автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Высокочастотные транзисторные преобразователи с непрерывным потреблением тока и мягким переключением

На правах рукописи

РГБ ОД

ЯКУШЕВ ВИКТОР АНАТОЛЬЕВИЧ

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С НЕПРЕРЫВНЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТОКА И МЯГКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена на кафедре микроэлектронных электросистем Московского государственного авиационного института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В Н. Мелешин

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор В Г. Еременко

кандидат технических наук, старший науч сотр. А П Шершунов

Ведущее предприятие - ОАО «НИИ Радиокомпонентов» (г Москва)

Защита диссертации состоится « » 2000г. в

аудитории кафедры ЭПП в « /7~» час. « 00» мин на заседании Диссертационного Совета Д.053.16.13 в Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

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

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, дом 14, Ученый Совет МЭ|4 (ТУ).

•¡0^ 2000г.

Автореферат разослан »

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д.053.16 13 кандидат технических наук, доцент ''

Буре И.Г

Ш-Ш.Н1 о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные источники вторичного электропитания (ИВЭП) представляют собой сложные электронные устройства, основой которых является преобразователь обычно выполненный на МДП-транзисторах. Современным направлением развития ИВЭП является повышение массогабаритных характеристик при одновременном увеличении КПД, надёжности и снижении стоимости. Преобразовательная часть источника в основном определяет его габариты, стоимость и эффективность. Доля схемы управления имеет тенденцию к сокращению при одновременном увеличении её функциональных возможностей. Это обуславливается наличием большого числа разнообразных стандартных и специализированных микросхем (контроллеров) сочетающих в себе все необходимые части управления: генератор, операционные усилители и компараторы, логику, буферную часть. Таким образом, основное направление в миниатюризации ИВЭП - уменьшение его преобразовательной части. Существуют следующие пути миниатюризации:

• увеличение рабочей частоты;

• оптимальный выбор компонентов схемы;

• применение современных технологий производства, например, с использованием поверхностного монтажа.

По мнению ведущих специалистов для каждого ИВЭП существует некоторая частота преобразования, при которой его КПД будет максимальным. При этом существует и такая частота преобразования, при которой масса и габариты данного ИВЭП будут минимальными. В общем случае значения этих частот не совпадают. Практический интерес вызывает выбор некоторой оптимальной частоты преобразования и для её определения необходимо разрабатывать математические модели ИВЭП.

При стремлении повысить частоту преобразования всё большее значение приобретает возможность работы ключей преобразователя с мягким переключением. Мягкое переключение приводит к повышению КПД преобразователя и сокращению требуемых размеров радиатора, к снижению уровня шумов и уменьшению размеров фильтра, повышает надёжность источника.

Подавляющее число источников питания имеет гальваническую изоляцию выходного напряжения. Современные топологии преобразователей.

содержащие трансформатор, чаще всего используют энергию индуктивности рассеяния для создания режима переключения силовых транзисторов при нулевом напряжении (ПНН). Однако существует большая группа преобразователей, где этот режим невозможен без применения дополнительных схемотехнических решений. К их числу относятся преобразователи с непрерывным потреблением тока. Непрерывность потребляемого тока, повышающая регулировочная характеристика и гальваническая развязка выходного напряжения обеспечивают широкий круг использования этих схем. Примерами их использования являются: одноступенчатые сетевые выпрямители с коррекцией коэффициента мощности, устройства бесперебойного питания, устройства рекуперации различных видов энергии в электрическую энергию, транспортные средства с электрическим приводом и т.п. В маломощных применениях использование дополнительных цепей для организации ПНН чаще всего оказывается невыгодным. В этом случае дешевизна изделия и его простота является более весомым параметром, чем КПД. В устройствах с большой и средней выходной мощностью цена одного процента КПД приобретает более весомое значение, а стоимость цепей для создания ПНН менее заметна на фоне стоимости основных компонентов. В этом случае обеспечение ПНН -актуальная задача.

Дополнительная активная цепь, которую будем называть активным клампом (от английского слова clamp) позволяет организовать режим ПНН в преобразователе с непрерывным потреблением тока и ликвидировать перенапряжение на силовых ключах. Тем самым возрастает КПД преобразователя, снижается уровень шумов, сокращаются размеры радиатора и фильтра. Таким образом, применение активного клампа - это путь к миниатюризации преобразователей с непрерывным потреблением, однако подробное исследование работы таких устройств не проводилось.

Цель работы - исследование и разработка преобразователей с непрерывным потреблением тока, имеющих активное ограничение напряжения на ключах и мягкое переключение для создания высокоэффективных устройств, работающих от постоянного или переменного входного напряжения.

Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленной

цели:

1. Создание классификации известных структур преобразователей с силовым трансформатором и непрерывным потреблением тока.

2. Определение возможности выполнения и точек подключения активных цепей, реализующих кламп.

3. Анализ основных топологий преобразователей на основе схем замещения, соответствующих происходящим в схеме процессам.

4. Определение регулировочных характеристик преобразователей с учётом рассеяния трансформатора и выявление факторов, оказывающих влияние на уровень напряжения, прикладываемого к силовым ключам.

5. Определение условий мягкого переключения силовых ключей.

Методы исследований. При проведении теоретических исследований применялись: методы математического анализа; методы теории электрических цепей; программный комплекс Mathcad 7 Pro.

Достоверность анализа подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных результатов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определено влияние индуктивности рассеяния трансформатора и выходной ёмкости ключей на рабочие процессы преобразователей с непрерывным потреблением.

2. Показано, что активный кламп является эффективным средством улучшения рабочих процессов в преобразователях с непрерывным потреблением тока.

3. Предложен метод анализа основных схем преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом, заключающийся в определении числа состояний схемы и последовательной смене этих состояний при их расчёте.

4. Показано, что принятая методика анализа пригодна для исследования преобразователей с раздельными и с интегрированными магнитными элементами.

5. Получены необходимые соотношения для проектирования основных схем преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом.

6. Определены условия мягкого переключения транзисторов и показан критерий выбора ёмкости конденсатора клампа.

Практическая ценность результатов работы:

1. Получены аналитические выражения, описывающие рабочие процессы в преобразователе и позволяющие определить мгновенные, действующие и средние значения токов и напряжений в элементах схемы при любых сочетаниях входного напряжения и нагрузки, что необходимо при проектировании устройства.

2. Предложен достоверный расчет потерь в элементах преобразователя, позволяющий оптимально выбрать компоненты и определить предел выходной мощности выбранной топологии.

3. Определены требования к значению индуктивности рассеивания трансформатора для обеспечения режима ПНН.

4. Предложены варианты схемотехнических решений реализующих построение различных преобразователей с активным клампом.

5. Созданы образцы источников с различными вариантами силовой части содержащие активный кламп. Они подтверждают возможность широкого использования преобразователей с активным клампом.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ ликвидации перенапряжения на силовых ключах преобразователя с непрерывным потреблением тока и организация режима их мягкого переключения.

2. Методика определения регулировочной характеристики преобразователей с активным клампом, выполненных с раздельными или с интегрированными магнитными элементами учитывающая рассеяние трансформатора

3. Методика анализа и расчётные соотношения для рабочих процессов в основных топологиях преобразователей с непрерывным потреблением и активным клампом, учитывающие рассеяние трансформатора и выходную ёмкость ключей.

4. Методика определения условий ПНИ.

