автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Высокоэффективные импульсные преобразователи напряжения с ШИМ и распределенные системы электропитания на их основе

На правах рукописи

Шушпанов Диитрнй Викторович

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ С ПШМ И РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 0S.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сангг- Петербург 2005

А

Работа выполнена на кафедре теории электрических цепей Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель:

Научный консультант: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.Ф. Дмитрию»

Кандидат технических наук И.Н. Самылин

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор МЛ. Сивере Кандидат технических наук, старший научный сотрудник В .А. Майоров

ОАО Российский институт радионавигации и времени (РИРВ)

Защита диссертации состоится « ¿¡¿^¿¿-¿^¡Л^ 2005 г. в часов в 413 ауд. на заседании диссертационного совета Д21^.004.01 при Санкт-Петербургском

Гоудврственном Университете Телекоммуникаций им. проф. МЛ. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, СПб, наб. реки Мойки, д.61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан« ■/(Ръ ^¿¿Л^бьЛ^ 2005

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.004.01 доктор технических наук, профессор

В.Ю.Волков

9-ЦЧ^б ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Из основных тенденций развития радиоэлектронных средств (РЭС) и систем связи следует отметить с одной стороны все возрастающую степень использования интегральных микросхем, микроконтроллеров в микропроцессоров, что приводит к резкому снижению массы и габаритов РЭС и ее узлов; с другой стороны разработку и развитие новых принципов энерго- и ресурсосберегающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразование электрической энергии в системах электропитания, которые являются неотъемлемой частью каждой РЭС.

Современные ЮС резко ужесточают требования к массогабаритаым показателям, экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии я электромагнитной совместимости систем электропитания. Решение проблем энерго- и ресурсосбережение в устройствах электропитания (преобразователях переменного напряжения в постоянное -AC/DC; постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня

- DC/DC; постоянного напряжения в переменное - инверторы DC/AC) осуществляется с использования« импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в преобразователях напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц

- единицы мегагерц), современной элементной базы: мощных транзисторов (MOSFET, IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов в устройств (внзкопрофильвые, безнамоточные, нлоскне трансформаторы; поверхностный монтаж н др.). Ключевые режимы работы усилительных приборов позволяют приблизить электронный КПД устройств к предельно достижимому (100%) путем снижения мощности потерь в усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работа импульсного источника питания (ИП); уменьшить массу и габариты ИП путем снижения или полного устранения системы охлаждения усилительных приборов. Преобразование энергии не на промышленной частоте (50 Гц), а на высокой частоте (сотни килогерц - единицы мегагерц) позволяет в десятки - сотни раз снизить объем и массу реактивных фильтрующих устройств я согласующих трансформаторов, которые даже в современных импульсных ИП занимают до 50-70 % габаритов я веса всей системы. Повышение частоты преобразования электрической энергии, определяемое частотой переключения транзисторов, в импульсных высокочастотных преобразователях напряжения (ВПН) требует соответствующего режима переключения транзисторов. Это обусловлено тем, что на частотах коммутации десятки -сотни килогерц и выше все более проявляется неидеальность ключевых свойств полупроводниковых приборов, что вызывает рост коммутационных потерь. Наличие паразитных емкостей и индуктивностей полупроводниковых приборов и монтажа, создающих паразитные высокочастотные контура, приводит к возникновению перенапряжений и высокочастотных колебаний при коммутации полупроводниковых приборов. Таким образом, применение импульсных ВПН, наряду с уменьшением массы и габаритов ИП, приводит к увеличению уровня электромагнитных помех (ЭМП). Однако экономия стали, меди, электроэнергии, повышение надежности, быстродействия н т.д. настолько значительны, что импульсные ВПН применяются все шире, частота преобразования электроэнергии продолжает увеличиваться. Но в то же время проблема устранения ЭМП, создаваемых ВПН, проблема снижения в ннх коммутационных потерь становится актуальной.

Из существующих в настоящее время методов снижения ЭМП путем уменьшения или полного ус 1 ранения ВЧ колебаний н снижения коммутационных потерь в транзисторах при нх переключении можно выделить:

- применение демпфирующих RCD или LCD цтг&;

использование резонансных ВПН с не AAW1 АЦв «ллельным

резонансным шнгуром (РК);

БИБЛИОТЕКА

¡ГЯТЛоЗ'

■ ■■ Г*

- применение квазнрезонаясных ВПН или ВПН класса Е с переключением транзисторов при нуле тока или нуле напряжения;

- использование ВПН с резонансным или «мягким» переключением.

Снижение ЭМП и коммутационных потерь с помощью RCD и LCD-цепей неэффективно из-за увеличения мопйости потерь либо в резисторе, либо в транзисторе. Использование резонансных, Квазирезйгансных ВПН или ВПН класса Е с переключением при нуле тока или напряжения неэффективно как из-за большой установочной мощности реактивной элементов резова&сных койтуров, так и из-за значительных перенапряжений на приборах, превышающих напряжение питания в S-10 раз.

Преобразователи напряжения, в которых РК работает только во время переключения транзисторов, называются ВПН с резонансным («мягким») переключением, а коммутация транзисторов происходит при нуле напряжения. Такие преобразователи позволяют сочетать низкие потери мощности при переключении транзисторов, характерные для резонансных и квазирезонансных структур, с экономичностью процесса передали мощности преобразователей с ШИМ, поскольку в данном случае колебания напряжения и тока во время передачи мощности в нагрузку имеют прямоугольную форму. Так как время действия РК ограничено временами фронта тока и напряжения, то реактивная мощность их элементов невелика. Роль РК часто играют индуктивность рассеяния или намагничивания трансформатора совместно с выходной емкостью транзистора. В таких ВПН мощность коммутационных потерь, устраненная из транзистора, в отличие от использования демпфирующих RCD или LCD цепей, рекуперируется в источник питания. В данных преобразователях паразитные параметры элементов используются для снижения коммутационных потерь и ЭМП при переключении транзисторов.

ВПН с резонансным («мягким») переключением при использовании МДП-транзисторов работают с частотой переключения 100 + 500 кГц. В этом диапазоне частот достигается оптимальное соотношение между массой, габаритами, КПД, надежностью преобразователей и существенно снижается уровень ЭМП

Таким образом, ВПН, использующие ШИМ с «мягким» (резонансным) переключением транзисторов, совмещают высокий коэффициент использования полупроводниковых и других элементов схемы по мощности с низкими коммутационными потерями и достаточными низким уровнем ЭМП. Они представляются наиболее перспективными для использования в импульсных источниках питания.

Веб более жесткие требования, предъявляемые современными РЭС к качеству вырабатываемой электроэнергии: стабилизация выходного напряжения под действием различных возмущающих воздействий до 60 дБ и более; величина низкочастотных и высокочастотных пульсаций выходного напряжения десятки-единицы милливольт, что при выходном напряжении десяпси-сотни вольт приводит к необходимости обеспечения коэффициента фильтрации 60-80 дБ; малая величина перерегулирования (1-2 %) при скачкообразном изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки в больших пределах; необходимость обеспечения больших запасов устойчивости по фазе и амплитуде, приводит К необходимости исследования новых принципов построения и развития методов анализа ' й синтеза импульсных источников питания с глубокой отрицательной мяогоковтурной обратной связью (ООС).

Для стабилизации выходных параметров импульсных ИП с ООС, являющихся дяскретиО-нелинейиыми устройствами,' обычно используются ООС по выходному напряжению или току, а для обеспечения необходимых запасов устойчивости по амплитуде и фазе, малой величины перерегулирования по напряжению и току при действии различных дестабилизирующих факторов, необходимой полосы частот АЧХ разомкнутой петли ООС для подавления НЧ пульсаций необходимо использовать многоконтурные ООС по различным переменным состояния.

Для исследования стабилизации и устойчивости данных систем используется метод усреднений и лйНеарнзации, который позволяет перейти от дискретной нелинейной

Г/ f

2

системы it непрерывной линейной, получить частотную передаточную функцию коэффициента петлевого усиления разомкнутой петли ООС и с использованием характеристик Боде или частотных критериев определить устойчивость системы, коэффициент стабилизации выходных параметров, полосу частот АЧХ разомкнутой петли ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций за счет ООС.

Метод усреднения и линеаризации является приближенным. Погрешность метода усреднения и линеаризации ИПН с ШИМ в литературе не рассматривалась.

Специалистами по силовой электронике и преобразовательной технике до сих пор не используется глубоко разработанная теория синтеза реактивных LC-фильтров: не рассматриваются фильтры Чебышева с равноволновыми характеристиками в полосе пропускания, которые обладают максимальным затуханием в полосе задерживания при заданном количестве элементов и заданном произведении L^C^, где L%. и Cj; - суммарные значения индуктивностей и емкостей фильтров; не рассматриваются фильтры Баттерворта с максимально плоскими характеристиками в полосе пропускания и линейными фазовыми характеристиками в полосе задерживания.

Таким образом, необходимо провести исследование реализации максимально возможного коэффициента стабилизации выходных параметров; запасов устойчивости по амплитуде и фазе; минимальной величины перерегулирования выходного напряжения при действии различных дестабилизирующих факторов; максимальной полосы частот АЧХ разомкнутой петли ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций для импульсных преобразователей напряжения с ШИМ понижающего и повышающего типов, использующих сглаживающие фильтры с характеристиками Чебышева и Батгеворта, с различными контурами ООС, при различной величине пульсаций выходного напряжения, различных типах и параметрах комплексной нагрузки. Оценить погрешность анализа и синтеза ИПН с ШИМ с ООС, представляющих дискретно-нелинейные системы с ООС, при использовании метода усреднения и линеаризации.

В состав современных систем электропитания, как отмечалось, входят ИПН, преобразующие переменное напряжение в постоянное (AC/DC), постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC), а также постоянное напряжение в переменное - инверторы (DC/AC). Качество энергии, вырабатываемое инверторами промышленной частоты (50 Гц), должно удовлетворять ГОСТу или отраслевым стандартам при работе инвертора на линейную комплексную нагрузку, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузку и при работе инвершра в режиме холостого хода. Качество выходного синусоидального напряжения частотой 50 Гц определяется значением коэффициента гармоник и спектральным составом. Известные в литературе однофазные инверторы напряжения, реализуемые, как правило, по схеме класса BD (одноуровневое однополярное напряжение на входе СФ в течение полупериода синусоидального напряжения с частотой 50 Гц), даже при использовании громоздких фильтров не обеспечивают коэффициент гармоник (Кг < 5 %), удовлетворяющий раду отраслевых стандартов, в режиме холостого хода.

Поэтому актуальной является проблема разработки однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемое качество выходного напряжения и минимальные габариты СФ при работе инвертора на линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода.

При использовании импульсных источников, преобразующих переменное напряжение сета в постоянное напряжение или в переменное напряжение другой частоты, возникают нелинейные искажения тока и импульсные помехи в сети. Отрицательное действие этих искажений проявляется с одной стороны на функционирующие РЭС, а с другой стороны на электросеть. При импульсном потреблении тока импульсными источниками возникающие гармонические составляющие тока не совпадают по фазе с напряжением сети и протекают в нейтральном проводе. Обычно сечете нейтрального

провода много меньше сечения фазовых проводов, поэтому гармонические составляющие тока, достигая критического значения, могут привести к пожару электросети. Для устранения негативного влияния импульсных источников на сеть Международная электрическая компания (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENTELEC) приняли стандарты ШС555, устанавливающие ограничение на содержание гармоник и коэффициент мощности импульсных источников. Коэффициент мощности Ам определяется как отношение активной мощности, передаваемой источником потребителю, к кажущейся (полной) мощности, преобразуемой источником. В соответствии с принятым стандартом ШС555 норма /Гм вновь разрабатываемой аппаратуры должна быть не ниже 0,98. Для сравиеНия в импульсных выпрямителях с емкостным фильтром Кы = 0,66. Эффективный метод реализации данного Кц - применение корректоров коэффициента мощности (ККМ) на входе любого импульсного преобразователя. Основной стандарт EN61000-3 устанавливает также соотношение гармонических составляющих потребляемого из сети тока со второй по сороковую гармоники. Эти ограничения на коэффициент мощности и гармонические составляющие тока импульсных источников распространяются на все разрабатываемые устройства мощностью свыше 75 Вт с января 2001 г. и в России.

Анализ процессов в ККМ на основе преобразователя повышающего типа, расчет Км, гармонических составляющих проводился в ряде литературных источников при работе ККМ на резистивную нагрузку. Однако ККМ, как правило, работает не на резистиввую нагрузку, а на импульсные преобразователи напряжения повышающего или понижающего типа, имеющие комплексное выходное сопротивление и отрицательную активную составляющую сопротивления по переменному току. Поэтому режим работы ККМ и его характеристики могут отличаться при работе на резистивную нагрузку от режима работы ККМ на импульсные преобразователи повышающего или понижающего типа.

