автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Разработка высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями

РГ6 од

На правах рукописи

ГЕРАСИМОВ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С УМЕНЬШЕННЫМИ КОММУТАЦИОННЫМИ ПОТЕРЯМИ

Специальность 05.09.12—Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва. 1999г.

Работа выполнена в Акционерном обществе закрытого типа «ММП—Ирбис»

Научный руководитель: д.т.н. Лукин A.B.

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Малышков Г.М.

к.т.н., с.н.с. Шершунов А.П..

Ведущая организация ЗАО «Связь инжиниринг», г.Москва

Защита состоится " // " 2000г. в аудитории кафедры ЭПП в

часов ¿¿7минут на заседании Диссертационного совета Д 053.16.13 Московского Энергетического института (Технического университета) по адресу: г.Москва, ул.Красноказарменная, д. 17.

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

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

Автореферат разослан " " 2000г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д 053.16.13

к.т.н., доцент / 'УлА^ И.Г.Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современным генеральным направлением развития высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН) в мире по-прежнему остается повышение массо-объемных характеристик при обязательном выполнении требований по надежности и качеству электроэнергии. Одним из важнейших путей повышения удельной мощности (Вт/дм3 или Вт/кг) является повышение частоты преобразования. Для эффективной реализации этого направления необходимо иметь соответствующие компоненты: транзисторы, диоды, магнитные компоненты, конденсаторы, и т.д. Кроме того, необходимо применение современных методов конструирования, и последних достижений технологии производства.

В настоящее время появились необходимые компоненты ВПН и поэтому, остро встал вопрос поиска новых структур преобразователей, позволяющих наиболее полно использовать возможности новой элементной базы, обеспечить высокий КПД, надежность и электромагнитную совместимость ВПН с функциональной аппаратурой. Широко применяемые сегодня традиционные ВПН имеют ограниченный диапазон рабочих частот и удельных мощностей, поэтому нахождение и выбор новых структур ВПН является необходимым условием продвижения по генеральному направлению.

Для найденных структур ВПН необходимо получить основные соотношения (регулировочные характеристики, максимальные значения токов и напряжений на элементах, ограничения по регулировке и т.п.) и выработать методики их проектирования.

Основным сдерживающим фактором повышения частоты преобразования в традиционных ВПН является рост коммутационных потерь в полупроводниковых приборах.

До последнего времени эти проблемы решались в основном путем формирования траекторий переключения силовых транзисторов и диодов.

Возможен другой путь решения проблемы. К настоящему времени опубликовано достаточно много работ, в которых рассмотрены разнообразные высокочастотные преобразователи напряжения, использующие в своей работе явление

резонанса. Введением дополнительных индуктивности и емкости (либо использованием паразитных индуктивностей рассеяния трансформатора и выходной емкости транзистора), образующих резонансный контур, и специального алгоритма управления силовой частью, традиционные ВПН преобразуются в новые структуры, позволяющие практически исключить потери при переключении силовых полупроводниковых приборов и значительно уменьшить пульсации выходного напряжения и электромагнитные помехи ВПН.

В современных публикациях зарубежных и отечественных авторов рассмотрены различные схемы ВПН-РК и принципы их действия. Для многих из них получены регулировочные характеристики и определены режимы работы основных элементов. Необходимо отмстить, что регулироночные характеристики, как правило, приводятся в виде исходных уравнений, решений их на ЭВМ и результатов, представленных графиками и номограммами. Совершенно недостаточно представлены сравнительные анализы различных схем ВПН-РК, методы оптимальных расчетов, полные алгоритмы проектирования. Огсутепше аналитических выражений регулировочных характеристик и основных расчетных соотношений затрудняет определение областей оптимального применения конкретных схем.

Исходя из изложенного, является актуальным определение на основе комплексного анализа свойств различных структур ВПН, наиболее полно соответствующих дальнейшему улучшению массо-объемных характеристик ВПН.

Целью работы является создание нового поколения высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями, отвечающих требованиям повышения массо-объемных характеристик источников электропитания на основе теоретического анализа, моделирования и разработки методик проектирования этих устройств.

Основные задачи исследования:

- выявление и сравнительный анализ наиболее перспективных структур ВПН, позволяющих на современном этапе развития эффективно миниатюризировать устройства и системы вторичного электропитания:

- исследование режимов работы, определение параметров основных процессов и разработка методики проектирования квазирезонансных ВПН с переключением при нуле тока;

- исследование режимов работы, определение параметров основных процессов и разработка методики расчета обратноходового автогенераторного ВПН с резонансным переключением;

- определение свойств и эффектов высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН и разработка методик их расчета;

- проведение экспериментальной проверки результатов теоретического анализа и практических реализаций.

Методы исследования. Научные положения работы получены на основе теории электрических цепей, математического анализа, аналогового и цифрового моделирования. Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением математических методов, схемотехническим моделированием, а также испытаниями опытных партий изделий, периодическими испытаниями, промышленным выпуском больших партий устройств и результатами эксплуатации у потребителей.