Реализация результатов работы. Проведённые автором исследования и полученные в диссертации научные результаты связаны с планом научных работ Московского государственного авиационного института. В диссертации

отражены исследования, выполненные автором по госбюджетным темам: "Перспективные устройства электропитания с корректором мощности для авиационных и наземных комплексов" и "Высокоэффективные транзисторные устройства для перспективных систем электропитания", финансируемые Министерством общего и профессионального образования РФ.

Апробация работ. По материалам диссертации сделаны доклады на кафедре микроэлектронных электросистем Московского государственного авиационного института (технического университета) и на У-й Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы

совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов", г. Москва.

Публикации. По тематике диссертационной работы автором лично и в соавторстве опубликовано 4 работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с примерами практической реализации, заключения и списка литературы. Общий объём работы в 140 страниц: 97 страниц - текст компьютерной вёрстки, 43 страницы содержат 54 рисунка, 4 страницы содержат список литературы из 58 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и задачи исследований, представлены положения, выносимые на защиту, показана их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе рассмотрены базовые топологии преобразователей с непрерывным потреблением тока и трансформатором. Отмечено, что основным признаком, определяющим возможность схемы работать в режиме непрерывного потребления, является наличие входного дросселя (Ьвх), включённого последовательно с источником входного напряжения (Шх) (рис.1).

Рис.1

В зависимости от количества силовых ключей, способа их подключения, а также вида выпрямительной и фильтрующей частей образуются топологии различного вида - однотактные, двухтактные и мостовые. Анализ базовых топологий преобразователей с входным дросселем и трансформатором выявляет в них следующие основные достоинства и недостатки:

Основные достоинства ■/ непрерывный потребляемый ток; •/ повышающая регулировочная

характеристика; / гальваническая развязка выходного напряжения.

Основные недостатки

♦ практическая неработоспособность схем из-за большого перенапряжения на силовых ключах;

♦ отсутствует мягкое переключение силовых транзисторов;

♦ высокий уровень помех.

Применение специальных дополнительных цепей способно уменьшить или ликвидировать перечисленные недостатки. По принципу действия дополнительные цепи можно отнести к двум видам: пассивным и активным.

Пассивные цепи обычно состоят из диодов, резисторов, конденсаторов и в более редких случаях имеют небольшой дроссель. Как правило, пассивная цепь демпфирует всплеск напряжения на ключевых элементах путём поглощения энергии рассеивания, и в большинстве случаев эта энергия теряется. Активные цепи, в отличие рт пассивных, имеют в своём составе один или несколько транзисторов. Работа этих цепей направлена на поглощение энергии индуктивности рассеивания на одном этапе работы и передаче её в нагрузку на другом. Такие цепи, которые будем называть «активным клампом» применяются для:

♦ повышения эффективности преобразователя;

♦ обеспечения мягкой коммутации силовых ключей преобразователя;

♦ подавления перенапряжения па компонентах;

♦ выполнения двух последних функций одновременно.

В первой главе работы рассмотрено несколько вариантов исполнения и подключения активного клампа в преобразователях различного вида, отмечаются основные достоинства и недостатки рассматриваемых схем. Там же отмечается, что широкое распространение получил активный кламп содержащий только два элемента - ключ Ба с внутренним или внешним параллельным диодом и конденсатор Са включённый последовательно с Эа. Цепь из этих элементов целесообразно включать между входным дросселем и силовым трансформатором параллельно силовым ключам преобразователя (рис.2).

Ьвх

Рис.2

Такое подключение клампа создаёт путь протеканию разностного тока, вызванного несовпадением направления и величин тока входного дросселя и тока трансформатора и тем самым ликвидируется недопустимый всплеск напряжения на ключах преобразователя. При выключении ключа клампа возникает резонанс между выходной ёмкостью ключей преобразователя и индуктивностью рассеивания трансформатора. В результате напряжение на них снижается, и их включение происходит в режиме ПНН или близким к нему. Кламп такого типа применим в топологиях различного вида. В первой главе работы показано использование этого клампа в мостовой схеме с фазовым управлением и в однотактных схемах с различными вариантами выходных структур, отмечается возможность его использования в преобразователях с интегральными магнитными элементами и приведены варианты этих схем.

Во второй главе подробно рассмотрен мостовой преобразователь с активным клампом и двухинтервальным (симметричным) управлением (два

ключа закрыты - четыре открыты, рис.3). Простое управление и малые статические потери в ключах на этапе накопления энергии во входном дросселе делают схему привлекательной для практического использования в области средних и больших мощностей. В имеющихся публикациях, касающихся мостовых схем, мостовая схема с активным клампом и симметричным управлением не рассматривалась.

Не идеальность основных элементов схемы (выходная ёмкость ключей и рассеяние трансформатора) существенным образом изменяет рабочие процессы в преобразователе и делает его регулировочную характеристику зависимой от нагрузки. Без учёта этих особенностей невозможно точно определить значения токов и напряжений в схеме, трудно оценить уровни статических и динамических потерь, нельзя оптимально выбрать элементную базу преобразователя.

Принятая модель трансформатора играет существенную роль в анализе преобразователя. На примере мостового преобразователя рассмотрена модель трансформатора без учёта индуктивности рассеяния вторичной обмотки. Такой подход приемлем, если трансформатор имеет малое рассеяние и для организации режима ПНН в состав преобразователя вводится дополнительный дроссель.

Используемый метод анализа преобразователя заключается в определении числа состояний схемы (рабочих интервалов), последовательной смене этих состояний и в их расчёте. Для каждого рабочего интервала составляется эквивалентная схема замещения преобразователя (таблица!).

I.

Рис.3

Таблица 1

Выражения для основных переменных ¡(О, и(0, полученные на отдельных интервалах, объединяются на рабочем периоде преобразователя и с их помощью определяются токи и напряжения на всех элементах преобразователя:

и(1)

О ¡Г 0<1<Т0

(Ьп+^та^тСоПО-ТО)) ¡ПО^кТП

V Сг II <;

ГГ-^тах- 1^-яп(в2-(1- Т11)) + ¡и, - Уо) с<к(а2 О - Т11)) г Уо ^ Т11М<Т22

иса Т22<кТЗЗ

г~

¡— II, тт- Г | 5т(а4 (1- Т33)) + (иса- Уо) с<к(»4 (| - ТЗЗ)) ^ Уо * ТЗЗЯ<Т44

-,'Сг а "

О ¡Г Т44£«

КО

1т И- 0<кТ0

- (Ьщ- ^ та^со^в 1-(1 - ТО)) + ^ тах И- Т0Я< Т11

(Ц - Ус} мпСо 2Ц - Т11)) +- - \ та^ соз(и 20 - Т11)) + ^ шах ¡Г Т11<и Т22 Пса- V«

иса (I- +■ ^ ¡пг^ктзз

и

^•(иса- УО)8Ю(Ф4(1- Т33))+ ^ШЦ со^Щ+О- Т33))+ ^пип ¡Г ТЗЗ<кТ44 15 £Т55ё1

Т11=Т0+Т1; Т22=Т11+Т2; ТЗЗ=Т22+ТЗ; Т44=ТЗЗ+Т4; Т55=Т44+Т5 где: ТО- начальная точка периода; Т1н-Т5 длительности интервалов;

Уо - в программах расчёта обозначает выходное напряжение приведённое к первичной стороне преобразователя;

I - текущее время периода.