Кроме активных ККМ используются также пассивные корректоры коэффициента мощности (ПККМ), которые имеют существенно худшие массогабаритные показатели по сравнению с активными ККМ, но они не имеют высокочастотных составляющих входного тока (гармоник с тактовой частотой коммутации транзисторов). В этом их принципиальное преимущество перед активными ККМ, что позволяет высокоэффективные импульсные источники питания с ПККМ использовать в измерительной, медицинской аппаратуре, в малошумящих усилителях, в усилителях с высоким коэффициентом усиления и т.д., где обычные импульсные устройства и активные ККМ не применяются из-за ухудшения электромагнитной совместимости с чувствительными РЭС. Анализ ПККМ также проводился при работе на резистиввую нагрузку, что совершенно не отражает реальных процессов и характеристик ПККМ при их работе на импульсные источники питания.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является решение проблем улучшения динамических, статических, массогабаритных характеристик и качественных показателей импульсных источников вторичного электропитания с ШИМ, включающих: преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC); постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC); постоянного напряжения в переменное (DC/AC); корректоры коэффициента мощности, а также распределенные системы питания на их основе и обеспечение их электромагнитной совместимости с промышленной сетью в соответствии с новыми международными ШС555 и Российскими стандартами. Данная проблема решалась путем комплексного подхода, т.е. путем разработки и исследования структуры и параметров ИПН типа AC/DC и DC/DC с наилучшими динамическими и статическими характеристиками; DC/AC с качественными показателями выходного напряжения, удовлетворяющими требованием ГОСТ при работе на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузки и в режиме холостого хода, и минимальной массой и габаритами выходного СФ; исследования и разработки активных и пассивных ККМ, обеспечивающих требуемые ГОСТом коэффициент мощности и спектральный состав входного тока при работе ККМ на различные импульсные ИП с ШИМ, и, наконец, исследование устойчивости

децентрализованной (распределенной) системы питания, содержащей импульсные источники питания с ШИМ, которые имеют комплексные выходное и входное сопротивления с отрицательной активной составляющей по переменному току.

Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Исследование устойчивости, динамических характеристик, максимальной величины коэффициента стабилизации выходного напряжения и коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций выходного напряжения ИПН с ШИМ понижающего и повышающего типа с многоконтурными ООС, представляющих собой нелинейные дискретные устройства.

2. Исследование и разработка однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемые ГОСТом качественные показатели выходного напряжения при работе инвертора на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода при минимальных массе и габаритах СФ.

3. Исследование принципов построения, структур, параметров и алгоритмов управления активных и пассивных ККМ, обеспечивающих требуемые ГОСТом коэффициент мощности, спектральный состав входного тока ККМ при их работе на импульсные стабилизированные преобразователи напряжения и регуляторы напряжения.

4. Разработка методики исследования и исследование устойчивости работы децентрализованных (распределенных) систем питания, использующих ИПН с ШИМ DC/DC.

Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных положений теории электрических, цепей, в частности, современного синтеза электрических цепей, теории нелинейных дискретных систем.

Научная новизна и основные положении, выносимые на защиту. В работе получены новые результаты:

- в исследовании динамических и статических характеристик, устойчивости, максимальной величины стабилизации и коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций выходного напряжения за счет ООС в высокочастотных ИПН AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типа с однозвенными фильтрами с равноволновыми характеристиками Чебышева и максимально плоскими характеристиками Баттерворта, различными контурами обратной связи, различным ослаблением фильтров, с различными коэффициентами усиления УПТ в цепи ООС, на основании которых разработаны импульсные ИП мощностью 300 Вт и 500 Вт с напряжением питания 500 В, со стабилизацией выходного напряжения 60 дБ, перерегулированием по напряжению 2%, при запасе устойчивости по фазе Д<р = 70°;

- в разработке и исследовании однофазного инвертора промышленной частоты, в результате которых разработан отечественный инвертор промышленной частоты мощностью 300 Вт с напряжением питания 350 В с коэффициентом гармоник Кг £ 2% без использования ООС при работе на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода с массогабаритиыми показателями СФ существенно лучшими по сравнению с отечественными аналогамя;

- в исследовании принципов построения, структур, параметров и алгоритмов управления активными и пассивными ККМ, которые обеспечивают Км £ 0,997 и спектральный состав входного тока, удовлетворяющих требованиям ГОСТ не только при работе на резистивную нагрузку, но и на ИПН с ШИМ;

- в исследовании устойчивости распределенных систем питания, построенных на основе ИПН с ШИМ.

На основе проведенных исследований решена важная научно-техническая проблема - созданы импульсные преобразователи напряжения с ШИМ и децентрализованные системы питания на их основе с улучшенными динамическими и массогабаритными характеристиками, удовлетворяющие современным требованиям по коэффициенту мощности и спектральному составу входного тока в сети.

В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:

1. Полученные передаточные функции коэффициента усиления разомкнутой петли ООС ИПН понижающего и повышающего типов, представляющих собой нелинейное дискретное устройство с многоконтурными ООС, как суммы соответствующих передаточных функций со своими ОС при условии, что в ИПН используется один ШИМ-компаратор и через него замыкаются пути обхода всех контуров ОС. Полученные передаточные функции' позволяют определить коэффициент стабилизации выходного напряжения, запас устойчивости по амплитуде и фазе, полосу частот АЧХ, обеспечивающую подавление низкочастотных пульсаций за счет ООС.

2. Доказанное положение, что для существенного увеличения коэффициента стабилизации и запаса устойчивости по фазе и амплитуде для ИПН понижающего типа с одноз венным СФ следует использовать два контура ОС по выходному напряжению и току конденсатора. При этом обеспечивается существенное увеличение запаса устойчивости по фазе до Дф = 60® При Ян * Яном и до Д<р = 30е при Ян = Яхх для фильтра Баиерворга при стабилизации выходного напряжения 60 -=- 70 дБ и Д<р = 70° при йн = Дном и А<р = 47° при Лн = Яхх для фильтра Чебышева. При одноконтурной ОС по выходному напряжению запас устойчивости при номинальной нагрузке Лн = Яном не превышает 20", а в режиме холостого хода Ян = Дхх Лф £ 10°.

3. Проведенные исследования погрешности расчета частотных характеристик коэффициента петлевого усиления разомкнутого контура ООС ИПН с ШИМ с использованием метода усреднения и линеаризации, позволяющие определить реальные запасы устойчивости по амплитуде фазе, коэффициент стабилизации, полосу частот АЧХ и повысить точность синтеза цепей ООС и выходного фильтра ИПН, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, при замене их эквивалентными линейными системами.

4. Полученный результат, что при совокупности динамических и статических характеристик, устойчивости работы, массогабаритным показателям предпочтение следует отдать ИПН с однозвенным чебышевским фильтром и двухконтурной ОС по выходному напряжению и току конденсатора фильтра.

5. Показанная возможность увеличения коэффициента стабилизации свыше 40 дБ при запасе устойчивости по фазе больше 60е для ИПН повышающего типа, передаточная функция петлевого усиления ООС которого содержит неминимально-фазовое звено при использовании инерционного звена коррекции в контуре ОС по выходному напряжению. Без найденных цепей коррекции коэффициент стабилизации не достигает и 25 дБ.

6. Проведенные исследования инвертора промышленной частоты И предложенная методика расчета выходного фильтра, которые позволили не только получить коэффициент гармоник выходного напряжения (Кг 5 2%) в режиме холостого хода, но и на порядок снизить индуктивность дросселя и емкость конденсатора выходного фильтра по сравнению с выходными фильтрами известных в литературе аналогов.

7. Проведенные исследования различных принципов построения и алгоритмов управления, а также различных структур активных и пассивных корректоров коэффициента мощности. Проведенные исследования коэффициента мощности Км позволили определить оптимальные значения Постоянной времени тн = С\Яц и характеристическое сопротивление р активного ККМ, при которых Ям= 1,#г = 2%. Доказанные положения, что для активного ККМ характер изменения и значения Ям, Кт, соар при работе на резиетивную нагрузку и на ИСН практически одинаковы. Найденная структура пассивного ККМ, обеспечивающая удовлетворяющий ГОСТ. Найденные условия возникновения нерабочих режимов в активных и пассивных ККМ и методы их устранения.

8. Проведенные исследования устойчвавоств Децентрализованной (распределенной) системы питания на основе ИПН с ШИМ, использующие частотные характеристики комплексного выходного сопротивления «ведущего» ИПН (генератор) и

комплексного входного сопротивления «ведомых» ИПН (потребители) и результаты этих исследований.

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования послужили основой для разработки ИПН с ШИМ тала AC/DC мощностью 300 Вт, напряженна« питания 300 В, нестабильностью выходного напряжения 60 дБ и перерегулированием выходного напряжения при скачкообразном изменении сопротивления нагрузки в пределах ±30% не более 2%, а также инвертора промышленной частота, в котором достигнут Кг < 2% при работе на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода, а также на порядок улучшены массогабаритные показатели выходного фильтра но сравнению с фильтрами отечественных аналогов.

Основные научные положения диссертации служат методической базой для создания специального курса по теории электрических цепей, а также для дипломного проектирования на кафедре ТЭЦ.

Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и практические результаты диссертации использовались в научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПбГУТ по гранту СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича «Разработка программно-аппаратного комплекса для автоматизированного измерителя частотных характеристик нелинейных импульсных преобразователей и систем электропитания, включающих цепи с распределенными параметрами для модернизации учебно-лабораторной базы кафедр ТЭЦ и «Линии связи» н хоздоговору с ФГУП «НТЦ «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».

Результаты исследований устойчивости работы ИПН в результаты исследований методов улучшения динамических характеристик внедрены в ИПН переменного напряжения в постоянное напряжение мощностью 300 Вт, с выпрямленным входным напряжением 500 В, выходным напряжением 350 Вив инверторе напряжения промышленной частоты мощностью 300 Вт.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры ТЭЦ СПбГУТ, научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М А. Бонч-Бруевича, а также 4-й и 6-й Всероссийских конференциях «Состояние и перспективы развития энергетики связи».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 8 статей и 3 научных доклада. ,

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шеста глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 102 наименования. Диссертация содержит 111 страниц текста, 120 рисунков и 29 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обосновывается актуальность и практическая значимость диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы посвящена исследованию динамических характеристик (перерегулирование выходного напряжения, тока дросселя, транзистора и диода, длительности переходных процессов и т.д.) при включения, выключении, скачкообразном изменения нагрузки и входного напряжения; статических характеристик: стабильности выходных характеристик, величины низкочастотных пульсаций, высокочастотных пульсаций с тактовой частотой переключения транзисторов и коэффициента запаса устойчивости по амплитуде и фазе ИПН с ШИМ DC/DC понижающего типа при использовании выходных фильтров с равноволновыми характеристиками в полосе пропускания Чебышева и максимально плоскими характеристиками Баггерворта н различными контурами ООС, не получившим освящения в

Si

«г

1и*Д

[к,

Рис. 1. Схема импульсного преобразователя напряжения понижающего типа с однозвениым СФ и 2 контурами ООС

литературе. В данной главе проводится исследование влияния на статические и динамические характеристики, устойчивость работы ИПН от величины ослабления фильтра, глубины ООС, потерь в элементах СФ и значения сопротивления и типа нагрузки.

ИПН с ООС являются дискретно-нелинейными устройствами. Для исследования динамических характеристик использован метод переметных состояния, который позволяет точно определить токи и напряжения на всех элементах ИПН в установившемся и переходном процессах для преобразователей с разной структурой силовой части при любых возмущающих воздействиях. Метод переменных состояния позволяет в сочетании с методом усреднения и линеаризации дискретно-нелинейные системы и устройства заменить непрерывной линейной системой, определить операторную и частотную передаточные функции такой системы и с использованием характеристик Воде юга частотных критериев исследовать стабильность и устойчивость ИПН. Для изложения сущности метода анализа рассмотрим ИПН с ШИМ DC/DC понижающего типа с однозвенным сглаживающим LC-фильтром и двумя контурами ООС по выходному напряжению и току, конденсатора СФ (рис. 1). В схеме приняты следующие обозначения:

/"li, rci -сопротивления потерь в элементах фильтраII, О;

Лдь Яда -делитель напряжения с коэффициентом передачи «= ЛдаДлд1 + для

обеспечения ОС по выходному напряжению; £/эт - опорный эталонный источник;

t/вх, 1/вых - соответственно входное и выходное напряжения ИПН; иопКО -сигнал ошибки, равный разности опорного напряжения и суммарного напряжения обратной связи;

ип (/) = U^^ (f mod Г)/Г -выходное напряжение генератора пилообразного напряжения, [/птах - размах пилообразного напряжения, Т- его период, ftnodT- остаток от деления t!T.

Сигнал ошибки:

ГС1 + *Н ГС1 + ЛН )

где Х| и %г - переменные состояния, т.е. ток в индуктивности и напряжение на емкости;

КупК, - коэффициенты усиления УПТ сигнала ошибки в цепи обратной связи по выходному напряжению и коэффициент усиления УПТ в цепи ОС по току конденсатора С1 На ШИМ-компаратор подаются два сигнала: сигнал ошибки и сигнал пилообразного напряжения. В зависимости от их соотношения на выходе компаратора формируются импульсы 5(f) положительной или отрицательной полярности. Если s(f) > 0, то транзистор КП открыт, диод VD1 закрыт. Если «(/) < 0, то на выходе компаратора ноль, транзистор закрыт, диод открыт. Бели выходное напряжение I/вых увеличилось, то сигнал ошибки

8

уменьшается в, соответственно, уменьшится длительность закрытого состояния транзистора, что приведет к уменьшению Цзых до прежнего (установившегося) значения. Таким образом осуществляется стабилизация выходного напряжения. Для предотвращения дробления импульса в схему управления введен КЗ-триггер.