Научная иовизна работы состоит в следующем:

- выявлены характерные особенности новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, определяющие эффективные пути повышения частоты преобразования с целью получения высоких массо-объемных характеристик источников электропитания;

- показано влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения на их геометрический и тепловой объемы и определены аналитические зависимости объемов от диапазона регулирования;

- разработаны теория работы и аналитические расчетные соотношения квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока;

- разработан принцип введения резонансного переключения в обратноходо-вой автогенераторный высокочастотный преобразователь напряжения, определены основные параметры процессов и получены расчетные соотношения;

- показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения имеет универсальный характер и может быть реализован в любых автогенераторных схемах, включая двухтактные

- получены расчетные соотношения с учетом основных особенностей и эффектов, возникающих в электромагнитных компонентах преобразователей напряжения при высокой частоте преобразования.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- использование на практике полученных зависимостей объемов высокочастотных преобразователей напряжения от способа и глубины регулирования позволяет повысить их удельные массо-объемные характеристики;

- разработана методика расчета квазирезонансного высокочастотного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий;

- разработана методика проектирования обратноходового автогенераторного высокочастотного преобразователя напряжения с резонансным переключением при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий;

- разработана оригинальная методика расчета высокочастотных электромагнитных компонентов ППМ, что позволило существенно снизить высокочастотные потери в дросселях и трансформаторах;

- создано новое поколение российских промышленных преобразователей электроэнергии с удельными мощностями до 1000 Вт/дм1, высокими КПД и надежностью при низкой стоимости.

Основные положения, выносимые на защиту:

- результаты сравнительного анализа и выбора новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, позволяющие решить задачу повышения их массо-объемных характеристик;

- влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения на их геометрический и тепловой объемы;

- теоретические положения и методика проектирования квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока;

- результаты исследований автогенераторного обратноходового высокочастотного преобразователя напряжения, позволившие совместить принцип резонансного переключения и режим самовозбуждения; полученные расчетные соотношения и разработанную методику проектирования при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах.

- семейство новых перспективных высокочастотных преобразователей электроэнергии для универсального применения.

Реализация результатов работы. Проведенные в работе исследования и полученные новые теоретические результаты легли в основу разработки в АОЗТ "ММП-Ирбис" ряда источников питания на выходные мощности от трех до ста пятидесяти ватт с высокими техническими характеристиками.

Разработанные источники питания выпускаются АОЗТ "ММП-Ирбис" серийно и применяются в разнообразной функциональной аппаратуре, разрабатываемой и выпускаемой более чем тремястами предприятиями России и СНГ.

Эффективность их использования подтверждена соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались на: заседание НТС кафедры "Электрооборудование ЛА", МАИ, 1991г.: отраслевом семинаре "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоение в серийном производстве унифицированных источников вторичного электропитания импульсного типа", Севастополь, 1987г.; отраслевом семинаре "Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития", Севастополь, 1989г.; Всесоюзной конференции по ИВЭП, Ленинград, 1990г.; семинаре Ассоциации "Электролита-

ние" "Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки", Москва, 1991г.; целевом семинаре Ассоциации "Электропитание" "Элементная база для источников вторичного электропитания", Севастополь, 1992г.; Всероссийском совещании Ассоциации "Электропитание" и АО "ВТ и ПЭ" "Перспективы разработок и производства ИВЭ", Москва, 1994г.

Публикации. По результатам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 9 печатных работ и получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, иллюстрированного 46 рисунками на 33 страницах и списка литературы, включающего 114 источников на 12 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность разработки и исследований высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями на основе теоретического анализа, моделирования и создания высокоэффективных транзисторных преобразователей. Сформулированы цель работы и задачи исследований, представлены положения, выносимые на защиту, показана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен анализ новых перспективных структур высокочастотных преобразователей напряжения. Можно выделить четыре основных класса ВПН с резонансными контурами: резонансные, квазирезонансные, класса Е и с резонансным («мягким») переключением,

Структуры ВПН с последовательным РК и последовательным включением нагрузки не эффективно работают при малой нагрузке и неработоспособны на холостом ходу и имеют высокие пульсации тока в выходном конденсаторе фильтра. На практике такая структура используется в сетевых ИВЭП при мощности в нагрузке до нескольких киловатт.

В структуре ВПН с последовательным резонансным контуром и параллельным подключением нагрузки потери мощности в транзисторах при включении

равны нулю. Схема работает на холостом ходу. Оптимальное применение схемы в случаях больших токов нагрузки, низкого выходного напряжения при нешироком диапазоне изменения входного напряжения.

Квазирезонансные ВПН характеризуются наличием РК не выше второго порядка и однонаправленной передачей энергии в нагрузку. Квазирезонансные схемы с переключением при нуле тока могут быть очень эффективны при работе на высокой частоте. Эти преобразователи эффективны при низком входном напряжении, и при высоком напряжении и малых токах, потому что снижаются токовые перегрузки.

Установленная мощность полупроводниковых приборов и реактивная мощность элементов РК в ВПН класса Е больше чем у резонансных ВПН, поэтому область применения этой структуры весьма ограничена.

Преобразователи напряжения, в которых РК работает только во время переключения силовых ключей, называются ВПН с резонансным ("мягким") переключением. В этих ВПН коммутация силовых ключей происходит при нуле напряжения. В них сочетаются низкие потери при переключении с экономичностью процесса передачи мощности схем с ШИМ. Поскольку действие РК ограничено временами фронтов тока и напряжения, то реактивная мощность их элементов мала. В структурах ВПН с резонансным переключением путем введения специального алгоритма управления очень удачно и просто используются паразитные параметры элементов с целью значительного снижения потерь при переключении полупроводниковых приборов.

Анализ способов регулирования в высокочастотных преобразователях напряжения показал их влияние на геометрический и тепловой объемы.