В результате проведённого анализа получено выражение для требуемой величины Ьб, при которой ключи преобразователя работают в режиме ПНН:

'2-Шх-ио ивхг

(1-0)п (1-Э)2

•Сг

р.Т+ Ш .(1-В)-тТ

Шх 2-Ь 2п-Ьш )

Параметры трансформатора оказывают существенное влияние на регулировочную характеристику преобразователя (рис.4). Негативной стороной этого влияния является рост напряжения на конденсаторе клампа и на закрытых ключах преобразователя в режиме стабилизации ио при увеличении нагрузки (рис.5).

Регулировочная характеристика Напряжение на конденсаторе

п ( 2-Ро 0

ио=--Швх---------„ 2-

I Пвх Т } ио

(1-ОХ1+—) 4 7 иса= —+

Ро

-+ 1т

Увх

Ьш п (1-0)Т

Исследование регулировочной характеристики

Изменение уровня напряжения на конденсаторе клампа

Ос-

nUca Uo

— ООО XXX - Расчет Экспер Экшер имент имент I L м о- 5 40* £-0 024П Г л

о о о о

Rn-H Is-O.C Он 124 тГв Rn>0 Ls-0

Рис.4

Рис.5

В.1

О J

В I

На основе проведённого анализа определён критерий выбора ёмкости конденсатора клампа: полупериод резонанса между ёмкостью Са и индуктивностью Ьэ должен соответствовать максимальному времени выключенного состояния ключей. Отсюда получено выражение для Са:

(1-0 . )2 Т2

Са = ---

я Ьэ

Максимальный уровень пульсации напряжения на Са определяется из выражения:

I^Ubx 2-L max J

&Uca = —-^-"(1-Dmax)-T

Рассматриваемая топология преобразователя реализована и исследована на двух лабораторных образцах. Первый выполнен в качестве изолированного преобразователя постоянного напряжения с рабочей частотой 155кГц. входным напряжением (80-ь200)В, выходным напряжением 28В и выходной мощностью 150Вт. Второй - в виде одноступенчатого изолированного источника питания с коррекцией коэффициента мощности при входном напряжении 220В +/- 20% 50Гц и рабочей частотой 140кГц. Выходное напряжение 48В, максимальная выходная мощность 680Вт. Полученные аналитические выражения использованы при моделировании процессов в преобразователе с помощью программного комплекса Mathcad 7.0 Pro.

Примеры исследований первого лабораторного образца представлены на рис.6.

Экспериментальные осциллограммы

Результаты расчёта

Ток в ключе моста (1,2А/ клетка) и напряжение на мосте (ЮОВ/клетка)

«51(0

1

О

и(0. 200 100 0

/ г

у Г V

J

1—

1 2 3 4 5 6 7 8 9 (мхе

Ток в ключе моста (1 А/ клетка) и напряжение на мосте (ЮОВ/клетка)

Рис.6

Результаты испытаний второго образца представлены в таблице 2.

Таблица 2

Входное напряжение ивх,В Входная мощность, Рвх, Вт Выходное напряжение, ио,В Выходной ток, 1о, А Выходная мощность, Ро, Вт кпд %

220 168.3 48.5 3.17 153.7 91.3

220 371.2 47.5 7.27 345.3 93.0

220 515.3 47.2 10.16 479.8 93.1

220 731.7 47.2 14.27 673.5 92.0

Результаты экспериментальных исследований показывают, что с помощью активного клампа полностью устраняется перенапряжение на ключах и они способны работать в режиме ПНИ, а полученные аналитическое выражения с достаточной точностью описывают работу преобразователя.

Третья глава работы посвящена подробному исследованию однотакгного преобразователя с активным клампом и трансформатором без подмагничивания (рис.7). Имеются отечественные и зарубежные публикации, в которых эта схема рассматривается. Однако в них не анализируются влияние рассеяния трансформатора и выходной ёмкости ключей на процессы в схеме, не определяется условие ПНН, не учитывается влияние нагрузки на работу преобразователя. Материалы этой главы ликвидируют названные пробелы в исследовании подобных преобразователей.

Методика и процедура анализа этого преобразователя близки к анализу, использованному для мостовой схемы. Определено число состояний схемы и их последовательность, составлены эквивалентные схемы замещения преобразователя и проведён их расчёт.

Рис.7

Модель трансформатора представлена в виде двух взаимосвязанных индуктивностей. Такое представление необходимо, если трансформатор обладает существенным рассеянием и нельзя использовать модель принятую во второй главе работы.

'и

Ь2

: 1_Л •

А

-М-

Л2 Л

<Ш

:-Ь2--+ М- —

Л Л

Регулировочная характеристика преобразователя находится в сложной зависимости от коэффициента заполнения (Э), параметров трансформатора, индуктивности выходного дросселя и величины нагрузки (выходного тока 1о).

ОТ-Тх Ьо

Уо = -

•п • ивх

(1 - О) • Т + Тх Ьо + Ьэ2 Где: - индуктивность обмотки \У2 измеренная при закороченной XVI и

принятая в качестве индуктивности рассеяния приведённой к вторичной обмотке трансформатора;

Тх - интервал времени в течение которого рассеяние трансформатора препятствует изменению напряжения на его обмотках после выключения транзистора Ба.

1л>2 =

и-Ъ2- М2

Тх =

2 • 1о • Ьб2

п =.

Ы п • Цвх

Негативной стороной влияния нагрузки на свойства преобразователя является рост напряжения на силовых ключах при его работе в режиме стабилизации выходного напряжения и увеличении выходного тока 1о.

иса = -

(1-Р) Т + Тх

ЬО + ЬБ2 ЦО п

(0Т-Тх)(1-0) Ьо Возникновение резонанса между индуктивностью рассеяния трансформатора и выходной ёмкостью ключей способствует организации режима их мягкого переключения. В результате анализа найдено выражение для требуемого значения индуктивности рассеяния трансформатора, приведённой к первичной обмотке Ьб1, необходимого для обеспечения ПНН:

ивх

2-1о-г-(Сга+Сг1);ивх +__,

(1-Р)2 (1-Р) V

(Сга+Сг1)гивх2

О-В)2

-4-1о-г-(Сга + Сг1)

2-1о

где:

Ъ =

(Р-Т + Тх)пЦвх-((1-Р)Т-Тх)-ио 2-п2

Результаты анализа легли в основу исследований регулировочной характеристики (рис.8), напряжения на конденсаторе клампа (рис.9) и рабочих процессов в'преобразовагеле (в качестве примера рис. 10,11).

Цвх-МБ

Рис.8

Осциллограмма тока ¿1

ч

иа спгг аб> у. 7 ма апта б

тока 10А/клстка ч / времени 1 мкс/клеиса

90

иса, В

Шх=24 В ио=50В

-1-г—

- Расчет

«о -I-- * х х Эксперимент ♦ ♦ ♦ Эксперимент

Рис.9

Расчётная кривая тока ¡1

1

3 4 5 6

Рис.10 Рис.11

На рис. 12 представлена фотография лабораторного образца.

' Т. МКС

1Гвх=18-к31В ио=46ч-56В Ро=300Вт Размеры: 250x100x30мм

Рис.12

В четвёртой главе рассмотрен однотактный преобразователь с активным клампом и интегрированным магнитным элементом (трансформатором) (рис.13). Как правило, интегрирование способствует упрощению силовой части и снижению суммарных потерь в магнитопроводе.

ТУ1

Рис.13

Используемая во второй и третьей главах работы процедура анализа в полной мере подходит и для анализа преобразователей с интегрированными магнитными элементами. В этой главе модель трансформатора представлена в виде трёх взаимосвязанных индуктивностей, показан вариант упрощения модели трансформатора, позволяющий оценить влияние индуктивности рассеяния каждой обмотки трансформатора на регулировочную характеристику и на процессы в схеме, предложен способ измерения этих индуктивностей. Определены условия ПНН.