Переменные состояния на интервале проводимости транзистора пТШ (п+фТ и на интервале выключенного состояния транзистора (п+е1)Т (и+1)Г определяются

соответственно уравнениями (1) и (2):

х(/)=А1х(»)+В1п(0, (1)

±(0 = А21(/)+В1и(0, (2)

где матрицы коэффициентов переменных состояния А) и А2 и матрицы коэффициентов вынужденного воздействия В) и В* для ИПН с одиозвенным фильтром имеют вид:

А,=АЯ =

_1/г +_&С!_1

'

___1

Приведенные выше выражения для матричных коэффициентов Аь Аг, В), Вг соответствуют режиму непрерывного тока в индуктивности СФ.

Усреднение дифференциальных уравнений, записанных для каждого этапа работы схемы, является результатом суммирования уравнения (1), умноженного на коэффициент заполнения и уравнения (2), умноженного на (1-</). Учитывая, что ИПН, изображенный на рис. 1, имеет постоянную структуру силовой части, т.е. матрицы А! =А2, а Вг = О, уравнение для усредненного вектора состояния имеет вид:

х(0 = А,х(0+<®2«1(0. (3)

После аппроксимации нелинейной системы линейной в окрестности рабочей точки можно получить передаточные функции переменных состояния разомкнутой системы

\У(^) = (Л-А,)-,ЕРТ(5), (4)

где I - единичная матрица, матрицы Щг) и Е зависят от вида ООС

В соответствии с критерием Найквиста по передаточной функции разомкнутой системы могут быть оценены как устойчивость, так и запасы устойчивости по амплитуде и фазе замкнутой системы.

Для ИПН, использующих один ШИМ-компаратор при замыкании через него пути обхода цепей обратной связи как по току, так и по напряжению, функция управления Р(5) может быть представлена в виде суммы передаточных функций токового контура и контура по напряжению:

где р / \ _ | 0 | -функция управления по разомкнутой петле ОС по току

' ) конденсатораС1;

у (л - аК* Г ® ] -функция управления по разомкнутой петле ОС по и иВтх\8С\га+\) выходному напряжению.

В результате исследований, проведенных в данной главе, установлено, что метод усреднения и линеаризации может иметь погрешность от единиц до сотни процентов. Показано, что погрешность метода зависит от пульсаций выходного напряжения, глубины ОС, входного напряжения, сопротивления нагрузки и потерь в элементах СФ.

Рассматриваемый «точный» метод расчета частотных характеристик основан на анализе сигналов во временной области с последующим спектральным анализом в

Рис. 2. Схема импульсного преобразователя напряжения повышающего типа с емкостным фильтром и инерционным корректирующим звеном

замкнутой системе. Поскольку система остается замкнутой и продолжает функционировать в рабочем режиме, то. в ней учитываются влияния всех субгармоник я комбинационных гармоник, функционирующих на выходе нелинейного элемента; метод не накладывает никаких приближений, поэтому может считаться точным методом. Найденные в данной главе погрешности расчета частотных характеристик с использованием метода усреднения и линеаризации позволяют определить реальные запасы устойчивости по фазе и амплитуде, коэффициент стабилизации и повысить точность синтеза цепей ООС ИПН, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, при замене их уточненными эквивалентными линейными устройствами.

Вторая глава посвящена исследованию ИПН с ШИМ ГКУОС повышающего типа (рис. 2). В данном ИПН условие переключения транзистора определяются из равенства сигнала ошибки выходного напряжения «ош(0 и токовой пилы через транзистор ип(0, которая является функцией как входного напряжения, так и переменных состояния системы. В этом принципиальное отличие ИПН повышающего типа от ИПН понижающего типа, в которых пилообразное напряжение формируется автономным генератором и не зависит пи от входного напряжения, ни от переменных состояния системы. В данном устройстве обеспечивается его автоматическая защита от короткого замыкания. При коротком замыкании или резком возрастании тока через транзистор происходит резкое увеличение пилообразного напряжения «п(') через транзистор. Это приводит к резкому уменьшению интервала проводимости транзистора, т.е. его размыканию и автоматической защиты ИПН от короткого замыкания или перегрузок по току.

Учитывая достаточно низкую частоту изменения коэффициента заполнения транзисторов ИПН с ШИМ по сравнению с тактовой частотой переключения транзистора, что всегда выполняется из-за наличия инерционного выходного ЬС-фильтра, в работе с использованием метода усреднения и линеаризации получена передаточная функция разомкнутого контура цепи ООС:

ГЮ-ОД+ВД), (5)

у+1

где №,(*) = К,

'ТУ+ЦТ^-Ь!

- передаточная функция токового контура,

где К, =

ЩГк

Ф2+2$Гф*+1

передаточная функция контура по напряжению,

____Ш/«аКу(») ^(1-Р)3-^

(1-Я)2 (ъ + ЛиЖ+^О-Д)2)' "и +

К,

•(5а)

Из выражений (5) - (5а) видно, что один из нулей передаточной функции контура ОС по выходному напряжению лежит в правой комплексной полуплоскости, то есть передаточная функция содержит неминимально-фазовое звено. Это приводит к уменьшению запаса устойчивости по фазе ИНН. Анализ устойчивости н коэффициента стабилизации показал, что максимальный коэффициент стабилизации ИПН повышающего типа без устройств коррекции не может достигать 25 дБ.

В работе показана неэффективность использования дифференцирующих звеньев коррекции в ИПН с ШИМ повышающего типа и доказана целесообразность использования корректирующего инерционного звена с запаздыванием, представленного на рис. 2 пунктирной линией. _

В случае использования корректирующего инерционного звена передаточная функция контура регулирования по напряжению принимает вид:

у /j\ — *v к

. l+vu ф+тр^+х

Проведенные в данной главе исследования показали возможность увеличения коэффициента стабилизации свыше 40 дБ при запасе устойчивости по фазе больше 60° при использовании инерционного корректирующего звена в цепи ОС с найденными параметрами. '"

Третья глава посвящена исследованию и разработке однофазного инвертора (DC/AC) промышленной частоты, работающего на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузки и в режиме холостого хода. На основании проведенного в данной главе анализа возможных принципов и структур построения инверторов промышленной частоты средней мощности и современной элементной базы показано, что наиболее рациональным представляется Построение инвертора с использованием импульсной модуляции одноуровневой двухНолярйой формы напряжения в течении полупериода выходного синусоидального напряжения (частота 50 Гц) с ШИМ по синусоидальному закону (класс AD). В отличие от одноуровневой однополярной формы выходного напряжения с ШИМ по синусоидальному закону (класс BD) инверторы класса AD принципиально могут работать в режиме холостого хода и обеспечить низкий коэффициент гармоник Кг

Силовая часть инвертора представляет собой мостовой коммутатор с выходным LC-фильтром, нагруженным на комплексную линейную или нелинейную (управляемый выпрямитель с емкостным фильтром) нагрузки (рис. 3).

Для расчета параметров выходного LC-фильтра, обеспечивающего требуемый Кг при минимальных весе и габаритах фильтра, необходимо знать спектральный состав на входе фильтра (FQ'a)). Спектральный состав напряжения на входе фильтра инвертора зависит от формы пилообразного напряжения несущей частоты на входе ШИМ-компаратора, сопротивления полевых транзисторов в открытом состоянии; времени задержки между включением транзисторов каждой «стойки» моста инвертора;

+ _J^ifgi

Рис. 3. Схема инвертора напряжения без ООС, работающего на нелинейную нагрузку

И

длительности фронта и спада прямоугольных импульсов. Спектральный состав напряжения на входе фильтра рассчитывался с помощью штатной программы Micro-CAP 7.0.

Анализ спектрального состава напряжения на входе фильтра выявил: наибольший спектр комбинационных гармоник располагается в области тактовой частоты инвертора, затем в области 2-й 3-й гармоник тактовой частоты. В диапазоне частот до тактовой частоты имеются резко выраженные диапазоны частот с существенным подчеркиванием спектров комбинационных гармоник вблизи основной частоты 50 Гц и на 2-й, 3-й субгармониках тактовой частоты. Для обеспечения Кг й 1 % в инверторе без ООС показано, что фильтр должен обеспечить заоухание на 2-й, 3-й субгармониках 40 дБ и не осуществлять усиления 3-й, 5-й, 7-й гармоник (50 Гц, 250 Гц, 350 Гц) на резонансной частоте фильтра.

Предложенная методика расчета элементов LC-фильтра позволила на порядок снизить индуктивность (с 17 мГн до 1 мГн) дросселя и емкость (с 33 мкФ до 8 мкФ) конденсатора фильтра по сравнению с выходным фильтром инверторов класса BD одинаковых по мощности при одинаковом Кг 2 2 % известных в литературе.

Показано, что при работе на нелинейную нагрузку (выпрямитель с емкостным фильтром) токи через транзисторы и диоды инвертора могут в 4-5 раз превышать значения токов при работе на комплексную линейную нагрузку.

Четвертая глава посвящена исследованию активных и пассивных корректоров коэффициента мощности (ККМ), устраняющих основной недостаток импульсных ИП -уменьшению или полному устранению электромагнитных помех в электрической сети. Эти помехи обусловлены резким искажением гармонического Состава тока потребляемого импульсными ИП из сети.

Анализ процессов в активных ККМ проводился в ряде работ. Однако анализ производился при работе ЮСМ на резистявиую нагрузку, что не отражает реальных процессов в системе ККМ - импульсный ИП; анализ производился в основном методом усреднения и линеаризации, который имеет большую погрешность. В известной литературе не проведены исследования Ям, Кг, соз<р, величины перерегулирования и величины низкочастотных пульсаций выходного напряжения от основных параметров ККМ: характеристического сопротивления р=^П/С1; постоянной времени гн =£НС1, потерь в элементах ККМ, глубины ООС по выходному напряжению. Не исследованы условия возникновения нерабочих режимов и методы их устранения.

В работе исследован ККМ на основе преобразователя повышающего типа при работе как на резистивную, так и ка ИПН понижающего типа. В схеме управления ККМ используется две цепи ОС. Одна цепь ОС стабилизирует выходное напряжение, вторая цепь

преобразователя повышающего типа, нагруженного на резисшвную нагрузку

ОС отслеживает форму выпрямленного напряжения сети (рис. 4). Сигнал ошибки поступает на один вход умножителя, а яа фугой поступает сигнал пропорциональный выпрямленному входному напряжению ККМ. Сигнал с умножителя поступает на инвертирующий вход компаратора, а на неинвертирующий вход компаратора поступает сигнал с датчика входного тока или тока входного дросселя ККМ. На каждом периоде работы ККМ момент включения транзистора совпадает с импульсом синхронизации, а момент выключения совпадает с моментом, когда напряжение пропорциональное току транзистора пересекает сигнал с выхода умножителя е(/) = К^ ¡ы^ (f )| • Кг (£/эт - ««вих (')). где |ивх(<)1 - входное напряжение ККМ, равное выпрямленному напряжению сети; «вых(0 -выходное напряжение ККМ; Кг - коэффициент усиления УТТТ в контуре ОС по выходному напряжению; К\ - коэффициент усиления УПТ в контуре ОС выпрямленного напряжения сета. Для обеспечения режима непрерывного входного, тока ККМ, при котором обеспечиваются наибольшие Ки и использование ККМ по мощности показано, что Ki равен отношению сопротивления датчика тока к эквивалентному входному сопротивлению ККМ

*i =*яг/*>.где Ä,(0<2iV((1"^(0/«H(0)Г).

На основании проведенных исследований определим оптимальные значения р и тн, при которых Ки = 1, Кг = 2%. Доказано, что для активного ККМ характер изменения и значения Ки, Кг и соар при работе на резистивную нагрузку и на ИСН практически одинаковы.

Проведенные исследования пассивных ККМ позволили установить, <гго при работе на резистивную нагрузку Ки, Кг и cos? всех рассматриваемых ПККМ удовлетворяют требованиям ОСТ Минсвязи РФ. При работе на импульсный стабилизатор напряжения только ПККМ, содержащий дроссель, включенный послёдовательно с выпрямительным диодным мостом, и конденсаторы, включенные параллельно паре диодов, включенных параллельно нагрузке, удовлетворяют требованиям ОСТ Минсвязи РФ по Км.

В пятой главе рассматривается особенность работы ИПН в распределенных системах электропитания (РСП). Поскольку анализ и проектирование РСП, использующей в качестве подсистемы импульсные ИД, чрезвычайно сложны, поэтому существует отечественная практика, когда каждая подсистема разрабатывается индивидуально без учета взаимного влияния подсистем друг на друга. Одной из наиболее важных задач при интеграции отдельных ИП в систему является обеспечение устойчивости РСП, которая нарушается из-за взаимодействия подсистем.