Проведенный анализ новых перспективных структур высокочастотных преобразователей напряжения позволил выявить топологии, в наибольшей степени, удовлетворяющие современным требованиям повышения массо-объемных характеристик ВПН. Показано, что в предложенных структурах потери при переключении силовых полупроводниковых приборов снижены в максимальной степени и не ограничивают рост частоты преобразования. Получены зависимости объемов вы-

сокочастотных преобразователей напряжения от диапазона регулирования выходного напряжения, позволяющие более полно проводить комплексную миниатюризацию.

Во второй главе проведен анализ квазирезонансного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока рис.1.

Ь

\т

1.ф

____

Сф .

Ин

Рис.1. Принципиальная электрическая схема преобразователя Получено выражение для регулировочной характеристики:

и

т 2 л

к + + агс8ш(<?1/}+

1 +

ди

Рассчитаны действующие значения напряжений и токов реактивных элементов резонансного контура и их реактивную мощность.

Реактивная мощность дросселя контура:

■0,9\1п -и,, =0,91Р(/

Реактивная мощность конденсатора

Ос - Iгх • исл ~ Л/

На основании полученных соотношений предложена методика расчета.

Для сохранения режима выключения при нуле тока, необходимо давать запас по величине контурного тока. Условие сохранения режима переключения при нуле тока принимает вид:

-0/. -и!Л

/к*

ф ^туАпах ЬыКЛ ^тах \ /2 + ' /

Это выражение определяет ограничение, вносимое схемой управления по выбору параметров резонансного контура при использовании "нуль-органа".

Для схемы без "нуль-органа"

Л 5-1[2,47-6„ -агс5т6„]

'ши1 \ А\ ' I

Исследованы электромагнитные процессы в квазирезонансном преобразователе напряжения с переключением при нуле тока. Исследованы особенности управления преобразователем и получено условие обеспечения переключения при нуле тока. Получены основные соотношения для расчета процессов и параметров элементов преобразователя. Предложена методика расчета преобразователя.

В третьей главе предложена простая схема обратноходового автогенераторного ВПН. В ней удалось совместить принцип резонансного переключения силового транзистора и автогенераторный режим работы со стабилизацией выходного напряжения. На рис.2 представлена электрическая схема преобразователя.

т уо

-но

Рис.2. Принципиальная электрическая схема преобразователя

Обеспечение режима включения при нуле напряжения на нем осуществляется резонансным процессом перезарядки выходной емкости транзистора в контуре образованном ею и индуктивностью намагничивания трансформатора. С этой це-

лью введена задержка на включение транзистора после окончания сброса энергии из трансформатора в нагрузку.

Режим переключения при нуле напряжения будет обеспечиваться при любом входном напряжении, если коэффициент трансформации рассчитывается из:

ипт т=ин/п

В этом случае максимальное напряжение на транзисторе 2£/п тях

Время задержки: — ЛI_ ПрИ Vп = V„тт — Vи /¡7 При любом другом входном напряжении

6)0

и г

л - агссоэ -

V та* У

Расчет коэффициента трансформации с учетом времени задержки означает, что при прочих равных условиях коэффициент заполнения импульсов имеет максимальное значение и, следовательно, амплитуда тока и потери в выпрямительном диоде также имеют максимальное значение. Можно ожидать, что найдется некоторое оптимальное значение коэффициента трансформации, при котором суммарные потери в силовых полупроводниковых приборах и обмотках трансформатора будут минимальными. Другими словами это означает, что при каком-то значении входного напряжения режим переключения при нуле напряжения соблюдаться не будет, но потери в выпрямительном диоде будут меньше.

Суммарные потери в транзисторе и диоде

И У^ н

17 6Сся(1-/3)2 и\ 3(!-/,) и2п

2 / н ° 3(1-{3)

ГЦИ+пЦ„Л пи„

Исследовав функцию на экстремум любым численным методом,

либо определив частную производную и решив алгебраическое уравнение

dP/ dn = 0 четвертого порядка относительно П можно определить оптимальное значение коэффициента трансформации

Методика расчета автогенераторного обратноходового преобразователя напряжения:

1. Исходные данные: U ц \ 1ц\Unmjn;UnmaJt;ССИ\RT\U¿rd\f\tc

1. Задавшись значением ¿3 ~ 0,05 определяется оптимальное значение коэффициента трансформации.

D=Vj£zhll) п п

3. По выражению + пц ^ определяются итгж и ¿Л™ .

4. По выражениям

,м , гы,, ®-, /„ =2/. ->

" "1/3(1 -о-/,/г) 1 "р{\-0-1,1Т)

определяются действующие значения тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

5. По известным методикам рассчитывается трансформатор.

6. Определяется значение ~ и если требуется, расчет уточняется.

7. Определяется точное время задержки ¡з.

В результате исследования процессов в схеме автогенераторного обратноходового преобразователя напряжения удалось совместить принцип резонансного переключения транзистора и его работу в режиме самовозбуждения со стабилизацией выходного напряжения. Созданы основы теории, получены расчетные соотношения и разработана методика проектирования преобразователя при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах. Показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения легко реализуется в других автогенераторных схемах.