Ш -

п • ивх

Тх =

(Р Т-Тх)___

(1 - Б) Т + Тх '} | 1^2

Ьш • (1л»1 + Ьэ2) А

А2 А-Т АТО Т

—+ _-+-+ —

Яо2 Яо Яо 4

Т2Э Т202 -+-

т от

---+-

Ко 2 2

где: А = п2 • Ьш + ЬэЗ -

п2 Ьт

1 +

• Ьэ2

Ьш • (Ьб1 + Ьб2)

1^1, 1^2, ЬбЗ -индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

Результаты проведенного анализа использованы при построении лабораторного одноступенчатого сетевого источника питания с коррекцией коэффициента мощности со следующими параметрами: ивх=85-т-250В 50-г60Гц; ио=46-н50В; Ро=200Вт; рабочая частоты 140кГц. Результаты экспериментальных исследований представлены в сравнении с результатами расчёта (таблица 3).

Таблица 3

Расчётные диаграммы

Экспериментальные осциллограммы

ивх=200В ио=50В Ро=200Вт 400г

Шх=200В ио=50В Ро=200Вт

200 о

4 2 о -2

./44

1

СО

Т^То™

2мкс/клстка

- | 1 Г 1(1)

17

¡¿1Ш £ -

Цвх=220В 50Гц Ш=50В Ро=200Вт 6001

400

"51,В

1 мкс/клетка

ивх=220В 50Гц Ш=50В Ро=200Вг

2 4 6 8 10 I мс

2.5мс/клетка

2

4

В пятой главе показаны особенности практической реализации преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом. Обоснована необходимость введения задержек на включение силовых транзисторов, рассмотрена функциональная схема узла автоматической задержки. Представлена проблема первоначального заряда выходного конденсатора в преобразователе с входным дросселем и предложены пути её решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Предложен метод анализа различных схем преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом, заключающийся в определен™ числа состоянии схемы и последовательной смене этих состоянии при их расчёте.

2. Показано, что принятый метод анализа пригоден для исследования преобразователей как с раздельными, так и с интегрированными магнитными элементами.

3. Определено влияние индуктивности рассеяния трансформатора и выходной ёмкости ключей на рабочие процессы преобразователей с непрерывным потреблением тока и показано, что активный кламп является эффективным средством улучшения этих преобразователей.

4. Получены аналитические выражения, описывающие рабочие процессы в преобразователях с непрерывным потребле1гаем тока, позволяющие определить мгновенные, действующие и средние значения токов и напряжений в элементах схемы при любых сочетаниях входного напряжения и нагрузки. Это позволяет рассчитать потери в элементах преобразователя на этапе его проектирования, оптимально выбрать компоненты и определить предел выходной мощности выбранной топологии.

5. Определены условия мягкого переключения тратисторов и показан критерий выбора ёмкости конденсатора клампа.

6. Показаны особенности практического построения преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом. Предложены варианты схемотехнической реализации.

7. Созданы лабораторные образцы источников с различными вариантами силовой части, содержащей активный кламп. Полученные

технические показатели преобразователей подтверждают возможность их широкого использования в практике.

1. Мелешин В.И., Якушев В.А., Фрейдлин С. Анализ транзисторного ¿ преобразователя постоянного тока с мягкой коммутацией // Электричество.' 2000.-№1. - С.52-56

2. Якушев В.А. Высокочастотные преобразователи электроэнергии на мощных полевых транзисторах // V Всероссийская конференция "Проблемы совершенствования робототехнических и интеллектуальных систем летательных аппаратов": Сборник докладов. - М.: МАИ, 1999. - С.204-208

3. Макаров В.В., Мелешин В.И., Якушев В.А. Резонансные транзисторные преобразователи напряжения с подключением нагрузки к конденсатору контура // Электричество. -1993. - №6. - С.33-44

4. Мелешин В.И., Якушев В.А., Фрейдлин С. Full-Bridge Isolated Current Fed Converter with Active Clamp // Международная конференция APEC: Сборник статей. - 1999. - С.560-566 (на английском языке).

Список публикаций по теме диссертации

Печ. л.

iZb Тираж

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. ТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С НЕПРЕРЫВНЫМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ТОКА И ТРАНСФОРМАТОРОМ.

1.1 Активный кламп как средство улучшения работы мостовых и двухтактных преобразователей с непрерывным потреблением тока.

1.2 Активный кламп в однотактной структуре преобразователя с непрерывным потреблением тока.

1.3 Выводы

2. МОСТОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С АКТИВНЫМ КЛАМПОМ

2.1 Принцип действия и анализ мостового преобразователя с активным клампом.

2.2 Регулировочная характеристика и выбор величины ёмкости конденсатора клампа.

2.3 Условие мягкого переключения.

2.4 Результаты эксперимента и сравнение с результатами анализа.

2.5 Трёхинтервальный режим управления в мостовой схеме.

2.6 Выводы.

3. ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ВХОДНЫМ ДРОССЕЛЕМ, ТРАНСФОРМАТОРОМ БЕЗ ПОДМАГНИЧИВАНИЯ И АКТИВНЫМ КЛАМПОМ.

3.1 Принцип действия и регулировочная характеристика.

3.2 Анализ рабочих процессов преобразователя.

3.3 Условие мягкого переключения и выбор величины ёмкости конденсатора клампа.

3.4 Результаты эксперимента и сравнение с результатами анализа.

-33.5 Выводы.

4. ОДНОТАКТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ИНТЕГРИРОВАННЫМ МАГНИТНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И АКТИВНЫМ КЛАМПОМ.

4.1 Принцип действия и регулировочная характеристика.

4.2 Определение параметров трансформатора.

4.3 Анализ рабочих процессов преобразователя.

4.4 Условие мягкого переключения и выбор величины ёмкости конденсатора клампа.

4.5 Результаты эксперимента и сравнение с результатами анализа.

4.6 Выводы.

5. ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С АКТИВНЫМ КЛАМПОМ.

Выводы.

Современные источники вторичного электропитания (ИВЭП) представляют собой сложные электронные устройства, основой которых является преобразователь обычно выполненный на МДП-транзисторах. Современным направлением развития ИВЭП является повышение массогабаритных характеристик при одновременном увеличении КПД, надёжности и снижении стоимости. Преобразовательная часть источника в основном определяет его габариты, стоимость и эффективность. Доля схемы управления имеет тенденцию к сокращению при одновременном увеличении её функциональных возможностей. Это обуславливается наличием большого числа разнообразных стандартных и специализированных микросхем (контроллеров) сочетающих в себе все необходимые части управления: генератор, операционные усилители и компараторы, логику, буферную часть. Таким образом, основное направление в миниатюризации ИВЭП - уменьшение его преобразовательной части. Существуют следующие пути миниатюризации:

• увеличение рабочей частоты;

• оптимальный выбор компонентов схемы;

• применение современных технологий производства, например, с использованием поверхностного монтажа.

По мнению ведущих специалистов для каждого ИВЭП существует некоторая частота преобразования, при которой его КПД будет максимальным. При этом существует и такая частота преобразования, при которой масса и габариты данного ИВЭП будут минимальными. В общем случае значения этих частот не совпадают. Практический интерес вызывает выбор некоторой оптимальной частоты преобразования и для её определения необходимо разрабатывать математические модели ИВЭП.

