Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Конверторы силовой электроники. Краткий обзор 15
Краткий обзор основных топологий конверторов 16
Понижающий конвертор 23
Повышающий конвертор 25
Инвертирующий конвертор 28
Обратноходовой конвертор 31
Прямоходовой однотактный двухтранзисторный конвертор 34
Полумостовой конвертор 37
Мостовой конвертор 40
Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2. Уменьшение коммутационных потерь в обратноходовых
конверторах. 44
Демпфер в обратноходовом конверторе 44
LCDD демпфер в обратноходовом конверторе 48
Выводы по главе 2. 54
ГЛАВА 3. Однотактные конверторы с уменьшенными коммутацион
ными потерями 56
Прямоходовой конвертор с синхронным выпрямителем 56
Повышающий конвертор с уменьшенными коммутационными потерями 68
3.3 Повышающий конвертор с активной цепью уменьшения коммута
ционных потерь. 77
Выводы по главе 3. 82
ГЛАВА 4. Резонансные конверторы 85
Полумостовой резонансный конвертор с параллельным питанием 87
Полумостовой резонансный конвертор с последовательным питанием 95
4.3. Мостовая схема конвертора с синхронным выпрямителем и фазо
вым управлением 104
Выводы по главе 4. 111
ГЛАВА 5. Использование результатов исследований в практических
разработках 113
Установка бесперебойного питания постоянного тока для ремонтных бригад и аварийного замещения штатных систем питания аппаратуры связи. 113
Инверторы напряжения для телекоммуникационных систем 124
Универсальная активная нагрузка 129 Выводы по главе 5 137 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138 ЛИТЕРАТУРА 140
Введение к работе
В современных условиях развития электросвязи, характеризующихся быстрыми, а в некоторых направлениях и революционными изменениями в технологиях, требуется пересмотр традиционных представлений о задачах и возможностях систем электропитания. Быстрое развитие всех отраслей связи, конвергенция мобильных и стационарных сетей, сетей передачи голоса, передачи данных и Интернет оказывает на них значительное влияние.
Буквально в ближайшие годы на первый план может выйти проблема обеспечения бесперебойного электропитания оборудования сети доступа, расположенного вне телекоммуникационных центров. Здесь возможны различные варианты. Во-первых, электропитание может быть обеспечено с центральной станции. Во-вторых, для питания может использоваться промышленная сеть переменного тока с автономным резервным местным источником. Третий вариант - использование местного источника для резервирования электропитания оборудования нескольких вынесенных точек доступа. Для организации такого питания необходимы автономные источники с высоким КПД, надежностью, рассчитанные на работу в широком диапазоне рабочих температур окружающей среды, с полным дистанционным контролем. Помимо этого необходимо не только установить оборудование, но и соединить его с внешней энергосетью, обеспечить заземление и сигнализацию о неисправностях.
Возрастание стоимости оборудования, важности и стоимости передаваемой информации требуют более взвешенного, комплексного подхода к вопросам выбора не только типа оборудования электропитающих установок (ЭПУ) или фирмы-поставщика, но и взвешенной оценки всех аспектов сложного организма, называемого системой электропитания (СЭП). Не представляя всех проблем можно получить результат с трудно предсказуемой надежностью, не оптимальный по цене и с перспективой возникновения новых проблем в обозримом будущем.
Составляющие качества СЭП
Для оптимизации системы электропитания необходимо оценить, из чего же складывается надежное качественное электропитание, и какой удельный вес в конечном результате имеет та или иная составляющая. Можно, исходя из требований к электропитанию, предъявляемых аппаратурой связи, определить состав ЭПУ, количество и мощность выпрямителей, емкость аккумуляторной батареи, мощность резервных источников, ДЭС и/или UPS и, исходя из этого, рассчитать надежность системы в целом. Однако это не дает уверенности в том, что питаемое или питающее оборудование не выйдут из строя в результате, например, грозы и не дает представления о том, что же делать, чтобы повысить надежность существующей системы.
