения силового ключа имеет близкую к идеальной форму и полностью лежит в области безопасной работы транзистора.

3. Показано, что использование синхронного выпрямления совместно с дополнительной коммутацией позволяет осуществлять включение силового ключа при нулевом напряжении, а выключение - при близком к нулю токе.

3. Исследован резонансный режим работы узла дополнительной коммутации, который позволяет исключить динамические потери не только в основном, но и в дополнительном ключе, что создает предпосылки для увеличения КПД такого преобразователя.

4. Показано, что различные типы коммутируемых преобразователей напряжения могут использовать как ЧИМ, так и ШИМ регулирование и применяться для построения не только стабилизаторов напряжения, но и стабилизаторов тока.

5. Получены основные расчетные соотношения для разработанных преобразователей, а также их внешние и регулировочные характеристики.

6. Получены нелинейные непрерывные модели КОПН, адекватно отражающие переходные процессы не только при малых, но и при больших возмущающих воздействиях (в том числе во время выхода на режим при включении).

7. Показано, что дополнительная коммутация не меняет качественный вид частотных характеристик преобразователей напряжения. Частотные характеристики коммутируемых преобразователей оказываются аналогичными ОПН-1, что позволяет использовать для коррекции замкнутых систем на их основе известные методики.

8. На основе результатов экспериментов показано, что су-

ществующие в настоящее время отечественные магнитные материалы позволяют при приемлемой величине потерь проектировать преобразователи с частотой коммутации до 400 кГц. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса имеют удовлетворительные характеристики до частот 150 - 200 кГц. Некоторые ферриты импортного производства способны работать режиме насыщающегося магнитного реактора на частотах 300 - 400 кГц.

9. Разработана методика определения параметров модели магнитных материалов, используемой программами схемотехнического анализа. Эта методика для ферритов, Мо-пермаллоев, ферромагнетиков аморфной структуры позволяет добиться точности моделирования порядка 10-15% по основным параметрам петли.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Стенд для исследования магнитных материалов и компонентов в области высоких частот. Амелин С. А., Иванов 0. В., Новиков A.A., Ширяев А.О. //Информационный листок. Смоленский межотраслевой территориальный центр научно-технической информации и пропаганды, 1991

2. Анализ динамических процессов в прецизионном импульсном источнике питания. Александрова М. Ю., Амелин С. А., Иванов 0.В., Лукьянова Л.Е., Новиков A.A., Ширяев А.О. //Труды института /Смоленский филиал МЭИ,- 1992,- Вып. 2,- С. 12-18.

3. Амелин С. А., Поликарпов А.Г. Коммутируемые однотактные преобразователи напряжения //Электросвязь, N10, 1994. С. 30-32.

4. Амелин С.А., Строев H.H. Программно-аппаратный комплекс для исследования сердечников магнитных компонентов высокочастотных преобразователей напряжения. //Труды института /Смоленский филиал МЭИ. - 1995.-Вып. 8.- С. 3-7.

5. Крутиков К.К., Амелин С. А. Перспективы применения магнитно-связанных фильтров в структурах вентильных преобразователей. //Труды института /Смоленский филиал МЭИ. - 1995. - Вып. 8. -С. 135-139

Подписан!) к печати JI— /л/"* ФГ\С

Псч. л. JZ5 Тираж IVU Заказ (М/С

Типография Л\ЭП, Краспокачармешшя, 13.