В работе получено соотношение для комплексного коэффициента передачи каскадно-соединенных ИП:

Я(/ш) = Я, О) • Щ Осо)/(1+Z^ (/ta)/Z$> О'ш)), где Z^xO'a») _ выходное сопротивление ведущего ИПН - генератора,

О'®) - входное сопротивление ведомого ИПП - приемника.

Из соотношения следует, что коэффициент передачи каскадно-соединенных ИП в общем случае зависит не только от произведения комплексных коэффициентах передачи HiQ'a) и Н%(/<>>) отдельных источников, но и от отношения выходного сопротивления 2^хС/т) предшествующего источника (генератора), к входному сопротивлению (/«О последующего источника (приемника). Если на некоторой частоте выполняется равенство

О®)/^вх С/®) = ~ 1 > то выполняются условия самовозбуждения системы, если даже каждый ИП устойчив.

В работе Исследовались входные и выходные сопротивления импульсных ИП понижающего типа с использованием численных методов расчета, основанных на временном и спектральном анализе переходных и стационарных процессов ИПН, а также с использованием метода усреднения и линеаризации дискретно-нелинейных систем.

При расчете ZbxO'w) во входную цепь ИПН последовательно с постоянным напряжением, подлежащим преобразованию, вводится гармонический источник возмущающего напряжения, амплитуда и частота которого изменяется в широких пределах. Определив спектр амплитуд и фаз установившегося процесса для входного тока, затем определяется зависимость входного сопротивления ИПН (у'ш) = i/aXm//BXln. Аналогично определяется комплексное выходное сопротивление ИПН с ШИМ: Zfmx (усо) = UBUXm/iBUXa. Для расчета ZBxO'o>) и 2вых(/«>) использовалась программа FASTMEAN, разработанная на кафедре «Теория электрических цепей» СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. В отличие от известных программ типа PSpice, Micro-CAP, Electronics Workbench данная программа Основана на новых матричных решениях дифференциальных уравнений электрических цепей и позволяет существенно повысить точность и скорость расчета переходных и стационарных процессов в ключевых устройствах.

В работе получены выражения для ZBx(/e>) и Zbux(j'<o) также с использованием метода усреднения и линеаризации ИПН:

T,i + I + ¿¿¡xi^S +1

8X0" Z)2 + ^ (Ги+Лн^+^ад'

Полученные в данной главе результаты подтверадают правильность основных теоретических положений, описывающих взаимное влияние подсистем, составляющих полную систему. Рассмотренный кртервй устойчивости зависит от выходного сопротивления предшествующего и входного сопротивления последующего звеньев и позволяет контролировать устойчивость системы в целом. Найденные входные и выходные сопротивления ИПН позволяют предсказывать неустойчивость распределенных систем и открывают возможность рационального проектирования РСП, состоящих из отдельных ИПН различных типов с различными характеристиками и различным числом контуров ОС.

Показано, что ИПН понижающего типа с двухконтурной ОС по выходному напряжению и току конденсатора СФ позволяет не только обеспечить больший коэффициент стабилизации выходного напряжения и больший запас устойчивости по амплитуде и фазе подсистем в автономном режиме, но и больший запас устойчивости распределенной системы питания по сравнению с использованием в качестве подсистем ИПН с одноконтурной ОС по выходному напряжению.

В шестой главе описаны разработанные и изготовленные устройства ИПН с ШИМ AC/DC, DC/DC, DC/AC.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа направлена на решение проблемы улучшения динамических, статических, массогабаритных характеристик и качественных показателей импульсных источников вторичного электропитания с ШИМ, включающих: преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC); постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC); постоянного напряжения в переменное - инверторы (DC/AC); активные и пассивные корректоры коэффициента мощйости, а также децентрализованные (распределенные) системы питания на их основе и обеспечение их электромагнитной совместимости с промышленной сетью в соответствии с новыми международными и Российскими стандартами путем комплексного подхода:

- к исследованию ИПН с ШИМ AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типов с многоконтурными ООС, представляющих собой нелинейные дискретные устройства, с

улучшенными динамическими, статическими и массогабарктными характеристиками, максимальной величиной коэффициента стабилизации;

- к исследованию и определению структуры однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемые ГОСТом качественные показатели выходного напряжения при работе инвертора на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-филыром) и в режиме холостого хода при минимальных массе и габаритах СФ;

- к исследованию принципов построения, алгоритмов управления, определению структур и оптимальных режимов работы активных и пассивных корректоров коэффициентов мощности, обеспечивающих требуемые ГОСТом коэффициент мощности, спектральный состав входного тока ККМ при их работе на импульсные стабилизированные преобразователи напряжения с ШИМ и регуляторы напряжения;

- к исследованию децентрализованных (распределенных) систем питания, использующих ИПН с ШИМ.

Основные научные н практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем: , ,

1. Получены новые результаты в исследовании динамических, статических характеристик, максимального коэффициента стабилизации выходного напряжения, коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций за счет ООС в ВПН AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типов с однозвеншжя фильтрами с равноволновыми характеристиками Чебышева и максимально плоскими характеристиками Баттерворта, различными ослаблением фильтров, различными коэффициентами усиления УПТ в цепи ООС и различными контурами ОС и корректирующими звеньями. На основании проведенных исследований разработаны импульсные ИП понижающего типа со стабилизацией выходного напряжения 60 дБ, перерегулированием выходного напряжения 2% при запасе устойчивости но фазе Д<р = 70® при скачкообразном изменении нагрузки в пределах ±50% и входного напряжения ±25%.

2. Доказано, что для существенного увеличения коэффициента стабилизации и запаса устойчивости по фазе в амплитуде для ИПН DC/DC понижающего типа с однозвенным СФ следует использовать два контура ОС по выходному напряжению и току конденсатора СФ. При этом обеспечивается увеличение запаса'устойчивости по фазе до Д<р = 60° ори номинальном сопротивлении нагрузки Яя ~ Дном и до Aq> = 30е при холостом ходе RH - /¡хх для фильтра Баттерворта при стабилизации выходного напряжения 60 * 70 дБ и Д<Р = 70° при Ян - Яном, &ф ** 47е при Кн = йхх ири ifcr = 60 + 70 дБ для фильтра Чебышева. При одноконтурной ОС но выходному напряжению запас устойчивости при номинальной нагрузке не превышает Д<р=20", а в режиме холостого хода - Аф S10°.

3. Проведены исследования погрешности расчета частотных характеристик коэффициента петлевого усиления разомкнутого контура ООС ИПН с ШИМ, являющегося дискретно-нелинейным устройством, с использованием метода усреднения и линеаризации. Проведенные исследования погрешности позволили определить реальные запасы устойчивости по амплитуд): и фазе, реальные коэффициент стабилизации и полосу частот АЧХ, повысить точность синтеза цепей ООС я выходных фильтров при замене ИПН с ШИМ эквивалентными линейными системами.

4. Показано, что по массогабаритным показателям, статическим и динамическим характеристикам предпочтение следует отдать ИПН с однозвенным чебышевским фильтром и даухконтурвой ООС по выходному напряжению и току конденсатора фильтра.

5. Выбран тип инвертора промышленной частоты (ИПН DC/AC) и предложена методика расчета выходного фильтра, которые позволили не только получить коэффициент гармоник Кг £ 2% выходного напряжения при работе инвертора как на комплексную линейную и нелинейную нагрузки, так и в режиме холостого хода, удовлетворяющий

требованиям ГОСТ, и на порядок снизить индуктивность дросселя и емкость конденсатора выходного фильтра по сравнению с выходными фильтрами известных аналогов.

6. Проведено исследование различных принципов построения, алгоритмов управления и структур активных и пассивных корректоров коэффициента мощности. Проведенные исследования коэффициента мощности Ки, коэффициента гармоник Кг позволили определить оптимальные значения постоянной времени т = С1ЛН и характеристического сопротивления р активного ККМ, при которых Ям = 1, Кг - 2%. Показано, что для активного ККМ характер изменения и значения Ки, Кг, сояр при работе на резистивную нагрузку и на ИСН практически одинаковы. Определена структура пассивного ККМ, которая обеспечивает Ки, удовлетворяющий ГОСТ, при работе на ИПН с ШИМ. Найдены условия возникновения нерабочих режимов в активных и пассивных ККМ и методы их устранения.

7. Проведены исследования устойчивости децентрализованной (распределенной) системы питания, построенной с использованием ИПН с ШИМ. Показано, что устойчивость всей системы питания зависит от входных и выходных комплексных сопротивлений отдельных подсистем: выходного сопротивления «ведущего» ИПН — генератора и входного сопротивления «ведомых» ИПН - потребителей. Предложены методики измерения этих сопротивлений в рабочем режиме ИПН с ШИМ, когда учитываются все «паразитные» параметры и «паразитные» связи в ИПН.

8. Экспериментальное исследование ИПН с ШИМ в составе: преобразователя напряжения 500 В (трехфазная сеть) в напряжение 350 В (преобразователь AC/DC); преобразователя напряжения питания 320 -175 В (аккумуляторная батарея) в напряжение 350 В (преобразователь DC/DC); инвертора промышленной частоты с частотой 50 Гц, 220 В (преобразователь DC/AC) с напряжением питания 350 В, работающих в распределенной системе: преобразователь AC/DC понижающего типа - инвертор и преобразователь DC/DC понижающего типа - инвертор, используемый в аппаратуре, созданной ФГУП «НТЦ «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» совместно с СПбГУТ им. проф. М.А. Боич-Бруевича подтвердили справедливость:

- полученных результатов исследования устойчивости работы ИПН с ШИМ AC/DC и DC/DC понижающего типа, их динамических и статических характеристик;

- проведенных исследований и методик расчета выходного фильтра однофазного инвертора промышленной частоты;

- результатов исследований децентрализованных систем питания.

9. Создание источников питания и децентрализованной системы питания, в . которых используются исследованные ИПН с ШИМ AC/DC, DC/DC и инвертор промышленной частоты и их сравнение с отечественными разработками подтвердили перспективность таких ИПН.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО TEMÉ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дмитрию» В.Ф., Самылин И.Н., Шушпанов Д.В. Исследование динамических характеристик импульсного преобразователя напряжения с различными фильтрами и контурами обратной связи // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2002. №168. С. 309-315.

2. Самылин И.Н., Шушпанов ДБ. Устойчивость высокочастотных импульсных источников в распределенных системах постоянного тока II 4-я Всероссийская конференция «Состояние и перспективы развития энергетики связи»: сб-к тр. СПб: ПЕТЕРКОН, 2003. С. 97-110.

3. Самылин И.Н., Шушпанов ДВ. Оценка влияния внутреннего сопротивления возмущающего генератора на входное и выходное сопротивления ШИМ-преобразователя II Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2003. №169, С. 243 - 250.

4. Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н., Шушпанов Д.В. Исследование динамических и качественных характеристик корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 14. С. 18 - 25.

5. Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н., Шушпанов ДВ. Исследование устойчивости и коэффициента стабилизации импульсных преобразователей напряжения повышающего типа II Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника / СПб, 2004. №1. С. 47 - 57.

6. Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н., Шушпанов ДВ. Исследование динамических и статических характеристик импульсного преобразователя напряжения повышающего типа с корректирующими звеньями И Известия высших учебных заведений Росши. Радиоэлектроника / СПб, 2004. №2. С. 42 - 52.

7. Самылин И.Н., Шушпанов Д.В. Исследование пассивных корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 16, С. 2 - 15.

8. Дмитриков В.Ф., Самылин ИИ, Шушпанов ДВ. Исследование устойчивости работы двухтактных импульсных стабилизаторов с использование! частотных характеристик передачи по петле ООС методом замкнутого контура Н Практическая силовая электровика. 2005. Вып. 18, С. 2 -11.

9. Самылин И.Н., Шушпанов ДВ. Особенности работы однофазного инвертора напряжения промышленной частот с синусоидальной ШИМ на комплексную линейную н нелинейную нагрузки // 6-я Всероссийская конференция «Состояние в перспективы развития энергетики связи»: сб-к тр. СПб: ПЕТЕРКОН, 2005. С. 134 -148.

10. Самылин И.Н., Шушпанов Д1$. Отечественный компьютерный автоматизированный измеритель частотных характеристик аналоговых и импульсных устройств // 6-я Всероссийская конференция «Состояние и перспективы развития энергетики связи»: сб-к тр. СПб: ПЕТЕРКОН, 2005. С. 149 -160.

П. Самылин ЮН., Шушпанов ДВ. Анализ однофазного инвертора напряжения с синусоидальной ШИМ при работе на линейную и нелинейную нагрузки II Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2005. С. 168 - 179.

Подписано к печати 03.11.2005 Объем 1 усл. - печ. л. Тираж 60 экз. Заказ 476

РИО СПбГУТ. 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61 Отпечатано СТ «Факультет ДВО». 191186 СПб, наб. р. Мойки, 61

D2255 1

РНБ Русский фонд

2006-4 24499

у

ВВЕДЕНИЕ.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

ПОНИЖАЮЩЁГО ТИПА.

1.1. Введение.

1.2. Математическая модель ИПН понижающего типа.

1.3. Импульсный преобразователь напряжения понижающего типа с однозвенными фильтрами.