В четвертой главе рассмотрены особенности проектирования высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН. Скин-эффект, вызывает концентрацию переменных токов вблизи поверхности проводника, является фундаментальным эффектом на высокой частоте как в отдельном проводнике, так и в обмотках. Эффект близости вызывает потери в проводниках, находящихся вблизи от проводников, проводящих ток. Эти потери являются результатом вихревых токов. Концевой эфф>ект возникает из-за неравномерности магнитного поля на концах обмоток. Зазор в сердечнике магнитопровода создает магнитные поля не параллельные оси обмотки, которые вызывают потери. Эффект внешнего проводника. Любой проводник расположенный в области трансформатора или дросселя, работающего с высокочастотными токами, будет причиной потерь.

Проанализированы различные формы тока встречающиеся в высокочастотных преобразователях. Получены соотношения для расчетов потерь с учетом влияния дополнительных эффектов. Зависимость потерь в трансформаторах на высоких частотах может быть определена по коэффициенту сопротивления и отношению высоты проводника к глубина скин-слоя рис. 3.

Выделены основные особенности и эффекты в работе высокочастотных электромагнитных компонентов, определяющие дополнительные тепловые потери в дросселях и трансформаторах преобразователей напряжения. Получены основные расчетные соотношения с учетом выделенных эффектов. Приведены расчетные формулы, номограммы и методика расчета.

В пятой главе показано использование результатов исследований при разработке и промышленном производстве ВПИ. Теоретические результаты, изложенные в главах 1-4, легли в основу проектирования и создания ряда модулей и блоков вторичного электропитания. Эти ряды серийно освоены и производятся АОЗТ "ММП-ИРБИС". Общее количество произведенных модулей и блоков в настоящее время составило более 90000 штук.

Применение проведенных исследований и разработанных методик позволило создать источники электропитания на уровне лучших мировых образцов. Объективная оценка технического уровня модулей питания, проведенная российской Ассоциацией "Электропитание" и основанная на данных публикаций, конференций, семинаров, выставок, каталогов ведущих фирм мира показывает, что они значительно превосходят другие российские разработки и находятся на уровне современных зарубежных по массо-объемным и энергетическим характеристикам, имея при этом цену, как правило, в два раза ниже.

Повышение частоты преобразования в сочетании с принципом "мягкого" переключения и оптимального управления позволило получить: высокую удельную мощность: 500—1500 Вт/дм3 и высокий КПД: до 88%, при двукратном диапазоне изменения входного напряжения.

Приоритет разработанных схемотехнических решений, примененных в модулях питания, защищен патентом и свидетельством на полезную модель Российской федерации.

В таблице приведены основные технические характеристики разработанных модулей и блоков.

Номенклатура составляет 20 типов, включающие 63 типономинала. По выходной мощности модули выпускаются 8 типов от 3 до 150 Вт. По выходным на-

Тип модуля МПВ(А,Е)3 МПВ(А,Е)15 МПВ(А,Е)25 МПК25 МПВ(Е)60 МПС60 МПК150 ЗПУ12

Выходная мощность, Вт 3 15 25 25 60 60 150 3

Уд. мощность, Вт/дм3 390 640 694 555 1660 310 1580 --

Входное напряжение, В = 9-18 =18-36 =36-72 = 9-18 =18-36 =36-72 = 9-18 =18-36 =36-72 -200370 =18-36 =36-72 -175260 =200-370 ~164-270

Выходное напряжение, В 5;6;9; 12; 15;20; 24;27; 5;6;9; 12;15;20; 24;27; 5;6;9; 12;15;20; 24;27;33; 5;6;9; 12; 15^20; 24:27; 12;15;20; 24;27;33; 36; 12;15;20; 24;27;33; 36;48;60 15;20;24; 27;30;36; 48;60 6/12

Пульсации вых. напряжения, мВ 150 100 50 50 50 100 150 100

Нестабильность вых. напряжения от изменения входного, % ±1 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±0,5 ±1

Нестабильность вых. напряжения от тока нагрузки, % ±1 ±1 ±0,5 ±0.5 ±0,5 ±1 ±1 ±1

Диапазон рабочих температур, °С -40°С +50°С -40°С +50°С -40°С +50°С -20°С +50°С -40°С +50°С -20°С +50°С -20°С +50°С -20°С +50°С

КПД, %, не менее 80 80 80 82 84 84 90 65

Габаритные размеры, мм 31,6*20,2* ♦12 50,5*40,5* * 11,5 60*60* *10 60*60* •12 60*60* ♦10 100*75* *25 77*72* •17 83*62* *98

пряжениям —по стандартному ряду от 5В до 60В. Кроме унифицированных модулей, разработаны и выпускаются заказные модули и блоки питания для различных типов аппаратуры.

Потребителями источников питания являются более 300 предприятий связи, вычислительной техники, авиационной, космической, радиотехнической, транспортной, нефтегазовой, угольной, атомной энергетики, оптической, автомобильной, электроэнергетической, электротехнической и др. промышленностей.

Наиболее крупными потребителями являются: Сосенский приборостроительный завод, РКК «Энергия». МНИИРС, ОАО ЦКБ "Связь", ЦНИИС, ЛОНИИС, НПО "Машиностроения", "БИЛАЙН", и др.

Некоторые из предприятий, применяющие модули питания в специальной аппаратуре: ЗАО ОКБ "Русская авионика", НТИП "Регата", МНИИ "Агат", МКБ "Компас" использовало модули типа МПВЗ и МПВ15 в системе радионавигации спутника "Зея". запушенного 4 марта 1997г., Одесский телевизионный институт применяет модули типа МПВЗ для питания телекамер, установленных на космической станции "МИР", концерн "Космическая связь", ОКБ "Радуга", ГУП «Радиозавод» (г.Пенза), ГУП «Оптэкс».