Комплексный подход отличается тем, что ЭПУ и резервные источники рассматриваются как часть единой системы, включающей в себя заземление, токо-распределительную сеть (ТРС), устройства защиты, автоматики и коммутации в цепях переменного и постоянного тока, фильтры, системы дистанционного контроля, т.е. все составляющие, оказывающие влияние на конечный результат: качественное питание и уверенность в том, что деньги и труды, вложенные в СЭП, потрачены не напрасно.
На рис. 1 показана пирамида качества электропитания.
Система заземления
Основой безопасности и устойчивой работы аппаратуры связи является правильно выполненная система заземления. При проектировании заземления целью является снижение до приемлемого уровня напряжений и разности потенциалов в системе заземления объекта при внешних дестабилизирующих воздействиях.
Устройства защиты
Устройства защиты, в качестве которых используются варисторы и разрядники, являются вторым по важности элементом в стратегии обеспечения качественного электропитания. Их назначение - рассеяние энергии перенапряжений и сверхтоков в системе заземления.
Также в качестве устройств защиты используются фильтры, предназначенные для снижения влияния высокочастотных помех с малой амплитудой.
flry,UPS,ABP, устройства коммутации
Регуляторы напряжения
Устройства защ иты: ограничители тока/напряжения, фильтры
Система заземления, токораспределение
ПИРАМИДА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Рис.1
Регуляторы напряжения
Развитие выпрямительной техники привело к тому, что современные выпрямители с бестрансформаторным входом и высокочастотным преобразованием имеют достаточно широкий допустимый диапазон изменения входного напряжения и не нуждаются в регуляторах или стабилизаторах напряжения. В то же время эти выпрямители критичны к импульсам перенапряжения на входе, что ведет к пробою полупроводниковых компонентов, и к быстрым изменениям входного напряжения.
Чувствительность выпрямителей к переходным процессам в питающей сети делает необходимым построение надежной системы заземления и защиты от перенапряжений.
Использование стабилизаторов напряжения при низком качестве внешней сети переменного тока в ряде случаев может быть экономически более целесообразно, чем использование UPS.
ДГУ, UPS, АВР, устройства коммутации
Необходимость использования дизель-генераторных установок (ДГУ) для обеспечения гарантированного электроснабжения не подвергается сомнению.
Большего внимания заслуживают устройства бесперебойного питания переменным током (UPS). Несмотря на все более широкое использование UPS в связи, это не всегда оправдано. UPS не является панацеей от всех неприятностей, поступающих из внешней сети, и их применение является оправданным в больших компьютерных центрах или при питании отдельных нагрузок при значительных, выходящих за допустимые пределы, колебаниях сетевого напряжения. Приведение в порядок системы заземления и защиты является более эффективным вложением сил и средств. Кроме того, использование UPS не позволяет отказываться от правильного построения системы заземления и защиты.
Обслуживание
Повышение надежности электропитания, тесно связано с эффективным обслуживанием и своевременным и качественным восстановлением оборудования и аккумуляторных батарей, в основе которых лежит знание оборудования и особенностей современных батарей.
Обучение персонала и повышение его квалификации становится все более актуальным.
Мониторинг
Своевременное получение информации об изменениях режимов работы электропитающего оборудования позволяет более оперативно реагировать на эти изменения.
Резкое повышение надежности ЭПУ может обеспечить диагностика неисправностей. При этом дистанционно передается не сигнал о том, что выпрямитель уже не работает, или напряжение на аккумуляторной батарее низкое, и она отключается, а информация о том, что нарушены режимы работы элементов выпрямителя (но выпрямитель еще работает), или изменилось распределение напряжения на элементах батареи, т.е. симптомы неисправностей.