1.3.1. Исследование устойчивости и коэффициента стабилизации с использованием частотных характеристик коэффициента петлевого усиления разомкнутой цепи ООС непрерывной линеаризованной модели ИПН.

1.3.2. Исследование коэффициента подавления низкочастотных пульсаций с использованием импульсной модели ИПН.

1.3.3. Исследование статических и динамических характеристик с использованием импульсной модели ИПН.

1.4. Оценка погрешности метода усреднения и линеаризации для импульсного преобразователя напряжения понижающего типа с обратной связью по выходному напряжению.

1.4.1. Постановка задачи.

1.4.2. Метод введения источника гармонических колебаний в кольцо ООС стабилизатора.

1.4.3. Описание методики измерения АЧХ и ФЧХ функции петлевого усиления.

1.4.4. Расчет частотных характеристик ИПН понижающего типа методом замкнутого контура.

1.5. Исследование устойчивости работы двухтактных импульсных стабилизаторов с разделительным конденсатором в первичной обмотке трансформатора с использованием частотных характеристик.

1.5.1. Постановка задачи.

1.5.2. Расчет частотных характеристик двухтактного стабилизатора

1.6. Выводы.

II. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ПОВЫШАЮЩЕГО ТИПА.

2.1. Математическая модель ИПН повышающего типа.

2.2. Исследование устойчивости и коэффициента стабилизации с использованием частотных характеристик непрерывной линеаризованной модели.

2.3. Исследование статических и динамических характеристик ИПН.

2.4. Выводы.

III. АНАЛИЗ ОДНОФАЗНОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ С СИНУСОИДАЛЬНОЙ ШИМ.

3.1. Постановка вопроса.

3.2. Анализ однофазного инвертора напряжения без ООС.

3.3. Особенность работы однофазного инвертора напряжения с ООС.

3.4. Выводы.

IV. КОРРЕКТОРЫ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ.

4.1. Постановка задачи.

4.2. Исследование активных корректоров коэффициента мощности.

4.2.1. Обоснование алгоритма управления активным ККМ.

4.2.2. Исследование динамических и качественных характеристик активных корректоров коэффициента мощности.

4.3. Исследование пассивных корректоров коэффициента мощности.

4.4. Выводы.

V. ОСОБЕННОСТЬ РАБОТЫ ИМПЛУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.

5.1. Актуальность темы исследования.

5.2. Комплексный коэффициент передачи системы каскадно-соединенных взаимодействующих подсистем (четырехполюсников).

5.3. Постановка задачи исследования.

5.4. Комплексные входное и выходное сопротивления линеаризованной модели ИПН.

5.5. Анализ результатов расчета сопротивлений.

5.5.1. Проверка устойчивости системы входной фильтр - ИПН.

5.5.2. Проверка устойчивости системы ИПН - ИПН.

5.6. Выводы.

VI. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

Выводы.

Актуальность темы. Из основных тенденций развития радиоэлектронных средств (РЭС) и систем связи следует отметить с одной стороны всё возрастающую степень использования интегральных микросхем, микроконтроллеров и микропроцессоров, что приводит к резкому снижению массы и габаритов РЭС и её узлов; с другой стороны разработку и развитие новых принципов энерго- и ресурсосберегающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразование электрической энергии в системах электропитания, которые являются неотъемлемой частью каждой РЭС.

Современные РЭС резко ужесточают требования к массогабаритным показателям, экономичности, надежности, качеству вырабатываемой энергии и электромагнитной совместимости систем электропитания. Решение проблем энерго- и ресурсосбережений в устройствах электропитания (преобразователях переменного напряжения в постоянное — AC/DC; постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня — DC/DC; постоянного напряжения в переменное - инверторы DC/AC) осуществляется с использованием импульсных (ключевых) режимов работы усилительных приборов в преобразователях напряжения с промежуточным звеном высокой частоты (сотни килогерц - единицы мегагерц) современной элементной базы: мощных транзисторов (MOSFET, IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, современных магнитных материалов и конденсаторов и современных технологий узлов и устройств (низкопрофильные, безнамоточные, плоские трансформаторы; поверхностный монтаж и др.). Ключевые режимы работы усилительных приборов позволяют приблизить электронный КПД устройств к предельно достижимому (100%) путем снижения мощности потерь в усилительных приборах, тем самым увеличить надежность работы импульсного источника питания (ИП); уменьшить массу и габариты ИП путем снижения или полного устранения системы охлаждения усилительных приборов.

Преобразование энергии не на промышленной частоте (50 Гц), а на высокой частоте (сотни килогерц - единицы мегагерц) позволяет в десятки — сотни раз снизить объем и массу реактивных фильтрующих устройств и согласующих трансформаторов, которые даже в современных импульсных ИП занимают до 50-70% габаритов и веса всей системы. Повышение частоты преобразования электрической энергии, определяемое частотой переключения транзисторов, в импульсных высокочастотных преобразователях напряжения (ВПН) требует соответствующего режима переключения транзисторов. Это обусловлено тем, что на частотах коммутации десятки - сотни килогерц и выше всё более проявляется неидеальность ключевых свойств полупроводниковых приборов, что вызывает рост коммутационных потерь. Наличие паразитных емкостей и индуктивностей полупроводниковых приборов и монтажа, создающих паразитные высокочастотные контура, приводит к возникновению перенапряжений и высокочастотных колебаний при коммутации, полупроводниковых приборов. Таким образом, применение импульсных ВПН, наряду с уменьшением массы и габаритов ИП, приводит к увеличению уровня электромагнитных помех (ЭМП), усугубляя (и без того сложную в современных условиях насыщенности радиоэлектронными средствами различных сфер деятельности человека) электромагнитную обстановку [1 -4]. Однако экономия стали, меди, электроэнергии, повышение надежности, быстродействия и т.д. настолько значительны, что импульсные ВПН применяются всё шире, частота преобразования электроэнергии продолжает увеличиваться. Но в то же время проблема устранения ЭМП, создаваемых ВПН, проблема снижения в них коммутационных потерь становится актуальной.

Из существующих в настоящее время методов снижения ЭМП путем уменьшения или полного устранения ВЧ колебаний и снижения коммутационных потерь в транзисторах при их переключении [5 — 13] можно выделить (рис. В.1):

- применение демпфирующих RCD или LCD цепей;

Рис. В.1. Классификация высокочастотных преобразователей напряжения с резонансными контурами

- использование резонансных ВПН с последовательным или параллельным резонансным контуром (РК);

- применение квазирезонансных ВПН или ВПН класса Е с переключением транзисторов при нуле тока или нуле напряжения;

- использование ВПН с резонансным или «мягким» переключением.

Снижение ЭМП и коммутационных потерь путем демпфирования ВЧ колебаний и формирования траектории рабочей точки силовых транзисторов на ВЧ неэффективно как с помощью RCD, так и LCD-цепей. Применение RCD цепей для демпфирования ВЧ-колебаний в ВПН при коммутации транзисторов обеспечивается путем снижения постоянной времени RCD цепи, т.е. заданной паразитной емкости транзистора снижением сопротивления резистора RCD цепи. Но при этом происходит дополнительная большая загрузка транзисторов разрядным током конденсатора, увеличение мощности потерь в резисторе [13].

При использовании реактивных LCD-цепей увеличивается амплитуда тока и напряжения на силовом транзисторе, что снижает коэффициент использования его по мощности. Повышение реактивной мощности при использовании LCD цепей сопровождается дополнительными потерями в активных элементах схемы. Основной недостаток применения LCD цепей на высоких частотах коммутации заключается в том, что частота коммутации транзисторов должна быть значительно ниже резонансной частоты демпфирующего LC-контура для обеспечения работы ВПН в режиме ШИМ.

Несмотря на появление современных мощных МДП-транзисторов, частота переключения которых ограничивается несколькими десятками мегагерц, в ВПН, использующих экономичный режим ШИМ, который характеризуется наибольшим коэффициентом использования полупроводниковых приборов и остальных элементов импульсного ИП по мощности, частота преобразования электромагнитной энергии ИП будет значительно ниже из-за резкого увеличения коммутационных потерь и ЭМП. Кроме того, при выключении транзистора на паразитных индуктивностях, индуктивностях рассеивания транзистора возникают большие выбросы напряжения, возникающие из-за резкого изменения тока (большого di/dt), которые прикладываются к транзистору и вывязывают большой уровень ЭМП. При ВЧ и значительном напряжении питания в транзисторе будет рассеиваться большая мощность потерь при включении Рп = (CTpt/n/2)?, где Cjp паразитная выходная емкость транзистора, а возникающие сильные импульсные помехи, проникая через проходную емкость (эффект Миллера) в предоконечный каскад, могут вывести его из строя или нарушить устойчивость его работы.

Резонансные ВПН являются преобразователями двухтактного типа, в которых используется дополнительные резонансные контура (РК), которые работают в течение всего периода переключения, поэтому их установленная мощность значительно больше установленной мощности реактивных элементов демпфирующих цепей ВПН с ШИМ [9, 11 - 14]. Наличие дополнительных РК приводит к значительному увеличению токов через полупроводниковые приборы и повышению в них статических потерь. Регулирование или стабилизация выходного напряжения таких преобразователей осуществляется изменением частоты коммутации транзисторов выше или ниже резонансной частоты РК.

Квазирезонансные ВПН являются преобразователями однотактного типа, они, как и резонансные ВПН, имеют дополнительные РК. Квазирезонансные преобразователи характеризуются однонаправленной передачей энергии в нагрузку, аналогично традиционным преобразователям с ТТТИМ. Регулирование или стабилизация выходного напряжения осуществляется изменением длительности импульсам в ВПН с переключением в нуле напряжения [15, 16]. При этом происходит изменение частоты переключения транзистора, поскольку интервал времени, в течение которого происходит колебательный процесс в РК, практически постоянен. В квазирезонансных преобразователях, являющихся однотактными преобразователями, имеют место значительные перенапряжения на полупроводниковых приборах, превышающее напряжение питания в 5-10 раз, что исключает их использование при высоких напряжениях питания. Таким образом, недостатком квазирезонансных ВПН является существенно более низкий коэффициент использования транзисторов и диодов по мощности по сравнению с традиционными ВПН с ШИМ.

ВПН класса Е имеют РК как минимум третьего порядка. Установленная мощность полупроводниковых приборов и реактивных элементов РК в ВПН класса Е больше, чем у резонансных ВПН, поэтому область их применения весьма ограничена.

Преобразователи напряжения, в которых РК работает только во время переключения транзисторов, называется ВПН с резонансным («мягким») переключением, а коммутация транзисторов происходит при нуле напряжения [6,17-23]. Также преобразователи позволяют сочетать низкие потери мощности при переключении транзисторов, характерные для резонансных и квазирезонансных структур, с экономичностью процесса передачи мощности преобразователей с ТТТИМ, поскольку в данном случае колебания напряжения и тока во время передачи мощности в нагрузку имеют прямоугольную форму. Так как время действия РК ограничено временами фронта тока и напряжения, то реактивная мощность их элементов невелика. Роль РК часто играют индуктивность рассеяния или намагничивания трансформатора совместно с выходной емкостью транзистора. В таких ВПН мощность коммутационных потерь, устраненная из транзистора, в отличие от использования демпфирующих RCD или LCD цепей, рекуперируется в источник питания. В данных преобразователях паразитные параметры элементов используются для снижения коммутационных потерь и ЭМП при переключении транзисторов.

ВПН с резонансным («мягким») переключением при использовании МДП-транзисторов работают с частотой переключения 100 + 500 кГц. В этом диапазоне частот достигается оптимальное соотношение между массой, габаритами, КПД, надежностью преобразователей и существенно снижается уровень ЭМП.

Таким образом, ВПН, использующие ШИМ с «мягким» (резонансным) переключением транзисторов, совмещают высокий коэффициент использования полупроводниковых и других элементов схемы по мощности с низкими коммутационными потерями и достаточными низким уровнем ЭМП., Они представляются наиболее перспективными для использования в импульсных источниках питания.

Всё более жесткие требования, предъявляемые современными РЭС к качеству вырабатываемой электроэнергии: стабилизация выходного напряжения под действием различных возмущающих воздействий до 60 дБ и более; величина низкочастотных и высокочастотных пульсаций выходного напряжения десятки-единицы милливольт, что при выходном напряжении десятки-сотни вольт приводит к необходимости обеспечения коэффициента фильтрации 60-80 дБ; малая величина перерегулирования (1-2%) при скачкообразном изменении входного напряжения и сопротивления нагрузки в больших пределах; необходимость обеспечения больших запасов устойчивости по фазе и амплитуде, приводят к необходимости исследования новых принципов построения и развития методов анализа и синтеза импульсных источников питания с глубокой отрицательной многоконтурной обратной связью (ООС).

Для стабилизации выходных параметров импульсных ИП с ООС, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, обычно используются ООС по выходному напряжению или току, а для обеспечения необходимых запасов устойчивости по амплитуде и фазе, малой величины перерегулирования по напряжению и току при действии различных дестабилизирующих факторов, необходимой полосы частот АЧХ разомкнутой петли ООС для подавления НЧ пульсаций необходимо использовать многоконтурные ООС по различным переменным состояния [24 - 32].