При стремлении повысить частоту преобразования всё большее значение приобретает возможность работы ключей преобразователя с мягким переключением. Мягкое переключение приводит к повышению КПД преобразователя и сокращению требуемых размеров радиатора, к снижению уровня шумов и уменьшению размеров фильтра, повышает надёжность источника.

Подавляющее число источников питания имеет гальваническую изоляцию выходного напряжения. Современные топологии преобразователей, содержащие трансформатор, чаще всего используют энергию индуктивности рассеяния для создания режима переключения силовых транзисторов при нулевом напряжении (ПНН). Однако существует большая группа преобразователей, где этот режим невозможен без применения дополнительных схемотехнических решений. К их числу относятся преобразователи с непрерывным потреблением тока. Непрерывность потребляемого тока, повышающая регулировочная характеристика и гальваническая развязка выходного напряжения обеспечивают широкий круг использования этих схем. Примерами их использования являются: одноступенчатые сетевые выпрямители с коррекцией коэффициента мощности, устройства бесперебойного питания, устройства рекуперации различных видов энергии в электрическую энергию, транспортные средства с электрическим приводом и т.п. В маломощных применениях использование дополнительных цепей для организации ПНН чаще всего оказывается невыгодным. В этом случае дешевизна изделия и его простота является более весомым параметром, чем КПД. В устройствах с большой и средней выходной мощностью цена одного процента КПД приобретает более весомое значение, а стоимость цепей для создания ПНН менее заметна на фоне стоимости основных компонентов. В этом случае обеспечение ПНН - актуальная задача.

Дополнительная активная цепь, которую будем называть активным клампом (от английского слова clamp) позволяет организовать режим ПНН в преобразователе с непрерывным потреблением тока и ликвидировать перенапряжение на силовых ключах. Тем самым возрастает КПД преобразователя, снижается уровень шумов, сокращаются размеры радиатора и фильтра. Таким образом, применение активного клампа - это путь к миниатюризации преобразователей с непрерывным потреблением, однако подробное исследование работы таких устройств не проводилось.

Цель работы - исследование и разработка преобразователей с непрерывным потреблением тока, имеющих активное ограничение напряжения на ключах и мягкое переключение для создания высокоэффективных устройств, работающих от постоянного или переменного входного напряжения.

Основные задачи, решаемые в работе для выполнения поставленной цели:

1. Создание классификации известных структур преобразователей с силовым трансформатором и непрерывным потреблением тока.

2. Определение возможности выполнения и точек подключения активных цепей, реализующих кламп.

3. Анализ основных топологий преобразователей на основе схем замещения, соответствующих происходящим в схеме процессам.

4. Определение регулировочных характеристик преобразователей с учётом рассеяния трансформатора и выявление факторов, оказывающих влияние на уровень напряжения, прикладываемого к силовым ключам.

5. Определение условий мягкого переключения силовых ключей.

Методы исследований. При проведении теоретических исследований применялись: методы математического анализа; методы теории электрических цепей; программный комплекс Mathcad 7 Pro.

Достоверность анализа подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных результатов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Определено влияние индуктивности рассеяния трансформатора и выходной ёмкости ключей на рабочие процессы преобразователей с непрерывным потреблением.

2. Показано, что активный кламп является эффективным средством улучшения рабочих процессов в преобразователях с непрерывным потреблением тока.

3. Предложен метод анализа основных схем преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом, заключающийся в определении числа состояний схемы и последовательной смене этих состояний при их расчёте.

4. Показано, что принятая методика анализа пригодна для исследования преобразователей с раздельными и с интегрированными магнитными элементами.

5. Получены необходимые соотношения для проектирования основных схем преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом.

6. Определены условия мягкого переключения транзисторов и показан критерий выбора ёмкости конденсатора клампа.

Практическая ценность результатов работы:

1. Получены аналитические выражения, описывающие рабочие процессы в преобразователе и позволяющие определить мгновенные, действующие и средние значения токов и напряжений в элементах схемы при любых сочетаниях входного напряжения и нагрузки, что необходимо при проектировании устройства.

2. Предложен достоверный расчет потерь в элементах преобразователя, позволяющий оптимально выбрать компоненты и определить предел выходной мощности выбранной топологии.

3. Определены требования к значению индуктивности рассеивания трансформатора для обеспечения режима ПНН.

4. Предложены варианты схемотехнических решений реализующих построение различных преобразователей с активным клампом.

5. Созданы образцы источников с различными вариантами силовой части содержащие активный кламп. Они подтверждают возможность широкого использования преобразователей с активным клампом.

Порядок изложения материалов диссертации

В первой главе рассмотрены базовые топологии преобразователей с непрерывным потреблением тока и трансформатором. Отмечены их основные достоинства и недостатки. Показано, что применение специальных дополнительных цепей способствует улучшению работы преобразователей. Проведена классификация дополнительных цепей на пассивные и активные цепи, указывается их различие. Вводится понятие "активный кламп" и поясняется его назначение. Приведены примеры использования активного клампа в преобразователях различного вида, рассмотрены принципы их действия, отмечены достоинства и недостатки.

Во второй главе рассмотрен мостовой преобразователь с активным клампом. Проведен анализ работы преобразователя на отдельных интервалах рабочего периода. Показано, что выходная ёмкость силовых ключей и рассеяние трансформатора существенным образом влияют на рабочие процессы преобразователя и делают его регулировочную характеристику зависимой от нагрузки. Рассматриваются условия мягкого переключения и критерий выбора ёмкости конденсатора клампа. На основе выражений, описывающих процессы на интервалах, проведен расчёт преобразователя. Представлены примеры практической реализации и даётся сравнение результатов эксперимента с результатами анализа.

В третьей главе рассмотрен однотактный преобразователь с активным клампом и трансформатором без подмагничивания. Трансформатор представлен в виде двух взаимосвязанных индуктивностей. Рассмотрен принцип действия преобразователя, разработана методика вывода регулировочной характеристики на основе системы уравнений для взаимосвязанных индуктивностей. Проведён анализ рабочих процессов на интервалах, определены условия мягкого переключения. Представлены результаты практической реализации. Достоверность теоретических положений подтверждается данными экспериментальных исследований.

В четвёртой главе рассмотрен однотактный преобразователь с активным клампом и интегрированным магнитным элементом (трансформатором). Рассмотрен принцип действия преобразователя, разработана методика вывода регулировочной характеристики с учётом индуктивностей обмоток трансформатора и коэффициентов их взаимоиндукции. Показан вариант упрощения модели трансформатора, позволяющий оценить влияние индуктивности рассеяния каждой обмотки трансформатора на регулировочную характеристику и процессы в схеме. Предложен способ измерения параметров трансформатора. Проведён анализ рабочих процессов на интервалах и на основе полученных выражений проведен расчёт преобразователя. Определены условия мягкого переключения. Результаты экспериментальных исследований представлены в сравнении с результатами расчёта.

В пятой главе показаны особенности практической реализации преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом. Обоснована необходимость введения задержек на включение силовых транзисторов, рассмотрена функциональная схема узла автоматической задержки. Представлена проблема первоначального заряда выходного конденсатора в преобразователе с входным дросселем и предложены пути её решения.

В заключении сделаны основные выводы по результатам проведённой работы. 9

Основные положения, выносимые на защиту

1. Способ ликвидации перенапряжения на силовых ключах преобразователя с непрерывным потреблением тока и организация режима их мягкого переключения.

