Введение к работе
Актуальность темы.
Постоянная тенденция улучшения массогабаритных показателей современной радиоэлектронной аппаратуры заставляет разработчиков источников вторичного электропитания принимать все возможные меры по уменьшению их массы и объема. Это достигается как конструктивным и технологическим совершенствованием, так и разработкой новых схемных решений.
Улучшение массогабаритных показателей современных источников питания достигается в основном за счет уменьшения массы и объема реактивных компонентов при переходе к более высокой частоте коммутации. Однако, с ростом частоты растут динамические потери в силовых ключах. В результате необходимость отвода тепла становится сдерживающим фактором на пути дальнейшего улучшения их удельных показателей.
Особенностью практически всех новых топологий преобразователей напряжения являются малые динамические потери. Однако существующие в настоящее время преобразователи напряжения (в том числе резонансные и квазирезонансные) не всегда удовлетворяют потребителей. Это приводит как к появлению новых схемных решений, так и новых структур преобразователей. Одной из таких структур являются рассматриваемые в работе коммутируемые одно-тактные преобразователи напряжения.
Целью работы работы является разработка, теоретический анализ, моделирование и экспериментальные исследования коммутируемых однотактных преобразователей напряжения, сочетающих хорошие энергетические показатели, свойственные классическим преобразователям с малыми динамическими потерями, свойственными резонансным схемам; разработка методики определения параметров моделей магнитных компонентов для их последующего использования программами схемотехнического анализа; исследование устойчивости и динамических свойств замкнутых систем стабилизации напряжения и тока на основе разработанных преобразователей.
Основная идея, положенная в основу разрабатываемых структур преобразователей - запирание диода выпрямителя перед выключением силового ключа. При этом через ключ протекает только ток намагничивания силового трансформатора, что обеспечивает малые динамические потери. Запирание диода выпрямителя осуществляется специальными узлами дополнительной коммутации, аналогичными узлам
- 4 -искусственной коммутации тиристоров. Поэтому разработанный класс преобразователей назван коммутируемыми однотактными преобразователями напряжения.
Задачи, решаемые в диссертационной работе:
-
Разработка новых топологий однотактных преобразователей напряжения, сочетающих хорошие энергетические показатели, свойственные классическим преобразователям, с малыми динамическими потерями, свойственными резонансным схемам.
-
Анализ статических и динамических режимов работы таких преобразователей, получение их основных характеристик, а также расчетных соотношений для обеспечения работоспособности узла формирования траектории переключения силового ключа в заданном диапазоне токов нагрузки.
-
Анализ эффективности предложенного метода формирования траектории в статическом и динамическом режимах работы преобразователей напряжения.
-
Разработка схемных решений коммутируемых преобразователей, в которых силовой ключ включается при нулевом напряжении, а выключается при близком к нулю токе, а также построение многоканальных источников электропитания на основе разработанных преобразователей напряжения.
-
Исследование свойств магнитных материалов при их использовании на высокой частоте перемагничивания.
-
Разработка методики определения параметров моделей магнитных материалов по экспериментальным данным; формирование библиотеки параметров моделей ряда отечественных и зарубежных магнитных материалов.
-
Построение непрерывных моделей разработанных преобразователей напряжения для анализа их частотных свойств.
-
Выработка рекомендаций по коррекции замкнутых систем стабилизации на основе полученных преобразователей напряжения с целью обеспечения их устойчивости.
-
Практическая реализация ИВЭП на основе разработанных преобразователей, и сравнение полученных теоретических данных с экспериментальными.
Методы исследования При проведении теоретических исследований использовались: аналитические методы, принятые в электротехнике и теории электрических цепей; теория дифференциальных уравнений; методы теории
- 5 -автоматического управления; метод усреднения в пространстве состояний; пакеты прикладных программ математического анализа и схемотехнического моделирования. Достоверность полученных аналитических зависимостей и результатов машинного анализа проверялась экспериментальными исследованиями, проведенными на макетных образцах.
Научная новизна:
сформулирован комплекс требований к преобразователям напряжения для обеспечения минимальных динамических потерь при повышенной частоте коммутации;
получены аналитические выражения, описывающие электромагнитные процессы в коммутируемых преобразователях;
получены расчетные соотношения для обеспечения формирования траектории переключения силового ключа в заданном диапазоне токов нагрузки;
разработана методика определения параметров моделей магнитных компонентов;
предложен способ улучшения точности моделирования петли пе-ремагничивания аморфных сплавов;
получены частотные характеристики коммутируемых преобразователей напряжения;
сделаны выводы относительно устойчивости и способов ее достижения в замкнутых системах стабилизации на основе разработанных преобразователей.
Практическая ценность:
разработана новая топология преобразователей напряжения, способная обеспечивать малые динамические потери при повышенной частоте коммутации;
получены аналитические выражения для регулировочных и внешних характеристик разработанных преобразователей напряжения, расчетные соотношения для обеспечения формирования траектории и ограничения на коэффициент заполнения управляющих импульсов силового ключа;
построены непрерывные нелинейные модели коммутируемых преобразователей напряжения, позволяющие исследовать их динамические и частотные характеристики;
выработаны рекомендации по обеспечению устойчивости замкнутых систем стабилизации на основе разработанных преобразователей;
получены экспериментальные данные о свойствах магнитных материалов с прямоугольной петлей гистерезиса на различных частотах перемагничивания и выработаны рекомендации об их использовании в качестве сердечника насыщающегося магнитного реактора;
сформирована библиотека параметров моделей ряда отечественных и зарубежных магнитных материалов;
Основные положения, выносимые на защиту:
способ формирования траектории переключения силового ключа;
параметрическая и функциональная реализация способа формирования траектории переключения силового ключа;
топологии разработанных коммутируемых однотактных преобразователей напряжения;
схемные решения многоканальных ИВЭП на основе коммутируемых преобразователей;
схемные решения обеспечения минимальных суммарных потерь в ключах коммутируемых преобразователей;
методика определения параметров модели перемагничивания ферромагнетиков, позволяющая сформировать библиотеку параметров моделей отечественных и зарубежных магнитных материалов и использовать ее при анализа высокочастотных преобразователей напряжения;
применение метода усреднения в пространстве состояний для анализа коммутируемых преобразователей (в том числе и при частотно-импульсной модуляции);
непрерывные нелинейные модели разработанных преобразователей напряжения.
Реализация результатов работы: Результаты работы использованы при разработке источника тока для заряда аккумуляторных батарей автономной аппаратуры заводом "Измеритель", г. Смоленск.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:
на семинаре кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ "Структуры, однотактных преобразователей напряжения с малыми динамическими потерями", декабрь 1994 г.
на семинаре кафедры промышленной электроники МЭИ "Проблемы проектирования преобразователей напряжения с повышенной частотой коммутации", октябрь 1995 г.
на научном совете по комплексной проблеме "Научные основы
- 7 -электрофизики и электроэнергетики" - "О научном обеспечении отечественного производства источников вторичного электропитания". Российская академия наук; отделение физико-технических проблем энергетики; октябрь 1995 г.
Публикации По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ; еще 4 приняты к публикации и находятся в печати.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 126 страницах машинописного текста, иллюстрированных 67 рисунками на 37 страницах; списка литературы, включающего 81 источник на 8 страницах; и 3 приложений на 25 страницах.