Для исследования стабилизации и устойчивости данных систем используется метод усреднения и линеаризации, который позволяет перейти от дискретной нелинейной системы к непрерывной линейной, получить частотную передаточную функцию коэффициента петлевого усиления разомкнутой петли ООС и с использованием характеристик Боде или частотных критериев определить устойчивость системы, коэффициент стабилизации выходных параметров, полосу частот АЧХ разомкнутой петли ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций за счет ООС.

Метод усреднения и линеаризации является приближенным. Погрешность возникает как на этапе усреднения, т.е. замене дифференциальных уравнений, описывающих переменные состояния системы на различных этапах работы импульсного преобразователя напряжения (ИПН) одним дифференциальным уравнением, так и при линеаризации полученного непрерывного нелинейного дифференциального уравнения. Погрешность метода усреднения и линеаризации ИПН с ШЙМ в литературе не рассматривалась.

Специалистами по силовой электронике и преобразовательной технике до сих пор не используется глубоко разработанная теория синтеза реактивных LC-фильтров: не рассматриваются фильтры Чебышева с равноволновыми характеристиками в полосе пропускания, которые обладают максимальным затуханием в полосе задерживания при заданном количестве элементов и заданном произведении Ь^С^, где L^ и Q; - суммарные значения индуктивностей и емкостей фильтров; не рассматриваются фильтры

Баттерворта с максимально плоскими характеристиками в полосе пропускания и линейными фазовыми характеристиками в полосе задерживания.

Таким образом, необходимо провести исследование реализации максимально возможного коэффициента стабилизации выходных параметров; запасов устойчивости по амплитуде и фазе; минимальной величины перерегулирования выходного напряжения при действии различных дестабилизирующих факторов; максимальной полосы частот АЧХ разомкнутой петли ООС, в которой обеспечивается требуемое подавление низкочастотных пульсаций для импульсных преобразователей напряжения с ШИМ понижающего и повышающего типов, использующих сглаживающие фильтры с характеристиками Чебышева и Баттерворта, с различными контурами ООС, при различной величине пульсаций выходного напряжения, различных типах и параметрах комплексной нагрузки. Оценить погрешность анализа и синтеза ИПН с ШИМ с ООС, представляющих дискретно-нелинейные системы с ООС, при использовании метода усреднения и линеаризации.

В состав современных систем электропитания, как отмечалось, входят ИПН, преобразующее переменное напряжение в постоянное (AC/DC), постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC), а также постоянное напряжение в переменное — инверторы (DC/AC). Качество энергии, вырабатываемое инверторами промышленной частоты (50 Гц), должно удовлетворять ГОСТу или отраслевым стандартам при работе инвертора на линейную комплексную нагрузку, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузку и при работе инвертора в режиме холостого хода. Качество выходного синусоидального напряжения частотой 50 Гц определяется значением коэффициента гармоник и спектральным составом. Известные в литературе [33 - 35] однофазные инверторы напряжения, реализуемые, как правило, по схеме класса BD (одноуровневое однополярное напряжение на входе СФ) даже при использовании громоздких фильтров не обеспечивают значение коэффициента гармоник (Кг < 5 %), удовлетворяющее ряду отраслевых ГОСТов в режиме холостого хода.

Поэтому актуальной является проблема разработки однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемое качество выходного напряжения и минимальные габариты СФ при работе инвертора на линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода.

При использовании импульсных источников, преобразующих переменное напряжение сети в постоянное напряжение или в переменное напряжение другой частоты, возникают нелинейные искажения тока и импульсные помехи в сети. Отрицательное действие этих искажений проявляется с одной стороны на функционирующие РЭС, а с другой стороны на электросеть. При импульсном потреблении тока импульсными источниками возникающие гармонические составляющие тока не совпадают по фазе с напряжением сети и протекают в нейтральном проводе. Обычно сечение нейтрального провода много меньше сечения фазовых проводов, поэтому гармонические составляющие тока, достигая критического значения, могут привести к пожару электросети. Для устранения негативного влияния импульсных источников на сеть Международная электрическая компания (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENTELEC) приняли стандарты IEC555, устанавливающие ограничение на содержание гармоник, косинус фи (coscp) и коэффициент мощности импульсных источников. Коэффициент мощности Км определяется как отношение активной мощности, передаваемой источником потребителю, к кажущейся (полной) мощности, преобразуемой источником. В соответствии с принятым стандартом IEC555 норма Км вновь разрабатываемой аппаратуры должна быть не ниже 0,98. Для сравнения в импульсных выпрямителях с емкостным фильтром Км = 0,66. Эффективный метод реализации данного Км. — применение корректоров коэффициента мощности (ККМ) на входе любого импульсного преобразователя. Основной стандарт EN61000-3 устанавливает также соотношение гармонических составляющих потребляемого из сети тока со второй по сороковую гармоники. Эти ограничения на коэффициент мощности и гармонические составляющие тока импульсных источников распространяются на все разрабатываемые устройства мощностью свыше 75 Вт с января 2001 г. и в России.

Анализ процессов в ККМ на основе преобразователя повышающего типа, расчет Км, Кт, coscp, гармонических составляющих проводился в [36-39] при работе ККМ на резистивную нагрузку. Однако ККМ, как правило, работает не на резистивную нагрузку, а на импульсные преобразователи напряжения повышающего или понижающего типа, имеющие комплексное выходное сопротивление и отрицательную активную составляющую сопротивления по переменному току. Поэтому режим работы ККМ и его характеристики могут отличаться при работе на резистивную нагрузку от режима работы ККМ на импульсные преобразователи повышающего или понижающего типа.

Кроме активных ККМ используются также пассивные корректоры коэффициента мощности (ПККМ), которые имеют существенно худшие массогабаритные показатели по сравнению с активными ККМ, но они не имеют высокочастотных составляющих входного тока (гармоник с тактовой частотой коммутации транзисторов). В этом их принципиальное преимущество перед активными ККМ, что позволяет высокоэффективные импульсные источники питания с ПККМ использовать в измерительной, медицинской аппаратуре, в малошумящих усилителях, в усилителях с высоким коэффициентом усиления и т.д., где обычные импульсные устройства и активные ККМ не применяются из-за ухудшения электромагнитной совместимости с чувствительными РЭС. Анализ ПККМ также проводился при работе на резистивную нагрузку, что совершенно не отражает реальных процессов и характеристик ПККМ при их работе на импульсные источники питания.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является решение проблем улучшения динамических, статических, массогабаритных характеристик и качественных показателей импульсных источников вторичного электропитания с ШИМ, включающих: преобразователей переменного напряжения в постоянное (AC/DC); постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC); постоянного напряжения в переменное (DC/AC); корректоры коэффициента мощности, а также распределенные системы питания на их основе и обеспечение их электромагнитной совместимости с промышленной сетью в соответствии с новыми международными IEC555 и Российскими стандартами. Данная проблема решалась путем комплексного подхода, т.е. путем разработки и исследования структуры и параметров ИПН типа AC/DC и DC/DC с наилучшими динамическими и статическими характеристиками, DC/AC с качественными показателями выходного напряжения, удовлетворяющими требованием ГОСТ при работе на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) нагрузки и в режиме холостого хода, и минимальной массой и габаритами выходного СФ; исследования и разработки активных и пассивных ККМ, обеспечивающих требуемые ГОСТом коэффициент мощности и спектральный состав входного тока при работе ККМ на различные импульсные ИП с ШИМ, и, наконец, исследование устойчивости децентрализованной (распределенной) системы питания, содержащей импульсные источники питания с ШИМ, которые имеют комплексные выходное и входное сопротивления с отрицательной активной составляющей по переменному току.

Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Исследование устойчивости, динамических характеристик, максимальной величины коэффициента стабилизации выходного напряжения и коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций выходного напряжения ИПН с ШИМ понижающего и повышающего типов с многоконтурными ООС, представляющих собой нелинейные дискретные устройства.

2. Исследование и разработка однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемые ГОСТом качественные показатели выходного напряжения при работе инвертора на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода при минимальных массе и габаритах СФ.

3. Исследование принципов построения, структур, параметров и алгоритмов управления активных и пассивных ККМ, обеспечивающих требуемые ГОСТом коэффициент мощности, спектральный состав входного тока ККМ при их работе на импульсные стабилизированные преобразователи напряжения и регуляторы напряжения.

4. Разработка методики исследования и исследование устойчивости работы децентрализованных (распределенных) систем питания, использующих ИПН с ШИМ.

Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частности, современного синтеза электрических цепей, теории нелинейных дискретных систем.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В работе получены новые результаты:

- в исследовании динамических и статических характеристик, устойчивости, максимальной величины стабилизации и коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций выходного напряжения за счет ООС в высокочастотных ИПН AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типов с однозвенными фильтрами с равноволновыми характеристиками Чебышева и максимально плоскими характеристиками Баттерворта, различными контурами обратной связи, различным ослаблением фильтров, с различными коэффициентами усиления УПТ в цепи ООС, на основании которых разработаны импульсные ИП мощностью 300 Вт и 500 Вт с напряжением питания 500 В, со стабилизацией выходного напряжения 60 дБ, перерегулированием по напряжению 2%, при запасе по фазе Дер = 70°;

- в разработке и исследовании однофазного инвертора промышленной частоты, в результате которого разработан отечественный инвертор промышленной частоты мощностью 300 Вт с напряжением питания 350 В с коэффициентом гармоник Кг < 2% без использования ООС при работе на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода с массогабаритными показателями на порядок лучшими по сравнению с отечественными аналогами;

- в исследовании принципов построения, структур, параметров и алгоритмов управления активными и пассивными ККМ, которые обеспечивают Км = 0,997 и спектральный состав входного тока, удовлетворяющих требованиям ГОСТ не только при работе на резистивную нагрузку, но и на ИПНсШИМ;

- в исследовании устойчивости распределенных систем питания, построенных на основе ИПН с ШИМ.

На основе проведенных исследований решена важная научно-техническая проблема — созданы импульсные преобразователи напряжения с ШИМ и децентрализованные системы питания на их основе с улучшенными динамическими и массогабаритными характеристиками, удовлетворяющие современным требованиям по коэффициенту мощности и спектральному составу входного тока в сети.

В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:

1. Полученные передаточные функции коэффициента усиления разомкнутой петли ООС ИПН понижающего и повышающего типов, представляющих собой нелинейное дискретное устройство с многоконтурными ООС, как суммы соответствующих передаточных функций со своими ОС при условии, что в ИПН используется один ШИМ-компаратор и через него замыкаются пути обхода всех контуров ОС. Полученные передаточные функции позволяют определить коэффициент стабилизации выходного напряжения, запас устойчивости по амплитуде и фазе, полосу частот АЧХ, обеспечивающую подавление низкочастотных пульсаций за счет ООС.

2. Доказанное положение, что для существенного увеличения коэффициента стабилизации и запаса устойчивости по фазе и амплитуде для

ИПН понижающего типа с однозвенным СФ следует использовать два контура ОС по выходному напряжению и току конденсатора. При этом обеспечивается существенное увеличение запаса устойчивости по фазе до Дф = 60° при Ru = Rhom и до Aq> s 30° при RH = RXx Для фильтра Баттерворта при стабилизации выходного напряжения 60 ч- 70 дБ и Дф = 70° при Ru = Яном и Дф = 47° при Ru = Rxx для фильтра Чебышева. При одноконтурной ОС по выходному напряжению запас устойчивости при номинальной нагрузке Ru = Яном не превышает 20°, а в режиме холостого хода i?H = Rxx Дф < 10°.

3. Доказанная идентичность частотных характеристик петлевого усиления цепи ООС двухтактных ИПН мостового и полумостового типов с разделительным конденсатором в первичной обмотке трансформатора и без конденсатора, которая позволяет при синтезе цепей ООС, выборе типа фильтра воспользоваться полученными в работе результатами для однотактного ИПН понижающего типа для синтеза цепей ООС и СФ также и для двухтактных ИПН с разделительным конденсатором в первичной обмотке трансформатора.

4. Проведенные исследования погрешности расчета частотных характеристик коэффициента петлевого усиления разомкнутого контура ООС ИПН с ШИМ с использованием метода усреднения и линеаризации, позволяющие определить реальные запасы устойчивости по амплитуде и фазе, коэффициент стабилизации, полосу частот АЧХ и повысить точность синтеза цепей ООС и выходного фильтра ИПН, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, при замене их эквивалентными линейными системами.

5. Найденная структура ОС, тип и параметры выходного СФ ИПН, при которых величина перерегулирования на всех элементах ИПН не превышает 2% при всех режимах работы при коэффициенте стабилизации 60 дБ и запасе устойчивости по фазе Дф = 70°.

6. Полученный результат, что при совокупности динамических и статических характеристик, устойчивости работы, массогабаритным показателям предпочтение следует отдать ИПН с однозвенным чебышевским фильтром и двухкоитурной ОС по выходному напряжению и току конденсатора фильтра.

7. Показанная возможность увеличения коэффициента стабилизации свыше 40 дБ при запасе устойчивости по фазе больше 60° для ИПН повышающего типа, передаточная функция петлевого усиления ООС которого содержит неминимально-фазовое звено, нуль которого лежит в правой полуплоскости комплексной переменной, при использовании инерционного звена коррекции в контуре ОС по выходному напряжению. Без найденных цепей коррекции коэффициент стабилизации не достигает и 25 дБ.