2. Методика определения регулировочной характеристики преобразователей с активным клампом, выполненных с раздельными или с интегрированными магнитными элементами учитывающая рассеяние трансформатора

3. Методика анализа и расчётные соотношения для рабочих процессов в основных топологиях преобразователей с непрерывным потреблением и активным клампом, учитывающие рассеяние трансформатора и выходную ёмкость ключей.

4. Методика определения условий ПНН.

4.6 ВЫВОДЫ

1. Показаны положительные свойства однотактного преобразователя с активным клампом и интегрированным магнитным элементом, показана возможная область его применения.

2. Разработана модель интегрированного магнитного элемента (трансформатора), представленная в виде трёх взаимосвязанных индуктивностей. Упрощение полученной модели трансформатора позволяет оценить влияние индуктивности рассеяния каждой обмотки трансформатора на регулировочную характеристику преобразователя и процессы в схеме.

3. Предложена методика, позволяющая определить параметры трансформатора, необходимые для расчёта преобразователя.

4. Регулировочная характеристика преобразователя находится в сложной зависимости от коэффициента заполнения, параметров трансформатора и величины нагрузки (выходного тока).

5. Работа преобразователя в режиме стабилизации выходного напряжения сопровождается ростом напряжения на его элементах.

6. Выходная ёмкость ключей оказывает влияние на рабочие процессы в преобразователе. Увеличение ёмкости затрудняет достижение ИНН.

7. Полученные аналитические выражения позволяют рассчитать токи и напряжения в элементах преобразователя, определить потери в них и тем самым оптимально выбрать компоненты схемы на этапе проектирования и определить предел выходной мощности преобразователя.

8. Индуктивность рассеяния каждой обмотки трансформатора влияет на формирование режима ПНН, а полученное аналитическое выражение позволяет оценить это влияние с достаточной степенью точности.

9. Достоверность аналитических выражений подтверждается результатами испытаний лабораторного образца.

5. ОСОБЕННОСТИ ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С АКТИВНЫМ КЛАМПОМ

В данной главе рассматриваются проблемы связанные с практической реализацией преобразователей, рассмотренных в предыдущих главах работы. Обосновываются и предлагаются варианты построения узлов, определяющих работоспособность преобразователей.

Выбор типа силовых ключей

Современные достижения в области магнитных материалов, обладающих низкими удельными потерями, наличие конденсаторов с высокой реактивной мощностью и выпрямительных диодов с малым временем восстановления, а также большой ассортимент высокочастотных специализированных микросхем (контроллеров, драйверов) позволяет создавать источники питания с рабочей частотой в сотни килогерц. Высокая рабочая частота преобразователя обуславливает предъявление высоких требований к силовым ключам. Главными критериями при выборе силовых ключей являются уровни возможных статических и динамических потерь, а также потерь на управление. В мощных устройствах наименьшими статическими потерями обладают биполярные транзисторы, находящиеся в области насыщения. Однако, длительный этап рассасывания заряда не основных носителей и большие потери на управление ограничивают область их применения частотой 50кГц. Мощные МДП-транзисторы работают на основных носителях и не имеют эффекта накопления заряда. Их основными достоинствами являются: высокая скорость переключения, позволяющая работать на частотах в сотни килогерц, высокий входной импеданс, позволяющий использовать простые схемы управления с малыми потерями, возможность параллельного включения без применения выравнивающих цепей, отсутствие вторичного пробоя и высокая надёжность. Однако высоковольтные МДП-транзисторы имеют существенный недостаток - высокое выходное сопротивление. Стремление к сочетанию лучших свойств биполярных и МДП-транзисторов привело к появлению нового типа приборов - биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ, зарубежное название ЮВТ). БТИЗ - это прибор работает на не основных носителях и имеет проводимость близкую к биполярным транзисторам. В тоже время он обладает многими достоинствами МДП: высокая скорость переключения, широкая область безопасной работы и высокий входной импеданс. Основной недостаток БТИЗ - затягивание процесса спада тока в конце этапа выключения. У современных высокочастотных БТИЗ спад тока составляет единицы микросекунд, что приводит к значительному росту динамических потерь на частотах выше ЮОкГц, превышающих потери проводимости в МДП-транзисторах на этих частотах. Таким образом, в диапазоне частот 100кГц-=-1000кГц использование МДП-транзисторов остаётся наиболее предпочтительным. Современные низковольтные МДП-транзисторы имеют выходное сопротивление порядка 7м0м^50м0м, а высоковольтные 150м0мч-400м0м. Все лабораторные образцы, рассмотренные в главах этой работы, выполнены с использованием МДП-транзисторов.

Формирование задержки включения транзисторов

Конечные времена переключения силовых транзисторов могут привести к появлению сквозного тока в контуре ёмкость клампа - ключ клампа - основной ключ (в мостовой схеме - стойки ключей моста). Для предотвращения этого явления необходимо ввести задержку на включение транзисторов и её длительность должна превышать максимальное время их выключения.

Наиболее просто выбирается задержка на включение ключа клампа. Ключ необходимо открыть на интервале проводимости внутреннего диода, ток через который протекает примерно половину интервала (1-0)Т. Отсюда, длительность задержки определяется исходя из величины Дпах.

Задержка на включение основного ключа приводит к возникновению резонанса между выходной ёмкостью ключей и индуктивностью рассеяния трансформатора. В результате напряжение на основном ключе снижается и в идеальном случае выбранная задержка обеспечивает его включение при нулевом напряжении. Используя полученные выражения для Тх можно определить требуемую величину задержки. Однако эта величина будет оптимальна только для данного, расчётного режима работы преобразователя.

В зависимости от уровня входного напряжения и нагрузки требуется различная длительность задержки, так как напряжение на ключе спадает с разной скоростью и разного значения и в некоторых случаях оно вообще не достигает нуля (например, режим холостого хода). Это вызывает интерес к формированию плавающей (автоматической) задержки. Узел, формирующий автоматическую задержку должен выполнять две функции:

• отслеживать нулевое напряжение на ключе и выдавать команду на его включение;

• выдавать команду на принудительное включение ключа, если в течение заданного промежутка времени tT напряжение на нём не спало до нуля.

На рис.5.1 представлена функциональная схема узла автоматической задержки и временные диаграммы, поясняющие его работу. Контроль мгновенного напряжения на ключе u(t) осуществляется с помощью делителя R1,R2 и быстродействующего операционного усилителя (ОУ) DA1. Конденсатор Сф выполняет функции высокочастотного фильтра, диод D1 обеспечивает быстрый разряд входной ёмкости ОУ и Сф, диод D2 защищает вход ОУ от перенапряжения. Одновибратор DDI и логический элемент DD2 образуют цепь принудительного включения с временной задержкой tT. С целью упрощения, элементы DDI и DD2 можно заменить простой RC цепью с диодом D3, однако стабильность временной выдержки в этом случае зависит от стабильности порога срабатывания DD3.

Заряд выходного конденсатора преобразователя

Рассмотренные преобразователи могут использоваться в одноступенчатых источниках питания с коррекцией коэффициента мощности. Одним из негативных свойств этих источников является применение выходного конденсатора с большой емкостью, что вызывает проблемы её первоначального заряда.

