Введение к работе
Актуальность темы.
В современной силовой электронике широко применяются мощные МДП-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), которые по принципу управления удобно рассматривать как один класс мощных транзисторов с изолированным затвором (ТИЗ). В связи с совершенствованием мощных ТИЗ к настоящему времени значительно упростился процесс проектирования и производства таких основных устройств силовой импульсной электроники, как импульсные источники питания, устройства управления электродвигателями, электронные балласты.
Расширение сферы применения силовых импульсных устройств повысило актуальность проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), связанной с генерируемыми ими помехами. Кроме того, постоянная потребность в снижении массогабаритных показателей радиоэлектронной аппаратуры приводит к необходимости повышения частоты преобразования, что влечет за собой рост коммутационных потерь. Снизить коммутационные потери можно путем увеличения скорости переходных процессов (ПП) в силовых ключах. В то же время, от длительностей и характера ПП в значительной степени зависит спектр помех, генерируемых указанными устройствами. Таким образом, оптимизация скоростей ПП в мощных ТИЗ по критерию минимизации коммутационных потерь при выполнении требований
'ЧМС апттартг-я прсчмя а""Г^алт.нпй пппбї гтрмой Огпбый интрпрг ппеттгтявпяет
проблема ЭМС в отношении кондуктивных индустриальных радиопомех (КИРП), т.е. помех, распространяющихся по проводам и проводящим конструкциям, рассмотрению которых в настоящее время уделено недостаточно внимания. В рамках данной работы под характеристикой ЭМС силового импульсного устройства подразумевается его совместимость с каким-либо действующим стандартом на уровень КИРП.
Решению задач повышения эффективности работы устройств силовой электроники и улучшения их характеристик ЭМС на сегодняшний день посвящено достаточно большое количество публикаций. Однако, влияние
характеристик ПП в существующих м$тр.№№Ьщ{ШШашшш ЭМС-
БИЬЙИОТЕКЛ і
СПетерЛгрг л*
ОЭ ropwffiTj
характеристик, как правило, не учитывается. Одной из основных причин сложившейся ситуации является следующее: проблема помех, проникающих в сеть, наиболее очевидна на низких частотах, где уровень помех максимален. Поэтому расчет частоты среза входных фильтров базируется, как правило, на первой гармонике частоты переключения. При этом на более высоких частотах рассчитанный фильтр должен обеспечивать ослабление заведомо более требуемого. В реальности, на высоких частотах становятся существенными паразитные индуктивности соединительных проводников, что может приводить к ухудшению заявленного ослабления на величину до 10-15 дБ на частотах, начиная с единиц мегагерц. Это обстоятельство в совокупности с постоянно ужесточающимися требованиями ЭМС-стандартов заставляет уделять большее внимание влиянию характера и длительностей ПП на ЭМС-характеристики конечного устройства.
Целью работы является
анализ влияния режима управления ПП жесткого переключения в мощных ТИЗ на коммутационные потери и спектр генерируемой КИРП.
оптимизация ПП в мощных ТИЗ с целью снижения коммутационных потерь при выполнении требований ЭМС.
Для достижения указанных целей в работе решаются следующие основные задачи:
Анализ методов снижения коммутационных потерь в импульсных преобразователях на мощных ТИЗ.
Разработка математической модели переключения тока мощным ТИЗ, работающим в режиме жесткого переключения при наличии схемы управления с расширенными возможностями регулирования скорости ПП.
Исследование влияния характеристик ПП в мощных ТИЗ на характер поведения спектра КИРП, генерируемых импульсными преобразователями на мощных ТИЗ.
Разработка методики оптимизации режима управления ПП жесткого переключения в ТИЗ с целью снижения коммутационных потерь и достижения соответствия требованиям ЭМС.
11-и.::
%* <Г Vv*o. «. - ^.. .. ,
5. Расчет оптимального режима управления ПП в мощных МДП-транзисторах и БТИЗ в схемах жесткого переключения. Разработка рекомендаций по снижению коммутационных потерь при выполнении требований ЭМС, а также рекомендации по улучшению ЭМС-характеристик при минимуме коммутационных потерь.
Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоящей работе:
Математическая модель жесткого переключения тока мощным МДП-транзистором, управляемым генератором с расширенными возможностями регулирования скорости ПП;
Закономерности поведения спектра КИРП, генерируемых импульсными преобразователями на основе мощных ТИЗ, с учетом зависимости от характеристик ПП. Аналитические выражения, описывающие изменение огибающей спектра суммарной КИРП при изменении характеристик ПП;
Высокоэффективная методика автоматизированной оптимизации ПП в схемах жесткого переключения с использованием SPICE-совместимых программ, позволяющая выбрать наилучший режим управления ПП;
Результаты оптимизации ПП в повышающем преобразователе напряжения на основе мощных ТИЗ по критерию минимизации коммутационных потерь при выполнении требований ЭМС;
Рекомендации по снижению коммутационных потерь при выполнении требований ЭМС, а также рекомендации по улучшению ЭМС-характеристик при минимуме коммутационных потерь для различных режимов работы ТИЗ.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
На основе полученных в работе закономерностей поведения спектра КИРП, генерируемых импульсными преобразователями на основе мощных ТИЗ, работающих в режиме жесткого переключения, а также зависимостей коммутационных потерь от режима управления ПП, можно синтезировать схемы управления, обеспечивающие улучшенные энергетические и ЭМС-характеристики указанных устройств.
Разработанная в диссертации методика оптимизации режима управления ПП позволяет сочетать гибкость существующих SPICE-совместимых программ и высокую скорость вычислений, обеспечиваемую за счет использования аналитических выражений для расчета огибающей спектра генерируемой КИРП. Кроме того, предложенная методика позволяет выработать алгоритм адаптивного управления ПП в мощных ТИЗ, коммутирующих ток в схемах с нагрузкой, меняющейся в широких пределах. Это дает возможность существенно улучшить их характеристики ЭМС при минимальном росте 1 мощности, рассеиваемой мощным ТИЗ.
Результаты работы могут найти практическое применение при проектировании импульсных устройств силовой электроники различного назначения с улучшенными характеристиками ЭМС: импульсных источников питания, систем управления электроприводом, электронных балластов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы Москалева А.В. докладывались и обсуждались на
VI, VII, VIII международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация связь", Воронеж, в 2000 г., в 2001 г. и в 2002 г., соответственно.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из
введения, грех разделов и заключения. Работа содержит 133 страницы
машинописного текста, 68 иллюстраций на 58 листах и библиографический
список из 120 наименований. V
