Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день во всем мире все больше іребуется специализированных источников питания большой мощности (более 1кВт) с выходом на постоянном токе для различных видов электротехнологий (электрохимия, сварка и т. д.), а также вторичных источников питания для радиоэлектронной аппаратуры. Как правило, источник питания должен обеспечивать глубокое регулирование выходной мощности, либо стабилизацию выходного параметра при существенном изменении нагрузки. Помимо этого, основные требования, которые предъявляются к таким источникам питания - это высокий КПД во всем диапазоне регулирования, малое влияние на промышленную сеть, а также в ряде случаев особые требования к массо - объемным показателям (вторичные источники питания для радиоэлектронной аппаратуры и мобильные источники питания для электротехнологий).
В настоящее время, наиболее перспективным и в полной мере способным удовлетворить эти требования является транзисторный источник питания с промежуточным высокочастотным преобразователем. В качестве звена высокой частоты в мощных источниках питания применяют инвертор напряжения на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) Или полевых транзисторах (MOSFET).
"Изменение выходной мощности источника питания осуществляется за счет регулирования высокочастотного инвертора частотным или широтно -импульсным способами. Регулирование посредством высокочастотного звена повышает динамические свойства системы регулирования источника питания, а также снижает его влияние на сеть. ,
Одним из основных факторов, который влияет на КПД инвертора, является мощность потерь в силовых транзисторах инвертора, которая складывается из двух составляющих - коммутационных потерь и потерь от прямой проводимости транзистора. Потери от прямой проводимости можно уменьшить, используя IGBT с низким падением напряжения (у MOSFET -прибора падение напряжения, как правило, значительно выше). Коммутационные потери можно значительно уменьшить за счет обеспечения "мягкой" коммутации силовых транзисторов, то есть коммутации силовых транзисторов либо при нулевом токе, либо при пулевом напряжении.
В резонансном инверторе напряжения "мягкая" коммутация силовых транзисторов обеспечивается при индуктивной расстройке резонансного контура в достаточно широком диапазоне частотного или широтно -импульсного регулирования выходной мощности. В то же время наличие в цепи силового тока элементов резонансного контура, на котором происходит раскачка реактивной мощности (напряжения), повышает установленную
мощность и ухудшает массо - габаритные показатели источника питания в целом.
В нерезонансном инверторе напряжения "мягкая" коммутация силовых транзисторов происходит только в очень узком диапазоне регулирования выходной мощности, что не позволяет достичь высокого КПД таких преобразователей, работающих на реальную нагрузку, без специальных мер. Эффективным способом, позволяющим обеспечить "мягкую" коммутацию силовых транзисторов при глубоком широтно - импульсном регулировании выходной мощности, является использование вспомогательных маломощных демпфирующих цепей. Однако известные вспомогательные цепи, в том числе активные демпфирующие цепи (АДЦ), либо не позволяют в полной мере обеспечить мягкую коммутацию силовых транзисторов, либо сами имеют значительные потери мощности.
Поэтому актуальной проблемой является разработка вспомогательных цепей для нерезонансных инверторов напряжения с широтно - импульсным регулировашем, которые обеспечивали бы "мягкую" коммутацию силовых транзисторов инвертора в широком диапазоне регулирования выходной мощности при незначительных потерях во вспомогательных цепях.
Цель настоящей работы состояла в разработке схемных решений и
алгоритмов управления, обеспечивающих улучшение энергетических и массо
габаритных показателей транзисторных источников питания с
промежуточным звеном высокой частоты за счет оптимизации
коммутационных процессов силовых транзисторов.
В работе решались следующие задачи:
-
Разработка АДЦ для силового транзисторного ключа, обеспечивающей мягкую коммутацию силового транзистора, то есть включение и выключение при нулевом напряжении.
-
Моделирование и оптимизация параметров АДЦ, работающей совместно с силовым транзистором, а также оптимизация алгоритма совместного управления силовым транзистором и вспомогательным транзистором АДЦ.
-
Разработка, изготовление и экспериментальное исследование макета силового транзисторного ключа с АДЦ для проверки результатов моделирования.