По результатам испытаний предприятием ГУП «Оптэкс» определены показатели надежности модулей питания типа МПВ:

—среднее значение ресурса равно 241 088 час; —средняя наработка до отказа равна 4 729 221 час.

Приведены технические характеристики промышленных блоков питания и результаты их экспериментальных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования и разработка высокочастотных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями позволили обосновать научные положения и получить практические результаты, которые сводятся к следующему:

1. Выявлены характерные особенности новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, определяющие эффективные пути повышения частоты преобразования с целью получения высоких массо-объемных характеристик источников электропитания.

2. Показано влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения к« их гсомстричсскин и тепловой объемы. Определены аналитические зависимости объемов от диапазона регулирования, практическое использование которых позволяет повысить удельные массо-объемные характеристики преобразователей.

3. Разработаны теория работы и аналитические расчетные соотношения квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока.

4. Разработана методика расчета квазирезонансного высокочастотного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока.

5. Разработан принцип введения резонансного переключения в обратноходо-вой автогенераторный высокочастотный преобразователь напряжения, определены основные параметры процессов и получены расчетные соотношения.

6. Разработана методика проектирования обратноходового автогенераторного высокочастотного преобразователя напряжения с резонансным переключением при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий.

7. Показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения имеет универсальный характер и может быть реализован в любых автогенераторных схемах, включая двухтактные.

8. Получены расчетные соотношения с учетом основных особенностей н эффектов, возникающих в электромагнитных компонентах преобразователей напряжения при высокой частоте преобразования.

9. Разработана оригинальная методика расчета высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН, что позволило существенно снизить высокочастотные потери в дросселях и трансформаторах.

10. Создано новое поколение российских промышленных преобразователей электроэнергии с удельными мощностями до 1 ООО Вт/дм3, высокими КПД и надежностью при низкой стоимости.

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1. Герасимов A.A., Лукин A.B., Опадчий Ю.Ф. Особенности проектирования высокочастотных однотзктных преобразователей./ ЭТвА СБОРНИК СТАТЕЙ Под ред. Ю.И.Конева.- М.: Радио и связь.-1982,—Вып.13.—С.21-28.

2. Герасимов A.A., Лукин A.B., Проектирование квазирезонансного преобразователя напряжения./ Электронная техника. Сер.Ю. Микроэлектронные устройства, 1991.—Вып.5(89).—С.24-29.

3. Герасимов A.A., Лукин A.B., Макаров В.В. Основы проектирования высокочастотных резонансных преобразователей./ Отраслевой семинар "Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития": Тез. докл.—М.: ЦОНТИ "Экос".-1989,—С.1-25.

4. Герасимов A.A. и др. Унифицированные интегрально-гибридные источники вторичного электропитания для серийного производства./ ЭТвА СБОРНИК СТАТЕЙ Под ред. Ю.И.Конева.-М.: Радио и связь,- 1983.—Вып.14,—С.14-24.

5. Герасимов A.A. Обратноходовой автогенераторный преобразователь напряжения с резонансным переключением./Научно-техническая конференция «Электрические комплексы автономных объектов. Наука, производство, образование (ЭКАО-99)»:Теэ. докл.—М.:МЭИ.-1999,—С.103-104.

6. Герасимов A.A., Кастров М.Ю., Лукин A.B. Новое поколение российских сетевых источников электропитания./Научно-техническая конференция «Электрические комплексы автономных объектов. Наука, производство, образование (ЭКАО-99)»:Тез. докл.—М.:МЭИ.-1999.—С.91 -92.

7. Герасимов A.A. Влияние способов регулирования в ИВЭП на удельные характеристики./ Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомионенты.-1989.—Вып.3(76)—С. 29-31.

8. Герасимов A.A. Задающие генераторы со вспомогательным источником питания./ Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты.-1989.— Вып.4(77>—С. 39-41.

9. Герасимов A.A., Кастров М.Ю., Лукин A.B. Новый сетевой источник для систем бесперебойного электропитания./ Электроника: Наука, Технология, Бизнес,- 1999.—Вып.4.—С.35-37.

10. Патент № 2109394. Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения с переключением при нулевом напряжении./Герасимов A.A., Лукин A.B..

11. Свидетельство на полезную модель № 10297. Однотактный регулятор постоянного напряжения./Герасимов A.A..

Печ. л. _Тираж jQQ Заказ J/3J

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Сравнительный анализ новых структур высокочастотных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями

1Л. Классификация ВПН с уменьшенными коммутационными потерями

1.2. Резонансные ВПН

1.3. Квазирезонансные ВПН

1.4. ВПН класса Е

1.5. ВПН с резонансным переключением

1.6. Анализ влияния способов регулирования в ВПН на удельные характеристики

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. Квазирезонансный преобразователь напряжения с переключением при нуле тока

2.1. Анализ квазирезонансного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока

2.2. Методика расчета преобразователя

2.3. Особенности управления квазирезонансным преобразователем напряжения с переключением при нуле тока

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Обратноходовой автогенераторный преобразователь напряжения с резонансным переключением

3.1. Принцип действия преобразователя и эквивалентные схемы

3.2. Анализ работы преобразователя

3.3. Методика расчета преобразователя

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Особенности проектирования высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН

4.1. Происхождение скин-эффекта, эффекта близости и родственных эффектов

4.2. Источники высокочастотных потерь

4.3. Вычисление высокочастотных потерь в проводниках

4.4. Анализ форм тока

4.5. Результаты расчета потерь

4.6. Гармонический анализ форм тока

4.7. Другие виды потерь

4.8. Методы снижения высокочастотных потерь в проводниках

4.9. Методика расчета трансформаторов ВПН

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Использование результатов исследования при разработке и промышленном производстве ВПН

5.1. Экспериментальные исследования разработанных модулей

5.2. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(А,Е)

5.3. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(А,Е)

5.4. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(А,Е)

5.5. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПК

5.6. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(Е)

5.7. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПС

5.8. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПК

5.9. . Основные технические характеристики зарядно-питающего устройства серии ЗПУ 12/1,

Выводы по главе

Современным генеральным направлением развития высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН), называемых также источниками вторичного электропитания (ИВЭП), в мире по-прежнему остается повышение массо-объемных характеристик при обязательном выполнении требований по надежности и качеству электроэнергии. Одним из важнейших путей повышения удельной мощности Л

Вт/дм или Вт/кг) помимо прочих является повышение частоты преобразования. Для эффективной реализации этого направления необходимо иметь соответствующие компоненты, такие как транзисторы, диоды, магнитные компоненты, конденсаторы, микросхемы, датчики токов и т.д. Кроме того, необходимо применение современных методов конструирования, в том числе и магнитных компонентов и последних достижений технологии производства.

В настоящее время на российском рынке появились необходимые современные отечественные и зарубежные компоненты ВПН и поэтому, остро встал вопрос поиска новых структур преобразователей, позволяющих наиболее полно использовать возможности новой элементной базы, обеспечить высокий КПД, надежность и электромагнитную совместимость ВПН с функциональной аппаратурой.

Принимая во внимание, что широко применяемые сегодня традиционные ВПН имеют вполне определенный ограниченный диапазон рабочих частот и удельных мощностей, то нахождение и выбор новых структур ВПН является необходимым условием продвижения по генеральному направлению.

Для найденных структур ВПН необходимо получить основные соотношения (регулировочные характеристики, максимальные значения токов и напряжений на элементах, ограничения по регулировке, ограничения на параметры элементов, связанные с коммутационными процессами и т.п.) и выработать методики их проектирования, т.е. определить последовательность действий разработчика ВПН.

Основным сдерживающим фактором повышения частоты преобразования в традиционных ВПН с прямоугольной формой напряжения и тока является рост коммутационных потерь в полупроводниковых приборах. Стремление снизить коммутационные потери путем уменьшения длительностей фронтов токов и напряжений (применение более высокочастотных активных элементов, форсированное управление) приводит к увеличению как кондуктивных, так и излучаемых помех, создаваемых ВПН.

До последнего времени эти проблемы решались в основном путем формирования траекторий переключения силовых транзисторов и диодов. Формирующие цепи, обеспечивая задержку между спадом напряжения и фронтом тока транзистора при включении и спадом тока и фронтом напряжения при его выключении, значительно снижают коммутационные потери мощности.

Возможен другой путь решения проблемы. К настоящему времени опубликовано достаточно много работ, в которых рассмотрены разнообразные высокочастотные преобразователи напряжения, использующие в своей работе явление резонанса. Введением дополнительных индуктивности и емкости (либо использованием паразитных индуктивностей рассеяния трансформатора и выходной емкости транзистора), образующих резонансный контур, и специального алгоритма управления силовой частью, традиционные ВПН преобразуются в новые структуры, позволяющие практически исключить потери при переключении силовых полупроводниковых приборов и значительно уменьшить пульсации выходного напряжения и электромагнитные помехи ВПН.

Все многообразие ВПН с резонансными контурами (ВПН-РК) можно разделить на четыре класса— резонансные ВПН, квазирезонансные ВПН, ВПН класса Е и ВПН с резонансным ("мягким") переключением.

В современных публикациях зарубежных и отечественных авторов подробно рассмотрены различные принципиальные схемы ВПН-РК и их принципы действия. Для многих из них получены регулировочные характеристики и определены режимы работы основных элементов. Необходимо отметить, что регулировочные характеристики, как правило, приводятся в виде исходных уравнений, решений их на ЭВМ и результатов, представленных графиками и номограммами. Совершенно недостаточно представлены сравнительные анализы различных схем ВПН-РК, методы оптимальных расчетов, полные алгоритмы проектирования. Отсутствие аналитических выражений регулировочных характеристик и основных расчетных соотношений существенно затрудняет определение областей оптимального применения конкретных схем.

Промышленный выпуск больших партий ВПН невозможен без тщательного обоснования выбора их структур и оптимального расчета принципиальных электрических схем. В противном случае будет либо происходить недопустимо большой процент выхода бракованных изделий, либо устройства будут спроектированы с чрезмерно большими запасами, что повлечет завышение их массы и объема.

Исходя из изложенного, является актуальным определение на основе комплексного анализа свойств различных структур ВПН, наиболее полно соответствующих дальнейшему улучшению массо-объемных характеристик ВПН, для чего необходимо проведение углубленных исследований.

Целью настоящей работы является создание нового поколения высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями, отвечающих требованиям повышения массо-объемных характеристик источников электропитания на основе теоретического анализа, моделирования и разработки методик проектирования этих устройств.