8. Проведенные исследования инвертора промышленной частоты и предложенная методика расчета выходного фильтра, которые позволили не только получить коэффициент гармоник выходного напряжения (Кг < 2%) в режиме холостого хода, удовлетворяющий требованиям ГОСТ, но и на порядок снизить индуктивность дросселя и емкость конденсатора выходного фильтра по сравнению с выходными фильтрами известных в литературе аналогов.

9. Проведенные исследования различных принципов построения и алгоритмов управления, а также различных структур активных и пассивных корректоров коэффициента мощности ККМ. Проведенные исследования коэффициента мощности Км, коэффициента гармоник Кг, coscp, которые позволили определить оптимальные значения постоянной времени Тн = С17?н и характеристическое сопротивление р активного ККМ, выполненного по схеме ИПН повышающего типа, при которых Км = 1, Кг — 2%. Доказанные положения, что для активного ККМ характер изменения и значения Км, Кг, coscp при работе на резистивную нагрузку и на ИСН практически одинаковы. Найденная структура пассивного ККМ, обеспечивающая Км, удовлетворяющий ГОСТ. Найденные условия возникновения нерабочих режимов в активных и пассивных ККМ и методы их устранения.

10. Проведенные исследования устойчивости децентрализованной (распределенной) системы питания на основе ИПН с ШИМ, использующие частотные характеристики комплексного выходного сопротивления «ведущего» ИПН (генератор) и комплексного входного сопротивления «ведомых» ИПН (потребители) и результаты этих исследований.

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования послужили основой для разработки ИПН с ШИМ типа AC/DC мощностью 300 Вт, напряжением питания 500 В, нестабильностью выходного напряжения 60 дБ и перерегулированием выходного напряжения при скачкообразном изменении сопротивления нагрузки в пределах ±30% не более 2%, а также инвертора промышленной частоты, позволившего не только обеспечить Кг < 2% при работе на комплексную линейную, нелинейную нагрузки и в режиме холостого хода, а также на порядок улучшены массогабаритные показатели выходного фильтра по сравнению с фильтрами отечественных аналогов.

Основные научные положения диссертации служат методической базой для создания специального курса по теории электрических цепей, а также для дипломного проектирования на кафедре ТЭЦ.

Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и практические результаты диссертации использовались в научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПбГУТ по гранту СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича «Разработка программно-аппаратного комплекса для автоматизированного измерителя частотных характеристик нелинейных импульсных преобразователей и систем электропитания, включающих цепи с распределенными параметрами для модернизации учебно-лабораторной базы кафедр ТЭЦ и «Линии связи» и хоздоговору с ФГУП «НТЦ «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».

Результаты исследований устойчивости работы ИПН и результаты исследований методов улучшения динамических характеристик внедрены в ИПН переменного напряжения в постоянное напряжение мощностью 300 Вт, с выпрямленным входным напряжением 500 В, выходным напряжением 350 В и в инверторе напряжения промышленной частоты мощностью 300 Вт.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры ТЭЦ СПбГУТ, научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, а также 4-й и 6-й всероссийских конференциях «Состояние и перспективы развития энергетики связи».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 8 статей и 3 научных доклада.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 99 наименований. Диссертация содержит 111 страниц текста, 120 рисунков и 29 таблиц.

Выводы

Экспериментальные исследования ИНП (AC/DC и DC/DC), работающего на инвертор промышленной частоты, подтвердили: справедливость полученных теоретических исследований устойчивости работы ИПН как нелинейного устройства с отрицательной обратной связью, стабильности выходных характеристик и результаты исследований динамических характеристик, т.е. перерегулирования по выходному напряжению и току через транзисторы и диоды при скачкообразном изменении сопротивлении нагрузки и входного напряжения.

Экспериментальные исследования инвертора промышленной частоты (DC/AC) подтвердили: справедливость теоретических расчетов коэффициента гармоник выходного напряжения при работе инвертора на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным фильтром) нагрузки и в режиме холостого хода и расчета сглаживающего LC-фильтра.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают правильность основных теоретических положений об устойчивости системы, включающей ведущий преобразователь (AC/DC и DC/DC) и ведомый ИПН (инвертор).

Полученные характеристики разработанных систем вторичного электропитания, в которых используются ИПН с ШИМ AC/DC, DC/DC и инвертор промышленной частоты, подтвердили перспективность таких систем электропитания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа направлена на решение проблемы улучшения динамических, статических, массогабаритных характеристик и качественных показателей импульсных источников вторичного электропитания с ШИМ, включающих: преобразователи переменного напряжения в постоянное (AC/DC); постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня (DC/DC); постоянного напряжения в переменное — инверторы (DC/AC); активные и пассивные корректоры коэффициента мощности, а также децентрализованные (распределенные) системы питания на их основе и обеспечение их электромагнитной совместимости с промышленной сетью в соответствии с новыми международными и Российскими стандартами путем комплексного подхода:

- к исследованию и определению ИПН с ШИМ AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типов с многоконтурными ООС, представляющих собой нелинейные дискретные устройства с улучшенными динамическими, статическими и массогабаритными характеристиками, максимальной величиной коэффициента стабилизации;

- к исследованию однофазного инвертора промышленной частоты, обеспечивающего требуемые ГОСТом качественные показатели выходного напряжения при работе инвертора на комплексную линейную, нелинейную (выпрямитель с емкостным или LC-фильтром) и в режиме холостого хода при минимальных массе и габаритах СФ;

- к исследованию принципов построения, алгоритмов управления, определению структур и оптимальных режимов работы активных и пассивных корректоров коэффициентов мощности, обеспечивающих требуемые ГОСТом коэффициент мощности, спектральный состав входного тока ККМ при их работе на импульсные стабилизированные преобразователи напряжения с ШИМ и регуляторы напряжения;

- к разработке методики исследования децентрализованных (распределенных) систем питания, использующих ИПН с ШИМ.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Получены новые результаты в исследовании динамических, статических характеристик, максимального коэффициента стабилизации выходного напряжения, коэффициента ослабления низкочастотных пульсаций за счет ООС в ВПН AC/DC и DC/DC понижающего и повышающего типов с одно-звенными фильтрами с равноволновыми характеристиками Чебышева и максимально плоскими характеристиками Баттерворта, различными ослаблением фильтров, различными коэффициентами усиления УПТ в цепи ООС и различными контурами ОС и корректирующими звеньями. На основании проведенных исследований разработаны импульсные ИП понижающего типа со стабилизацией выходного напряжения 60 дБ, перерегулированием выходного напряжения 2% при запасе по фазе Дф = 70° при скачкообразном изменении нагрузки в пределах ±50% и входного напряжения ±25%.

2. Доказано, что для существенного увеличения коэффициента стабилизации и запаса устойчивости по фазе и амплитуде для ИПН DC/DC понижающего типа с однозвенным СФ следует использовать два контура ОС по выходному напряжению и току конденсатора СФ. При этом обеспечивается увеличение запаса устойчивости по фазе до Аф = 60° при номинальном сопротивлении нагрузки Rn = Яном и до Аф = 30° при холостом ходе Ru = RXx Для фильтра Баттерворта при стабилизации выходного напряжения 60 ч- 70 дБ и Аф = 70° при Ru = Яном, Аф = 47° при RH = Rxx при КСт = 60 -5- 70 дБ для фильтра Чебышева. При одноконтурной ОС по выходному напряжению запас устойчивости при номинальной нагрузке не превышает Аф = 20°, а в режиме холостого хода-Аф < 10°.

3. Доказана идентичность частотных характеристик коэффициента передачи петлевого усиления разомкнутой цепи ООС двухтактных ИПН мостового и полумостового типов с разделительным конденсатором в первичной обмотке трансформатора и без конденсатора. Это позволяет воспользоваться полученными в работе результатами для однотактного ИПН понижающего типа для синтеза цепей ОС и выходных фильтров также и для двухтактных ИПН с разделительным конденсатором в первичной обмотке трансформатора.

4. Проведены исследования погрешности расчета частотных характеристик коэффициента петлевого усиления разомкнутого контура ООС ИПН с ШИМ, являющегося дискретно-нелинейным устройством, с использованием метода усреднения и линеаризации. Проведенные исследования погрешности позволили определить реальные запасы устойчивости по амплитуде и фазе, реальные коэффициент стабилизации и полосу частот АЧХ, повысить точность синтеза цепей ООС и выходных фильтров при замене ИПН с ШИМ эквивалентными линейными системами.

5. Показано, что по массогабаритным показателям, статическим и динамическим характеристикам предпочтение следует отдать ИПН с однозвен-ным чебышевским фильтром и двухконтурной ООС по выходному напряжению и току конденсатора фильтра.

6. Выбран тип инвертора промышленной частоты (ИПН DC/AC) и предложена методика расчета выходного фильтра, которые позволили не только получить коэффициент гармоник (Кг < 2%) выходного напряжения при работе инвертора как на комплексную линейную и нелинейную нагрузки, но и в режиме холостого хода и при этом на порядок снизить индуктивность дросселя и емкость конденсатора выходного фильтра по сравнению с выходными фильтрами известных аналогов.

7. Проведено исследование различных принципов построения, алгоритмов управления и структур активных и пассивных корректоров коэффициента мощности ККМ. Проведенные исследования коэффициента мощности Км позволили определить оптимальные значения постоянной времени т = СЯН и характеристического сопротивления р активного ККМ, при которых Км = 1, Кг 2%. Показано, что для активного ККМ характер изменения и значения Км при работе на резистивную нагрузку и на ИСН практически одинаковы. Определена единственная структура пассивного ККМ, которая обеспечивает Км, удовлетворяющий ГОСТ, при работе на ИПН с ШИМ. Найдены условия возникновения нерабочих режимов в активных и пассивных ККМ и методы их устранения.

8. Проведены исследования устойчивости децентрализованной (распределенной) системы питания, построенной на основе ИПН с ШИМ. Показано, что устойчивость всей системы питания зависит от входных и выходных комплексных сопротивлений отдельных подсистем: выходного сопротивления «ведущего» ИПН - генератора и входного сопротивления «ведомых» ИПН -потребителей. Предложены методики измерения этих сопротивлений в рабочем режиме ИПН, когда учитываются все «паразитные» параметры и «паразитные» связи в ИПН.

9. Экспериментальное исследования ИПН с ШИМ в составе: преобразователя напряжения одного уровня 500 В (трехфазная сеть) в другой уровень 350 В (преобразователь AC/DC); преобразователя напряжения питания 320 — 175 В (аккумуляторная батарея) в напряжение 350 В (преобразователь DC/DC); инвертора промышленной частоты с частотой 50 Гц, 220 В (преобразователь DC/AC) с напряжением питания 350 В, работающих в распределенной системе преобразователь AC/DC понижающего типа — инвертор и преобразователь DC/DC понижающего типа - инвертор, используемый в аппаратуре, созданной ФГУП «НТЦ «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» совместно с СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича подтвердили справедливость:

- полученных результатов исследования устойчивости работы ИПН с ТТТИМ AC/DC и DC/DC понижающего типа, их динамических и статических характеристик;

- проведенных исследований однофазного инвертора промышленной частоты;

- результатов исследований децентрализованных систем питания.

10. Создание источников питания и децентрализованной системы питания, в которых используются исследованные ИПН с ШИМ AC/DC, DC/DC и инвертор промышленной частоты с найденными структурой и параметрами контуров ОС, выходными фильтрами и их сравнение с отечественными разработками подтвердили перспективность таких ИНП.

1. Широков В.Л. Электромагнитная совместимость ключевых вторичных источников электропитания с радиоэлектронной аппаратурой // Техн. электродинамика. 1982. №2. С. 27 34.

2. Мотовилов Н. И. Бестрансформаторные источники питания // Зарубеж. радиотехника. 1983. №1. С. 61 79.

3. Бассет Д. Импульсные источники питания: Тенденция развития // Электроника. 1988. №1. С. 72 77.

4. Векслер Г.С., Недочетов B.C., Пилинский В.В., Родионова М.В., Темников В.А. Подавление электромагнитных помех в цепях электропитания. Под редакцией к.т.н. Г.С. Векслера. / Киев: Техника, 1990. 168 с.

5. Гудинав Ф. Интегральные схемы управления импульсными источниками питания // Электроника. 1989. № 23. С. 62 74.

6. Гудинав Ф. Уменьшение потерь в мощных импульсных источниках питания с помощью фазовой модуляции // Электроника. 1991. № 8. С. 17-21.

7. Лукин А.В., Макаров В.В., Герасимов А.А. Основы проектирования высокочастотных резонансных преобразователей // Отраслевой семинар «Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития»: Тез. докл. М.: ЦОНТИ «Экое», 1989. С. 1-25.

8. Лукин А.В., Макаров В.В., Ненахов С.М. Резонансные преобразователи напряжения // Подсекция «Научные проблемы источников вторичного электропитания» Научного Совета АН СССР: Тез. докл. М., 1986.

