Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Объединение функций нескольких электромагнитных
компонентов в интегрированном электромагнитном компоненте 12
-
Однотактные преобразователя напряжения 12
-
Двухтактные преобразователя напряжения 21 Выводы по главе 1 25
Глава 2. Полумостовой преобразователь напряжения с асимметричной
коммутацией силовых ключей 26
2.Ї. Установившийся режим работы 27
-
Анализ процессов при коммутации силовых ключей 46
-
Малосигнальная модель 56 Выводы по главе 2 69
Глава 3. Методика расчета электромагнитного компонента
с разделенными магнитными потоками 71
-
Модель электромагнитного компонента 71
-
Эквивалентная электрическая схема электромагнитного компонента 75
-
Эквивалентная электрическая схема трехобмоточного электромагнитного компонента с разделенными магнитными потоками 78
-
Методика расчета потерь в сердечнике электромагнитного компонента 82
-
Методика расчета потерь в обмотках электромагнитного компонента 87 Выводы по главе 3 93
Глава 4. Разработка и исследование преобразователя напряжения
на основе безнамоточного трансдросселя 94
Выводы по главе 4 115
Заключение 116
Литература 118
Введение к работе
Современный научно-технический прогресс ведет к значительному расширению области применения электроники. В настоящее время не только космические аппараты, но и самая простая бытовая техника содержит сложные электронные устройства. С каждым годом техника совершенствуется, ее электронная начинка становится все более и более многофункциональной, повышается степень её интеграции, уменьшаются масса и габариты. В свою очередь, блоки питания такой аппаратуры должны соответствовать ей как по массо-габаритным характеристикам, так и по качеству выходного напряжения, эффективности, надежности,
С другой стороны, в условиях жесткой рыночной конкуренции, при массовом производстве на первое место выходит себестоимость продукции, снижение которой довольно часто происходит за счет снижения качества выходного напряжения, а у некоторых образцов "китайской" продукции - и за счет снижения надежности. Снижение себестоимости без ухудшения качества источников питания заставляет искать новые технические решения - новые топологии преобразователей напряжения, новые технологии изготовления входящих в их состав электронных и электромагнитных компонентов, среди которых заметный вклад в стоимость изделия вносят электромагнитные компоненты (ЭМК), процесс изготовления которых содержит большую долю ручного труда. Уменьшить стоимость электромагнитных компонентов можно за счет внедрения новых безнамоточных технологий производства — изготовление печатных обмоток или изготовление ЭМК с обмотками в виде скоб. Уменьшение себестоимости источников питания возможно также за счет объединения функций нескольких электромагнитных компонентов в интегрированном электромагнитном компоненте (ИЭМК).
Объединение нескольких электромагнитных компонентов в ИЭМК возможно при условии совпадения формы напряжения на их обмотках. Это условие выполняется во многих однотактных преобразователях постоянного напряжения, например, в преобразователе Кука (Cuk Converter), SEPIC, обратноходовом преобразователе (Flyback Converter). При несовпадении формы напряжений на обмотках
5 ИЭМК необходимо так разместить обмотки на магнитопроводе, чтобы обеспечить пути для разностного магнитного потока. Это возможно, например, при размещении обмоток на разных кернах Ш-образного сердечника.
Применение ИЭМК с разделенными магнитными потоками придает преобразователям напряжения новые свойства и позволяет создавать новые топологии. При этом количественное изменение коэффициента связи между обмотками, неизбежное при разделении магнитных потоков, приводит к качественным изменениям процессов, происходящих в магнитном сердечнике и в преобразователе, что обязательно должно быть учтено в магнитной модели и в эквивалентной электрической схеме ИЭМК. При расчете преобразователей напряжения с таким ИЭМК необходимо применять методы расчета, учитывающие влияние потоков рассеяния, неизбежно возрастающих при разделении магнитных потоков в ИЭМК. Это становится особенно важно на высоких частотах коммутации и при больших токах нагрузки.
Требование уменьшения габаритов и массы источников питания приводит к увеличению частоты коммутации в преобразователях до сотен килогерц и даже до единиц мегагерц, что, в свою очередь, требует решения ряда взаимосвязанных схемотехнических, конструктивных и технологических проблем. Уменьшение объема, занимаемого реактивными компонентами преобразователей напряжения, а также применение технологии поверхностного монтажа с высокой плотностью размещения компонентов позволяет производить источники питания с удельной мощностью 3000 Вт/дм3 и выше. Теперь основным ограничивающим фактором на пути уменьшения массы и габаритов преобразователей напряжения стала проблема отвода рассеиваемой мощности потерь из относительно малого объема компонентов.