Основные задачи исследования:

- выявление и сравнительный анализ наиболее перспективных структур ВПН, позволяющих на современном этапе развития эффективно миниатюризировать устройства и системы вторичного электропитания;

- исследование режимов работы, определение параметров основных процессов и разработка методики проектирования квазирезонансных ВПН с переключением при нуле тока;

- исследование режимов работы, определение параметров основных процессов и разработка методики расчета обратноходового автогенераторного ВПН с резонансным переключением;

- определение свойств и эффектов высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН и разработка методик их расчета;

- проведение экспериментальной проверки результатов теоретического анализа и практических реализаций.

Методы исследования.

Научные положения работы получены на основе теории электрических цепей, математического анализа, аналогового и цифрового моделирования.

Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением математических методов, схемотехническим моделированием, а также испытаниями опытных партий изделий, периодическими испытаниями, промышленным выпуском больших партий устройств и результатами эксплуатации у потребителей.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- выявлены характерные особенности новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, определяющие эффективные пути повышения частоты преобразования с целью получения высоких массо-объемных характеристик источников электропитания;

- показано влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения на их геометрический и тепловой объемы и определены аналитические зависимости объемов от диапазона регулирования;

- разработаны теория работы и аналитические расчетные соотношения квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока;

- разработан принцип введения резонансного переключения в обратноходо-вой автогенераторный высокочастотный преобразователь напряжения, определены основные параметры процессов и получены расчетные соотношения;

- показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения имеет универсальный характер и может быть реализован в любых автогенераторных схемах, включая двухтактные;

- получены расчетные соотношения с учетом основных особенностей и эффектов, возникающих в электромагнитных компонентах преобразователей напряжения при высокой частоте преобразования.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- использование на практике полученных зависимостей объемов высокочастотных преобразователей напряжения от способа и глубины регулирования позволяет повысить их удельные массо-объемные характеристики;

- разработана методика расчета квазирезонансного высокочастотного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий;

- разработана методика проектирования обратноходового автогенераторного высокочастотного преобразователя напряжения с резонансным переключением при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий;

- разработана оригинальная методика расчета высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН, что позволило существенно снизить высокочастотные потери в дросселях и трансформаторах;

- создано новое поколение российских промышленных преобразователей электроэнергии с удельными мощностями до 1000 Вт/дм , высокими КПД и надежностью при низкой стоимости.

На защиту выносятся:

- результаты сравнительного анализа и выбора новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, позволяющие решить задачу повышения их массо-объемных характеристик;

- влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения на их геометрический и тепловой объемы;

- теоретические положения и методика проектирования квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока;

- результаты исследований автогенераторного обратноходового высокочастотного преобразователя напряжения, позволившие совместить принцип резонансного переключения и режим самовозбуждения; полученные расчетные соотношения и разработанную методику проектирования при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах;

- семейство новых перспективных высокочастотных преобразователей электроэнергии для универсального применения.

Реализация результатов работы.

Проведенные в работе исследования и полученные новые теоретические результаты легли в основу разработки в АОЗТ "ММП-Ирбис" ряда источников питания на выходные мощности от трех до ста пятидесяти ватт с высокими техническими характеристиками.

Разработанные источники питания выпускаются АОЗТ "ММП-Ирбис" серийно и применяются в разнообразной функциональной аппаратуре, разрабатываемой и выпускаемой более чем тремястами предприятиями России и СНГ.

Эффективность их использования подтверждена соответствующими актами внедрения.

Апробация работы.

Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались на:

- заседании НТС кафедры "Электрооборудование ЛА", МАИ, 1991г.;

- отраслевом семинаре "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоение в серийном производстве унифицированных источников вторичного электропитания импульсного типа", Севастополь, 1987г.;

- отраслевом семинаре "Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития", Севастополь, 1989г.;

- Всесоюзной конференции по ИВЭП, Ленинград, 1990г.;

- семинаре Ассоциации "Электропитание" "Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки", Москва, 1991г.;

- целевом семинаре Ассоциации "Электропитание" "Элементная база для источников вторичного электропитания", Севастополь, 1992г.;

- Всероссийском совещании Ассоциации "Электропитание" и АО "ВТ и ПЭ" "Перспективы разработок и производства ИВЭ", Москва, 1994г.

11

По результатам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 9 печатных работ и получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3:

1. В результате исследования процессов в схеме автогенераторного обратно-ходового преобразователя напряжения удалось совместить принцип резонансного переключения транзистора и его работу в режиме самовозбуждения со стабилизацией выходного напряжения.

2. Созданы основы теории, получены расчетные соотношения и разработана методика проектирования преобразователя при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах.

3. Показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения легко реализуется в других автогенераторных схемах.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОМПОНЕНТОВ ВПН

Точное определение значения сопротивления обмоток переменному току является весьма актуальной задачей при проектировании высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН.

Все предшествующие работы отечественных и зарубежных ученых подтверждают тот факт, что сопротивление обмоток переменному току может быть значительно выше, чем сопротивление постоянному току, и что эффективное сопротивление обмоток при несинусоидальной форме тока также существенно превышает аналогичное при синусоидальной форме тока. Существует, по крайней мере, пять причин возникновения дополнительных потерь в обмотках высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН.

4.1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ СКИН-ЭФФЕКТА, ЭФФЕКТА БЛИЗОСТИ И РОДСТВЕННЫХ ЭФФЕКТОВ

Скин-эффект, являющийся частным случаем эффекта близости, базируется на генерации токов в проводниках под действием переменного магнитного поля.