В процессе построения лабораторных образцов были разработаны и опробованы несколько вариантов решения проблемы с зарядом

Узел формирования автоматической задержки

03 изи8а

ШИМ Б01 "

ЭТ

1-0)Т

-У/ //

1-0)Т от

1-0)1

0Б2

БА1

Есть ПНИ

Есть ПНН

Нет ПНН

Нет ПНН выходной ёмкости. Наиболее простой способ представлен на рис.5.2. Дроссель Ьвх снабжается дополнительной обмоткой и через диод Б1 она подключается к выходной ёмкости. На этапе заряда Со алгоритм работы ключей моста переводится в режим "четыре открыты - четыре закрыты" и тем самым схема трансформируется в обратноходовой преобразователь с активным клампом. По окончании заряда Со схема контроля выходного напряжения выдаёт сигнал на перевод работы ключей в алгоритм мостовой схемы. Наряду с простотой этот способ обладает существенными недостатками: требуется цепь выравнивания напряжений на закрытых ключах моста; ключ клампа Ба должен быть более высоковольтным, чем ключи моста; усложняется конструкция входного дросселя. Другой способ заряда Со - это использование источника вспомогательного питания (ИВП), применяющегося для питания цепей управления. На рис.5.3 показана функциональная схема, в которой заряд Со осуществляется от ИВП через диод Э1 и токоограничительный резистор Ш, нагрузка при этом отключена от выхода преобразователя ключом 81. Когда напряжение на Со достигает требуемого уровня, схема контроля Цсо выдаёт команду в СУ на включение преобразователя и подключает нагрузку. С целью сокращения времени заряда Со и разгрузки по мощности ИВП в схему вводится узел контроля входного напряжения. Когда мгновенное входное напряжение равно нулю узел контроля Шхщш выдаёт команду в СУ на включение преобразователя и уже он осуществляет заряд Со по мере роста Шх.

Одним из главных недостатков этого способа заряда Со является необходимость отключения нагрузки. Однако если требуется улучшить качество выходного напряжения (например, убрать сетевую пульсацию) ключ 81 заменяется дополнительным преобразователем, который наряду с функциями фильтрации и формирования выходной характеристики обеспечивает отключение нагрузки на этапе заряда Со.

Формирование сигналов управления мостовым преобразователем с клампом

Во второй главе работы отмечалось, что частота коммутации силовых ключей моста в два раза ниже частоты импульсов ШИМ

Заряд выходного конденсатора с отключением нагрузки ивх

Контроль ивх .

Источник вспомогательного питания

Контроль исо

НАГРУЗКА

Схема управления (СУ)

-э- Ьр

2 ^ Вр

Дополнительный преобразователь контраллера. Использование триггера для деления частоты и формирования импульсов управления требует решения проблемы с "зависанием" его выходных импульсов при выключении ШИМ. Выключение ШИМ может происходить либо по сигналу цепей защиты, либо по команде выключения преобразователя. Опасность "зависания" триггера в том, что одна из диагональных пар ключей моста остаётся в открытом состоянии неограниченно долгое время, и это приводит к насыщению входного дросселя и трансформатора.

На рис.5.4 показана схема, обеспечивающая двухинтервальный алгоритм управления ключами моста (два ключа закрыты - четыре ключа открыты) с использованием триггера и специальных логических элементов, выключающих все ключи преобразователя при "зависании" триггера. Принцип действия схемы следующий. Импульсы с выхода ШИМ поступают на вход триггера DDI и на первый вход логических ячеек "ИЛИ" DD2,DD3. С помощью DDI частота импульсов ШИМ уменьшается в два раза. Результат сложения импульсов в DD2,DD3 поступает на первый вход логических ячеек "И" DD4,DD5. Если на втором входе DD4,DD5 присутствует сигнал высокого уровня, то импульсы с выхода DD2,DD3 проходят через DD4,DD5 на управление ключами моста S1-S4. Сигнал низкого уровня на втором входе DD4,DD5 запрещает прохождение импульсов, и ключи S1-S4 закрываются. Управление уровнем сигнала на втором входе DD4,DD5 осуществляется с помощью одно вибратора DD6, работающего в режиме перезапуска по переднему фронту импульсов ШИМ. Длительность выходного сигнала DD6 выбирается немного более длительности периода импульсов ШИМ. Если на входе DD6 импульсы ШИМ присутствуют, то на его прямом выходе Q1 формируется сигнал высокого уровня, а на инверсном выходе Q2 - низкого. Пропадание импульсов на входе DD6 приводит к прекращению его перезапуска и на выходе Q1 формируется сигнал низкого уровня, приводящий к выключению S1-S4 через DD4,DD5.

Управление ключом клампа Sa осуществляется через логическую ячейку "ИЛИ-НЕ" DD7. На первый вход DD7 поступают сигналы с выхода ШИМ, а на второй вход сигналы с инверсного выхода Q2 одновибратора DD6. В нормальном режиме работы сигнал на выходе Q2 низкого уровня и он не препятствует прохождению импульсов с ШИМ на управление Sa. Появление на выходе Q2 сигнала высокого уровня приводит к выключению Sa.

Формирование сигналов управления мостовым преобразователем

Оа

Эа

Л <

Са

007

001 V т ь 01 с

II 02(

006

ТБ яс а 02&

Э2

Т1 гп л л ' т а

002

003

004

005 шим | ош.о^

002 РОЗ

006,02

004

005 007

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Предложен метод анализа различных схем преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом, заключающийся в определении числа состояний схемы и последовательной смене этих состояний при их расчёте.

2. Показано, что принятый метод анализа пригоден для исследования преобразователей как с раздельными, так и с интегрированными магнитными элементами.

3. Определено влияние индуктивности рассеяния трансформатора и выходной ёмкости ключей на рабочие процессы преобразователей с непрерывным потреблением тока и показано, что активный кламп является эффективным средством улучшения этих преобразователей.

4. Получены аналитические выражения, описывающие рабочие процессы в преобразователях с непрерывным потреблением тока, позволяющие определить мгновенные, действующие и средние значения токов и напряжений в элементах схемы при любых сочетаниях входного напряжения и нагрузки. Это позволяет рассчитать потери в элементах преобразователя на этапе его проектирования, оптимально выбрать компоненты и определить предел выходной мощности выбранной топологии.

5. Определены условия мягкого переключения транзисторов и показан критерий выбора ёмкости конденсатора клампа.

6. Показаны особенности практического построения преобразователей с непрерывным потреблением тока и активным клампом. Предложены варианты схемотехнической реализации.

7. Созданы лабораторные образцы источников с различными вариантами силовой части, содержащей активный кламп. Полученные технические показатели преобразователей подтверждают возможность их широкого использования в практике.

1. Jung G. Cho, Ju W. Baek, Dong W. Yoo, Du I. Song, Geun H.

2. Rim Zero Voltage Transition Isolated PWM Boost Converter for Single Stage Power Factor Correction. // IEEE APEC, 1997. pp. 471-476.

3. Jung G. Cho, Chang Y. Jeong, Ju W. Baek Novel Zero Voltage Transition Isolated PWM Boost Converter for Single Stage Power Factor Correction. // IEEE PESC, 1998. pp. 1023-1029.

4. G. Moschopoulos, P. Jain, G. Joos, Yan Fei Liu Single Stage Zerro Voltage Switched PWM Full-Bridge Converter with Power Factor Correction. // IEEE APEC, 1997. pp. 457-463.

5. R. Watson, Fred С. Lee Full-Bridge Boost Converter Employing Active Clamp Circuit. // IEEE PESC, 1996. pp. 1948-1954.

6. Claudio M. С., Ivo Barbi A Family of ZVS-PWM Active Clamping DC to DC Converters: Synthesis, Analysis and Exoerimentation. // IEEE APEC, 1995. pp. 502-509.