На высоких частотах коммутации значительную долю мощности потерь в преобразователях составляют потери, связанные с обратным восстановлением выпрямительных диодов и с коммутацией силовых транзисторов, в частности, с перезарядом их паразитной емкости. Существует ряд топологий, таких, например, как резонансные и квазирезонансные преобразователи, в которых коммутацион- ные потери снижаются за счет переключения силовых ключей при нулевом напряжении (ПНН). Однако, пиковые значения токов и напряжений на силовых элементах схемы оказываются при этом значительно выше, чем у обычных ШИМ-преобразователей, что приводит к росту потерь за время включенного состояния полупроводниковых приборов. Мостовой преобразователь с фазовой модуляцией позволяет получить малые коммутационные потери за счет переключения силовых ключей при нулевом падении напряжения без заметного увеличения токов и напряжений. Однако, применение мостовой схемы экономически оправдано только для преобразователей большой мощности (свыше 1 кВт), когда топологии с меньшим количеством силовых компонентов и с более простой схемой управления не позволяют обеспечить требуемую выходную мощность без применения дорогостоящих компонентов с улучшенными характеристиками. Для преобразователей мощностью до 1 кВт лучше всего подходят схемы с асимметричной коммутацией силовых ключей - полумостовая схема и однотактная схема с активным перемаг-ничиванием силового трансформатора (схема Карстена - Поликарпова). К достоинствам последней следует отнести постоянный наклон регулировочной характеристики в диапазоне изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала от 0 до 1, недостатком является повышенное максимальное напряжение на силовых ключах, что сказывается в первую очередь на стоимости и надежности драйверов силовых ключей. По этой причине, с точки зрения стоимости изделия предпочтительнее выглядит полумостовая схема, в которой напряжение на силовых ключах ограничено величиной входного напряжения. Недостатком ее является переменный наклон регулировочной характеристики и ограниченный диапазон изменения коэффициента заполнения управляющего сигнала, что не приводит к серьезным проблемам при работе совместно с корректором коэффициента мощности.
Из всех паразитных параметров компонентов преобразователя наибольшее влияние на работу полумостового преобразователя напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей оказывает индуктивность рассеяния силового трансформатора. С одной стороны, она обеспечивает коммутацию силовых ключей при нулевом падении напряжения.. С другой стороны, препятствуя быстрому
7 изменению тока в обмотках силового трансформатора, она способствует понижению выходного напряжения преобразователя при увеличении нагрузки и при повышении частоты коммутации. Вынужденное увеличение числа витков во вторичных обмотках для обеспечения требуемого уровня выходного напряжения при максимальном токе нагрузки приводит к возрастанию омических потерь в первичной обмотке трансформатора и силовых ключах, а также к увеличению обратного напряжения на выпрямительных диодах, и, следовательно к заметному увеличению потерь, связанных с их обратным восстановлением.
Таким образом, анализ работы преобразователя напряжения с учетом влияния индуктивности рассеяния силового трансформатора является актуальным.
Цель работы состоит в теоретическом анализе, моделировании, разработке и экспериментальном исследовании полумостового преобразователя постоянного напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей на основе интегрированного электромагнитного компонента с разделенными магнитными потоками, сочетающего низкие напряжения на силовых ключах в выключенном состоянии с малыми потерями в них во включенном состоянии и нулевыми потерями на переключение в широком диапазоне изменения величины тока нагрузки и входного напряжения.
Данная цель работы связана с решением следующих задач: - анализ двухтрансформаторной полу мостовой схемы преобразователя с асимметричной коммутацией силовых ключей, как оптимального варианта объе динения функций дросселей выпрямителя с удвоением тока и изолирующего трансформатора, включающий в себя статический анализ, анализ процесса комму тации силовых ключей и малосигнальный анализ; выявление и сравнительный анализ структур преобразователей постоянного напряжения, позволяющих объединить функции нескольких электромагнитных компонентов в ИЭМК; разработка методики проектирования ИЭМК с разделенными магнитными потоками; - проведение экспериментальной проверки результатов теоретического ана лиза и практических реализаций.
Методы исследования
Научные положения работы получены на основе теории электрических цепей, математического анализа, теории автоматического регулирования, аналогово-го и цифрового моделирования.
Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением математических методов, математическим моделированием, схемотехническим моделированием, а также экспериментальными исследованиями разработанных устройств.
В результате работы получены следующие новые научные результаты: создана математическая модель двухтрансформаторного полумостового преобразователя напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей для режимов безразрывного и прерывистого тока в выпрямительных диодах с учетом влияния индуктивности рассеяния трансформаторов, позволившая проводить все необходимые расчеты в установившемся режиме; определены условия обеспечения ПНН в двухтрансформаторном полумостовом преобразователе постоянного напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей; получена малосигнальная модель для режима безразрывного тока в выпрямительных диодах преобразователя постоянного напряжения с местной обратной связью по пиковому току силового ключа с учетом влияния паразитных элементов схемы, в том числе с учетом влияния индуктивности рассеяния трансформаторов, позволившая проводить синтез динамических свойств устройств, замкнутых обратными связями; обосновано применение и предложена эквивалентная электрическая схема трехобмоточного ИЭМК с разделенными магнитными потоками; - предложена новая схема, позволяющая умеїіьшить потери при обратном восстановлении выпрямительных диодов.
Практическая ценность работы состоит в следующем: разработана методика анализа установившегося состояния для двухтранс-форматорного полумостового преобразователя напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей с учетом влияния индуктивности рассеяния трансформаторов, позволяющая рассчитывать оптимальные параметры трансформаторов преобразователя на повышенных частотах коммутации. Предложенная методика может быть использована для расчета любого типа преобразователей напряжения; предложены формулы для определения условий исключения коммутационных потерь в двухтрансформаторном полумостовом преобразователе напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей; разработана оригинальная методика составления малосигнальной модели преобразователя постоянного напряжения с местной обратной связью по пиковому току силового ключа с учетом влияния паразитных элементов схемы, в том числе с учетом влияния индуктивности рассеяния трансформаторов, на основании которой получена малосигнальная модель для режима безразрывного тока в выпрямительных диодах преобразователя постоянного напряжения с местной обратной связью по пиковому току силового ключа с учетом влияния паразитных элементов схемы, позволившая проводить синтез динамических свойств устройств, замкнутых обратными связями; на основании выведенной эквивалентной электрической схемы трехобмо-точного интегрированного электромагнитного компонента с разделенными магнитными потоками проведена разработка и экспериментальное исследование преобразователя на основе безнамоточного трансдросселя с обмотками, выполненными в виде скоб; на основе результатов экспериментов сделана оценка оптимальной области применения ИЭМК с обмотками в виде скоб; - предложена новая демпфирующая цепь для ограничения выброса напряже ния при запирании выпрямительного диода, позволившая уменьшить потери, свя занные с обратным восстановлением выпрямительных диодов.
На защиту выносятся: применение трехобмоточного трансдросселя с разделенными магнитными потоками и его оригинальная эквивалентная электрическая схема; методика анализа установившегося состояния для двухтрансформаторного полумостового преобразователя напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей с учетом влияния индуктивности рассеяния трансформаторов; результаты малосигнального анализа двухтрансформаторного полумостового преобразователя напряжения с асимметричной коммутацией силовых ключей без учета влияния паразитных элементов схемы; методика составления малосигнальной модели преобразователя постоянного напряжения с местной обратной связью по пиковому току силового ключа с учетом влияния паразитных элементов схемы, в том числе с учетом влияния индуктивности рассеяния трансформаторов; демпфирующая цепь с уменьшенными потерями для ограничения выброса напряжения при запирании выпрямительного диода; низкопрофильный модуль питания на основе безнамоточного трансдросселя.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы в АОЗТ "ММП-Ирбис" и в компании Lucent Technologies (США) при проведении ряда научно-исследовательских работ и при разработке ряда источников питания на выходную мощность до 600 Вт с высокими техническими характеристиками.
Апробация работы
Основные положения работы и отдельные её результаты докладывались на: - научно-техническом семинаре НИО СТЭ-3, МАИ, 1998 г.; - международной конференции "Applied Power Electronics Conference" (APEC), 1995, 1997 и 1998 г.г.; международной конференции "Telecommunications Energy Special Conference" (TELESCON), 1997 г.; международной конференции "Power Electronics Specialists Conference" (PESC), 1998 г,; международном научно-техническом семинаре "Применение силовой электроники в электротехнике", Москва, 2000 г.
По результатам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 11 научных работ, получены 2 патента на полезную модель, 2 патента США.