-
Моделирование, исследование и оптимизация коммутационных процессов силовых и вспомогательных транзисторов в источнике питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром для электрохимии.
-
Разработка, изготовление и экспериментальное исследование транзисторного источника питания для электрохимии, а также испытания его в технологическом процессе.
Методы исследования. Исследование и оптимизация различных схем транзисторного ключа с АДЦ, а также разлігчньїх схем инверторов напряжения было проведено с помощью численного моделирования. Результаты моделирования подтверждены экспериментально на макете силового транзисторного ключа с АДЦ и на транзисторном источнике питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ для электрохимии.
Научная новизна.
1.Разработана новая схема АДЦ, обеспечивающая "мягкую" коммутацию силовых транзисторов в нерезонансном инверторе напряжения с широтно - импульсным регулированием в широком диапазоне регулирования. Основным отличием предложенной АДЦ от существующих является обеспечение "мягкой" коммутации вспомогательного транзистора АДЦ.
2.Создана модель источника питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим выходным трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром.
3.Предложена методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения, а также алгоритм совместного управления силовыми трагоігсторамл инвертора и вспомогательными транзисторами АДЦ.
4.Получены расчетные регулировочные характеристики источника питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, согласующим выходным трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром, подтверждающие эффективность использования АДЦ.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Способ обеспечения "мягкой" коммутации силовых транзисторов в
нерезонансном полумостовом инверторе напряжения с широтно-
импульсным регулированием выходной мощности за счет применения АДЦ,
- работающих совместно с силовыми транзисторами инвертора.
-
Модели силового транзисторного ключа с АДЦ и нерезонансного полумостового инвертора напряжения с АДЦ.
-
Методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения, разработанная на основе исследований и оптимизации на моделях.
-
Оптимальный алгоритм совместного управления силовыми транзисторами инвертора и вспомогательными транзисторами АДЦ.
-
Регулировочные характеристики нерезонансного полумостового инвертора напряжения с АДЦ, согласующим трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром.
-
Экспериментальные характеристики нерезонансного полумостоаого инвертора напряжения с АДЦ.
Практическая пенность.
1.Предложена новая схема АДЦ, которая обеспечивает "мягкую" коммутацию силовых транзисторов в нерезонансном инверторе напряжения, что позволяет увеличить их нагрузочную способность, а также значительно расширить частотный диапазон применения IGBT в качестве силовых ключей.
2.Предложена методика расчета параметров АДЦ для нерезонансного инвертора напряжения. При данных параметрах обеспечивается "мягкая" коммутация силовых транзисторов инвертора, а также вспомогательных транзисторов АДЦ.
3 Разработана модель источника питания с нерезонансным полумостовым инвертором напряжения с АДЦ, выходным согласующим трансформатором, выпрямителем и индуктивным фильтром, позволяющая уточнить параметры элементов при проектировании.
4.Разработан и испытан источник питания для электрохимии, в качестве звена высокой частоты которого использован нерезонансный полумостовой инвертор напряжения с АДЦ.
Внедрение результатов. Разработанный источник питания для электрохимии использован при проведении лабораторных работ по теме "Высокочастотные транзисторные генераторы" в рамках интенсивного курса подготовки преподавателей Российских университетов, проводимого в СПбГЭТУ в рамках Европейского Проекта ТЕМРШЯАСІБ TJEJP - 10021 -95.
Источник питания успешно прошел испытания на технологическую
нагрузку. t
Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертащюнной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах и научно-технических конференциях профессорско преподавательского состава кафедры ЭТОТ СПбГЭТУ (1995+1997).
Публикации по теме диссертации. По теме работы опубликовано 3 печатные работы, в том числе 1 свидетельство на полезную модель и 2 статьи в сборниках СПбГЭТУ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глад, заключения, списка литературы, включающего 76 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 131 страницах машинописного текста. Работа содержит 73 рисунка.
Похожие диссертации на Исследование и оптимизация коммутационных процессов в транзисторных источниках питания с промежуточным звеном высокой частоты для электротехнологических установок