9. Мелешин В.И., Новинский В.Н. Транзисторные преобразователи напряжения с последовательным резонансным контуром // Электротехника. 1990. №8. С. 47-53.

10. Venkataramanan G., Divan D. Pulse Width Modulation with Resonant DC Link Converters I I Conf. Rec. IEEE IAS. 1990. P. 984 990.

11. Jonson S.D., Erikson R. W. Steady-State Analysis and Design of the Parallel Resonant Converter // IEEE Transactions on Power Electronics. January 1988. Vol. 3,№ l.p. 93-104.

12. Steigerwald R.L. High-Frequency Resonant Transistor DC-DC Converters // IEEE Transactions on Industrial Electronics. May 1984. Vol. IE-31, № 2. P. 181 -191.

13. Лукин A.B., Кастров М.Ю., Малышков Г.М., Герасимов А.А., Макаров

14. B.В., Парфенов А.Н. Преобразователи напряжения силовой электроники / М.: Радио и связь, 2004. 416 с.

15. Макаров В.В. Преобразователь напряжения с последовательным резонансным контуром // Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты. 1988. Вып. 3. С. 39-41.

16. Ли Ф.К. Высокочастотные квазирезонансные преобразователи // Труды института инженеров по электронике и радиотехнике / Пер. с англ. М.: Мир, 1988. Т. 76. №4. С. 83-97.

17. Pat. 4,415,959 (USA), Forward Converter Switching at Zero Current / P. Vin-ciarelly, N.J. Skillman, 1983.

18. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. — М.: Радио и связь, 1989. 160 с.

19. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи постоянного напряжения / Под ред. Ю.И. Конева. М.: Радио и связь, 1984. Вып. 15.1. C. 29-35.

20. Korotkov S., Meleshin V., Miftakhutdinov R., Fraidlin S. Soft-Switched Asymmetrical Half-Bridge DC-DC Converter: Steady-State Analysis. An Analysis of switching Processes // IEEE TELESCON'97 Proc. 1997. P. 177 184.

21. Vinciarelli P. Optimal Resetting of the Transformer's Core in Single Ended Forward Converters. U.S. Patent № 4441146, April 3, 1984.

22. Jitaru I. Constant Frequency, Forward Converter with Resonant Transition // HFPC, 1991. P. 282-292.

23. Jitaru I. Fixed Frequency converter Switching at Zero Voltage /U.S. Patent US 5434768, July 18, 1995.

24. Коржавин О.А. Динамические характеристики импульсных полупроводниковых преобразователей и стабилизаторов постоянного напряжения. / М.: Радио и Связь, 1997. 300 с.

25. Дмитриков В.Ф., Беловицкий О.И., Калмыков С.В., Сергеев В.В. Исследование устойчивости импульсных преобразователей с ШИМ // Межвузовский сборник научных трудов / СПбГТУРП. СПб, 2002. С. 237 249.

26. Дмитриков В. Ф., Беловицкий О.И., Калмыков С.В., Самылин Н.Н. Исследование импульсного преобразователя напряжения повышающего типа с П-образным CLC-фильтром. // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 14.

27. Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н., Калмыков С.В., Шушпанов Д.В. Исследование устойчивости и коэффициента стабилизации импульсных преобразователей напряжения повышающего типа // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2004. №1. С. 47 57.

28. Шевцов Д. А., Машу ков Е.В., Ульященко Г.М. Однофазный транзисторный инвертор для питания электронных и электромеханических устройств // Практическая силовая электроника. 2001. Вып. 2. С. 33 34.

29. Крючков В.В., Соловьев И.Н., Даиф Ахмад. Транзисторные инверторы в режиме синусоидальной ШИМ // Практическая силовая электроника. 2002. Вып. 6. С. 16- 18.

30. Жданкин В.К'. Коррекция гармоник входного тока в маломощных сетевых источниках питания // Современные технологии автоматизации. 1998. № 1. С. 110-112.

31. Конев Ю.И. Компенсаторы мощности искажений // В кн.: Электропитания / Под ред. Ю.И. Конева. М.: Ассоциация «Электропитание», 1993. № 1. С. 60 - 70.

32. Крючков В.В. Источники питания с коррекцией коэффициента мощности // Электропитание / Под ред. Ю.И. Конева. М.: Ассоциация «Электропитание», 1993. № 1. С. 71 - 75.

33. Головацкий В.А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения. / М.: Сов. Радио, 1974. 160 с.

34. Болдырев В.Г. Синтез многозвенных пассивных фильтров и оптимизация их массогабаритных характеристик. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. / М.: МЭИ, 1983. 16 с.

35. Матханов П.Н., Федоров К.А. Сравнительный анализ простых схем сглаживающих фильтров по массогабаритным показателям. / Энергетика. 1983. №9. С. 42 45.

36. Гольдштейн Е.И., Майер А.К. Индуктивно-емкостные сглаживающие фильтры. / Томск. Из-во Томск, ун-та, 1982. 221 с.

37. Малышков Г.М. Синтез и анализ выходных фильтров импульсных источников постоянного напряжения. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1980. №13. С. 112 126.

38. Малышков Г.М. Многоэлементные фильтры инверторов. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1982. №13. С. 162-167.

39. Малышков Г.М. и др. Выбор параметров фильтров инверторов. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1986. №17. С. 148- 168.

40. Дмитрикое В.Ф., Сергеев В.В., СиницаА.П. Классические частотные LC-фильтры в качестве фильтрующих цепей источников электропитания. // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2000. №166. С. 118 123.

41. Дмитрикое В.Ф., Сергеев В.В. Энергетические и массогабаритные характеристики LC-фильтров. // Электросвязь. 1996. №12. С. 27 29.

42. Дмитрикое В. Ф., Сергеев В.В., Самылин И.Н. Исследование переходных процессов в импульсных регуляторах напряжения с различными фильтрующими цепями. // Труды учебных заведений связи. / СПбГУТ. СПб, 2002. №167. С. 72-78.

43. Ridly R.B., Cho В.Н., Lee F.C. Analysis and interpretation of loop gains of multiloop controlled switching regulators. // IEEE Trans. Power Electron. Vol. 3. № 4, October. 1998. P. 271 - 280.

44. Cho B.H., Lee F.C. Measurement of loop gain with the digital modulator. // IEEE Trans. Power Electron. Vol. PE1. №1, January. 1986. P. 55 62.

45. Источники вторичного электропитания. Справочное пособие // Под ред. Конева Ю.И. / М.: Радио и связь, 1983.

46. Мелешин В.И. Динамические свойства преобразователей с ШИМ-2 в режимах прерывистого и непрерывного токов. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1986. №17.

47. ЧуаЛ.О., Пен-Мин-Лин. Машинный анализ электронных схем. / М.: Энергия, 1980.

48. Цыпкин Я.З. Теория линейных импульсных систем. / М.: Физматгиз, 1963.

49. Цыпкин Я.З. Релейные системы автоматического регулирования. / М.: Наука, 1974.

50. Бессекерский В.А. Цифровые автоматические системы. / М.: Наука, 1976.

51. Белое Г.А., Кузьмин С.А. Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению. 11 Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1984. №15. С. 48-58.

52. Мелешин В.И., Мосин В.В., ОпадчийЮ.Ф. Формирование динамических свойств устройств вторичного электропитания с ТТТИМ—2. // Электронная техника в автоматике. Под ред. Конева Ю.И. / М.: Сов. Радио, 1986. №16. С. 5 -44.

53. Чети П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 236 с.

54. Chetty P.R.K. Closed Loops On Track for Testing Switchers. // Electronic Design. July 7. 1983. P. 135 - 140.

55. Specify Gain And Phase Margins On All Your Loops. Venable Technical paper #2. 2001.

56. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. -М.: Иностранная литература, 1948. 642 с.

57. ГоровицА.М. Синтез систем с обратной связью. Пер. с англ. А.Н. Гай-синского. / Под общ. ред. М.В. Меерова. -М.: Советское радио, 1970. 599 с.

58. Остапенко Г.С. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. М. Радио и связь, 1989.

59. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1969. 424 с.

60. Малышков Г.М. Условно-оптимальный синтез ступенчатого напряжения. // Электронная техн. и автоматика. / Под ред. Ю. И. Конева. Вып. 14. С. 151-162.

61. Дмитриков В. Ф. Исследование переходных процессов в ключевых генераторах со ступенчатой формой выходного напряжения // Техн. Электродинамика / АН УССР. 1980 №2. 32 с.

62. Дмитриков В.Ф. Влияние падения напряжения на транзисторах и диодах на спектральный состав ключевых генераторов с улучшенной формой выходного напряжения. //Техническая электродинамика. 1981 №3.

63. Дмитриков В.Ф., Юрченко Н.Н. Динамические режимы в ключевых транзисторных генераторах с улучшенной формой выходного напряжения. — Препринт. Киев: (АН УССР, №387.)1984.- 59 с.

64. Дмитриков В.Ф., Тонкаль В.Е., Гречко Э.Н., Островский М.Я. Теория и методы анализа преобразователей частоты и ключевых генераторов. Киев: Наукова думка, 1988. 312 с.

65. Дмитриков В.Ф., ПетяшинН.Б., Сивере М.А. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. М.: Радио и связь, 1988. 193с.

66. Martin I.D. Theoretical efficiencies of class D power amplifiers. // Proc. Inst. Elec. Eng. 1970. Vol.117. N6. P. 1089 1090.

67. Алексанян A.A., Плюснин B.H., Сивере М.А. О выборе фильтра нижних частот в усилителях класса D. // Вопросы радиоэлектроники, сер. РТС. 1975. №2. С. 40-43.

68. Артым А.Д. Усилители классов D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. /М.: Связь, 1980. 209 с.

69. Филин В.А., Асиновский А.Л. Анализ нелинейных искажений в усилителе класса D с обратной связью. / В кн.: Нелинейные искажения в приемо-усилительных устройствах: Материалы второго Всесоюзного симпозиума, Минск, 1980. С. 240-243.

70. Асиновский А.Л. Оценка энергетической эффективности двухтактного усилителя класса D. // Радиотехника. 1980. т.35. №2. С. 41 43

71. Дмитриков В. Ф., Ларионов О.М., Сергеев В.В. Расчет LC фильтров с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 1999. №165. С. 163 167.

72. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Сергеев В.В. Новый метод синтеза реактивных фильтров // Электросвязь. 2001. №1. С. 33 36.

73. БакаловВ.П., Дмитриков В.Ф., КрукБ.И. Основы теории цепей. М.: Радио и связь, 2003. 589 с.

74. КаюковД.С., НедолужкоИ.Г. Анализ и проектирование корректора коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2002. Вып. 11. С. 20-25.

75. Чаплыгин Е.Е. Спектральные модели корректоров коэффициента мощности с ШИМ // Практическая силовая электроника. 2002. Вып. 11. С. 26 31.

76. Tend P. and Spiazzi G. Harmonic Limiting Standards and Power Factor Correction Techniques // 6th European Conference on Power Electronics and Applications. 1995. P. 1-144.

77. LaiZheren, Smedley Keyue Ma. A Family of Continuous-Conduction-Mode Power-Factor-Correction Controllers Based on the General Pulse-Width Modulator. // IEEE Transactions on Power Electronics. Vol. 13. No.3, May. 1998. P. 501 510.

78. Sharifipour В., Huang J.S., Liao P., Huber L., and Jovanovic M.M. Manufacturing and cost analysis of power-factor-correction circuits. // Proc. IEEE-APEC'98, Annu. Meeting. Vol. 1. 1998. P. 490 494.

79. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю. Классификация однофазных корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2003. Вып. 9. С. 23 26.

80. Овчинников Д.А., Кастров М.Ю. Пассивные корректоры коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2003. Вып. 9. С. 12-15.

81. Дмитриков В.Ф., Самылин И.Н., Шушпанов Д.В. Исследование динамических и качественных характеристик корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 14. С. 18-25.

82. Дмитриков В.Ф., Малков В.А., Самылин И.Н., Шушпанов Д.В. Исследование пассивных корректоров коэффициента мощности // Практическая силовая электроника. 2004. Вып. 16. С. 2 15.

83. Middlebrook R.D. Input filter considerations in design and application of switching regulators. // IEEE Industry Applicat. Soc. Annu. Meeting. 1976 Record.

84. Cho B.H. and Choi B. Analysis and design of multi-stage distributed power systems. //INTELEC Conf. Proc. Nov. 1991.

85. Wildrick C.M. Stability of distributed power supply systems. / Master's thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA. Jan. 1993.

86. Schulz S.E. System interactions and design considerations for distributed power systems. / Masters thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA. Jan. 1991.

87. Филин В.А., Самылин И.Н., Смирнов B.C., Шушпанов Д.В. Оценка влияния внутреннего сопротивления возмущающего генератора на входное и выходное сопротивления ШИМ-преобразователя // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2003. №169. С. 243 250.

88. Смирнов B.C. Задачи анализа устойчивости импульсных распределенных систем электропитания. // Труды учебных заведений связи. / СПбГУТ. СПб, 2004. №170.

89. Артым А.Д., Филин В.А., Есполов К.Ж. Новый метод расчета процессов в электрических цепях / СПб: ЭЛМОР, 2001. 188 с.