7. А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко, Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА.// М. : Радио и связь, 1989, - 158 с.

8. Naganandini Jayaram, Dragan Maksimovic Power Factor Correctors Based on Coupled Inductor Sepic and Cuk Converters with Nonlinear Carrier Control. // IEEE APEC, 1998. pp. 468-474.

9. K. Hirachi, J. Yoshitsugu, K. Nishimura Switched Mode PFC Rectifier with High Frequency Transformer Link for High Power Density Single Phase UPS. // IEEE PESC, 1997. pp. 945-953.

10. Lizhi Z., Kunrong Wang, Fred C. Lee, Jason Lai Design Consideration of Start-up Process for Active Clamp Isolated Full-Bridge Boost Converter. // IEEE APEC, 1998. pp. 285-290.

11. Yimin Jiang, Fred C. Lee, Guichao Hua, Wei Tang A Novel Single Phase Power Factor Correction Scheme. // IEEE APEC, 1993. pp. 287292.

12. Мелешин В.И., Якушев В.А., Фрейдлин С. Full-Bridge Isolated Current Fed Converter with Active Clamp // Международная конференция APEC: Сборник статей. 1999. - С.560-566 (на английском языке).

13. Макаров В.В., Мелешин В.И., Якушев В.А. Резонансные транзисторные преобразователи напряжения с подключением нагрузки к конденсатору контура. // Электричество. 1993. - №6. - С.33-44

14. Byeong Но Choo, Byeong Kuk Lee, Sahg В. Yoo, Dong S. Hyun A Novel Secondary Clamping Circuit Topology for Soft Switching Full-Bridge PWM DC/DC Converter. // ШЕЕ APEC, 1998. pp. 840-845.

15. L. Dixon High Power Factor Preregulator Using the SEPIC Converter. Unitrode Switching Regulated Power Supply Design Seminar Manual, 1993, pp. 116-135.

16. C. Duarte, I. Barbi A New Family of ZVS-PWM Active-Clamping DC-TO-DC Boost Converters: Analysis, Design and Experimentation.//Intelec, 1996, pp. 305-312.

17. П. Четти, Проектирование ключевых источников электропитания.// М.: Энергоатомиздат, 1990,- 239 с.

18. Грязное Н. М. Трансформаторы и дроссели в импульсных устройствах.// М.: Радио и связь, 1986. - 113 с.

19. Матханов П. Н., Толицын JI. 3. Расчет импульсных трансформаторов.// Л.: Энергия, 1980. - 109 с.

20. Power MOSFETS Designers Manual, International Rectifiers INC.1993.

21. Rectifier Application Handbook, MOTOROLA, INC. 1993.

22. Unitrode 1С Data Handbook, Application Note // U-lll, p.9-134, U.I.C.C. 1990

23. Claudio M., C. Duarte, I. Barbi An Improved Family of ZVS-PWM Active-Clamping DC-TO-DC Converters. // IEEE PESC, 1998, pp. 669-675.

24. Eric X. Yang, Yimin J., Guichao H., Fred C. Lee Isolated Boost Circuit for Factor Correction. // IEEE APEC, 1993. pp. 196-203.

25. Мелешин В.И., Якушев В.А., Фрейдлин С. Анализ транзисторного преобразователя постоянного тока с мягкой коммутацией. // Электричество.- 2000.- №1. С.52-56

26. Ромаш Э.М. Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.// М.: Радио и связь, 1981.

27. Ромаш Э.М., Драбович Ю.И. и др. Высокочастотные транзисторные преобразователи.// М.: Радио и связь, 1988.

28. Моин B.C., Лаптев Н.И. Стабилизированные транзисторные преобразователи.// М.: Энергия, 1972,- 512 с.

29. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники.// М.: Энергия, 1970.

30. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.// М.: Мир, 1998,- 704 с.

31. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление.// М.: Наука, 1972.

32. Танаев М.М., Рудзенскас Р.П., Мелешин В.И. Принцыпы построения электронной нерассеивающей нагрузки.// Электротехника. 1998, №3.

33. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. Перспективные направления.// Электроника /Наука, технология, бизнес/, № 5-6, 1998 г.

34. Пирогов А. И., Шамаев Ю. М. Магнитные сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. М.: Энергия, 1964. - 176 с.

35. Грязнов Н. М., Бушмелев Е. И. Измерение основных динамических параметров магнитомягких материалов при намагничивании прямоугольными импульсами напряжения.// Вопросы радиоэлектроники, 1967, вып. 27,- с 45 - 58.

36. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. (Справочник) // Под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1985,- 576 с.

37. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры.// М.: Энергия, 1975. - 176 с.

38. Басс A.A., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом.// М.: Радио и связь, 1987,- 160 с.

39. Шенк X. Теория инженерного эксперимента.// М.: Мир, 1972.-381 с.

40. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.// М.: Высшая школа, 1982.- 496 с.

41. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники.// М.: Советское радио, 1980,- 368 с.

42. Ленк Д. Электронные схемы. М.: Мир, 1985,- 343 с.

43. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.// М.: Мир, 1982,-512 с.

44. Фолкенберри Jl. Применение операционных усилителей и линейных ИС.// М.: Мир, 1985,- 572 с.

45. Черепанов В.П., Хрулев А.К., Блудов И.П. Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок. (Справочник)// -М.: Радио и связь, 1994,- 224 с.

46. Силовые полупроводниковые приборы. // Перевод с англ. под ред. В.В. Токарева, Воронеж, 1995.-661 с.

47. Бессонов JI.A. Теоретические основы электротехники.// М.: Высшая школа, 1973,- 750 с.

48. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 7/0 PRO.// М.: СК пресс, 1998,- 345 с.

49. M.Nigel, T.Vescovi Very High Efficiency Techniques and Their Selective Application to the Design of a 70A Rectifier.// Intelec'93, p. 126.

50. C.Duarte, I.Barbi A New Family of ZVS-PWM Active-Clamping DC-TO-DC Boost Converters: Analysis, Design and Experimentation.// Intelec'96, p. 305.

51. R.Garcia, R.Liu, V.Lee Optimal Design For Natural Convection-Cooled Rectifiers.// Intelec'96, p.813.

52. Power MOSFETS Designers Manual, International Rectifiers INC.1993.

53. Rectifier Application Handbook, MOTOROLA, INC. 1993.

54. Unitrode 1С Data Handbook, U.I.C.C. 1990, p.9-287.

55. S. Freeland Input-Current Shaping for Single-Phase AC-DC Power Converters.// Ph.D. Thesis, California Institute of Technology, 1988.

56. L. Dixon High Power Factor Switching Preregulator Design Optimization.// Unitrode Switching Regulated Power Supply Design Seminar Manual, 1994, p. 13-1.

57. B. Andreycak Designin a Phase Shifted Zero Voltage Transition (ZVT) Power Converter.// Unitrode Switching Regulated Power Supply Design Seminar Manual, 1993, p. 3-1.

58. P. Imbertson, N. Mohan New PWM converter Circuits Combining Zero Switching Loss With Low Conducting Loss.// INTELEC'90 Conference, 1990, p. 179-185.

59. T. Ninomiya, N. Matsumoto, M. Nakahara, K. Harada Static and Dynamic Analysis Of Zero-Volt-Switching Half-Bridge Converter With PWM Control.// Power Electronics Specialists Conference Record, 1991, p. 230-237.