Под действием магнитного поля, созданного вблизи проводника, на его поверхности возникают токи, генерирующие магнитное поле противоположное первоначальному, которое "вытесняет" ток из внутренней области проводника. Если проводник не имеет сопротивления (например, сверхпроводник), токи протекающие по поверхности не вызывают нагрева, и следовательно магнитное поле будет исключено из проводника.

При температурах выше нескольких десятков градусов по Кельвину все проводники имеют конечное сопротивление, но при этом и поверхностные токи имеют тенденцию к затуханию. Это позволяет магнитному полю проникать через поверхность проводника, вызывая протекание тока не только по поверхности. Так как магнитное поле проникает внутрь, то и большая зона проводимости становится доступной наведенным токам. Потери снижаются, и степень проникновения прогрессивно затухает. В конечном счете, наведенные токи будут рассеяны в виде тепла, и магнитное поле будет простираться по всему проводнику.

Скин-эффект —это "эффект близости" магнитного поля, вызванного током протекающим непосредственно в самом проводнике. В этом случае, вновь сгенерированный ток, следует за магнитным полем в проводнике, и, в конечном счете, распространяется по всему проводнику.

Переменный ток достаточно высокой частоты вызывает изменение направления тока, прежде чем полностью распространится в проводнике. Протекающий ток сохраняет концентрацию вблизи поверхности, по отношению к токам ниже поверхности, его задержка прогрессивно нарастает, а значение уменьшается, учитывая поверхностный ток.

Амплитуда синусоидального тока в толстом проводнике уменьшается экспоненциально от поверхности с фазовой задержкой в один радиан на "глубину скин-слоя". Глубина скин-слоя определяется, как расстояние ниже поверхности, где плотность тока падает на от значения на поверхности (£ -основание натурального логарифма). Из-за уменьшения зоны проникновения от времени, глубина скин-слоя изменяется обратнопропорционально квадратному корню от частоты.

Основной ток (среднее значение) в проводнике запаздывает от поверхностного тока, создавая феномен фазового опережения на 45 градусов. Интересно также обратить внимание, что на некоторой глубине в толстом проводнике ток протекает в направлении противоположном основному току.

Потери от эффекта близости и скин-эффекта всегда суммируются с потерями в проводнике. В обмотках магнитных компонентов, проводящих высокочастотные токи, потери в проводнике начинают заметно увеличиваться, когда толщина проводника обмотки становится соизмерима с глубиной скин-слоя высокочастотного тока.

Глубина скин-слоя в меди при температуре 100°С на частоте 20 кГц составляет 0,5 мм, уменьшаясь до 0,07 мм на 1 МГц.

1. Скин-эффект, который вызывает концентрацию переменных токов вблизи поверхности проводника. Он является фундаментальным эффектом на высокой частоте, проявляющимся как в отдельном проводнике, так и в обмотках магнитных компонентов.

2. Концевой эффект возникает из-за неравномерности магнитного поля на концах обмоток трансформаторов и дросселей. Он вызывает увеличение потерь в зависимости от размеров обмотки, расположения и геометрии сердечника магни-топровода вблизи от концов обмотки.

3. ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОТЕРЬ В ПРОВОДНИКАХ

4. Скин-эффект и эффект близости, вызывающие потери в проводниках трансформаторов и дросселей на высоких частотах, являются наиболее поддающимися теоретическому вычислению.

5. Известен ряд работ, посвященных этой теме. Статья Доуэлла, рассматривающая потери при синусоидальной форме тока, лучшая фундаментальная работа и используется как основа для других форм тока.

6. Для упрощения расчета потерь, заменим круглый проводник на квадратный эквивалентного сечения и используем коэффициент г|, отражающий какую часть ширины обмотки занимают квадратные проводники. Например для проводника из фольги Г.=1.

7. Кг — коэффициент изменения сопротивления на переменном токе (далее коэффициент сопротивления);

8. К' — время фронта (нарастания и спада);1. Т — период;

9. Б- коэффициент заполнения (отношение времени импульса к периоду).

10. В трансформаторах и дросселях преобразователей работающих на высоких частотах используются следующие формы тока:

11. Однополярный прямоугольный импульс: используется в различных одно-тактных преобразователях. Анализ форм тока проведен при следующих условиях:

12. Коэффициент заполнения изменялся от 0,1 до 0,8;

13. Время фронта К > изменялось от 0,1% до 5% периода;

14. Число слоев обмотки изменялось от 1 до 10;

15. Высота проводника изменялась от 2 до 0,05 глубины скин-слоя.

16. Разнополярная прямоугольная форма, обычно используется в мостовых иполумостовых преобразователях. Эта форма анализировалась для случая при условиях, приведенных выше.

17. Однополярный синусоидальный импульс, используется в квазирезонансных преобразователях с переключением при нуле тока силового транзистора.

18. Однополярный треугольный импульс, используется в преобразователях с переключением при нуле напряжения. Рассматривался для коэффициентазаполнения 0,2 < И < 0,7 .

19. Однотактные преобразователи, как прямоходового так и обратноходового типов, имеют преимущества для работы на высокой частоте по ряду причин (см. Главу 1), поэтому им было уделено основное внимание.45. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ

20. Проведенные аналитические исследования позволяют привести основные результаты расчета потерь в следующем виде.

21. Для однослойной обмотки эквивалентная высота круглого проводника:к =