Резервирование
Стандартной схемой для отечественного оборудования ЭПУ являлось резервирование по принципу N+1, обычно 4+1, когда на 4 рабочих выпрямителя приходился 1 резервный. Не случайно резервирование находится на самом верху Пирамиды качества и имеет самый малый удельный вес. Выход из строя одного выпрямителя никак не сказывается на работе системы. Выход из строя двух и более выпрямителей одновременно говорит либо о низком качестве оборудования, либо о нарушениях в нижних этажах пирамиды.
Резервирование по схеме N+2 может быть рекомендовано только для труднодоступных объектов или объектов с сезонным доступом, но для них целесообразно изначально выбирать более надежное оборудование.
Основная задача силовой электроники - увеличение функциональных возможностей преобразователей электроэнергии на единицу объема при увеличении надежности.
Причины отказов телекоммуникационных, компьютерных и других систем общепромышленного применения показаны на рис.2.
Рис.2. Круговая диаграмма отказов общепромышленных систем. 1 — проблемы с электропитанием; 2 — гроза; 3 — пожар или взрыв; 4 — сбои в работе программного или аппаратного обеспечения; 5 - наводнения; 6 — землетрясения; 7 — неполадки в информационной сети; 8 — ошибки персонала; 9 — отказ систем контроля; 10 — остальное.
Требуется существенное повышение надежности преобразователей электроэнергии для уменьшения проблемы с электропитанием. При этом нарастает несоответствие между количеством предлагаемых и реализуемых идей повышения надежности, увеличивается количество отрицательных результатов проработки многих из них. Разнообразие и непрерывное усложнение потребителей электроэнергии привели к тому, что преобразователи электроэнергии создают серьезные проблемы так, как вносят в систему свою массу, объем, потери энергии, помехи, отказы, стоимость.
Обострение проблем с электропитанием современной электронной аппаратуры связано еще и с тем, что она реализуется на цифровых принципах обработки информации с устройствами памяти. В современной и перспективной цифровой аппаратуре, содержащей устройства памяти и функциональные микропроцессорные узлы, требования к качеству электропитания существенно повышены.
В соответствии с современными тенденциями развития силовой электроники в ЭПУ используются стабилизирующие высокочастотные импульсные преобразователи напряжения, называемые также источниками вторичного электропитания (ИВЭП). Необходимость их применения вызывается тем, что они имеют малую материалоемкость и относительно высокую энергетическую эффективность. Последнее придает подобным ИВЭП свойство малой зависимости КПД от изменения величин первичного напряжения и мощности нагрузки. В современной и перспективной отечественной и зарубежной электронной аппаратуре применяются только импульсные высокочастотные стабилизирующие ИВЭП. Они обеспечивают радикальное уменьшение массы и объема обмоточной меди и трансформаторной стали, чего нельзя не учитывать на современном этапе состояния мировой и отечественной экономики.
Эти потенциально положительные свойства современных ИВЭП могут создать неверное представление об их надежной работе в любых практических системах электропитания, обладающих некачественными характеристиками. Исследования показывают, что существуют определенные трудности применения по-
добных ИВЭП и имеются ограничения, накладываемые спецификой некоторых систем электропитания.
В состав любой ЭПУ входят выпрямители, инверторы, источники бесперебойного электропитания. Основным функциональным узлом каждого из этих устройств является преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC/DC) или конвертор напряжения.
Теории и практике создания современных микроэлектронных, надежных, экономичных, с высокими эксплуатационными характеристиками конверторов напряжения для стационарных и локальных систем электропитания уделяется большое внимание, что отражается в периодических изданиях, монографиях, материалах конференций, семинаров и т.п.
Наметились новые подходы повышения надежности и электромагнитной совместимости импульсных преобразователей путем обеспечения оригинальных способов уменьшения коммутационных потерь известными методами переключения силовых транзисторов.
Поэтому разработка перспективных импульсных преобразователей с уменьшенными коммутационными потерями на основе применения современной элементной базы, создания новых перспективных схемотехнических и конструктивно-технологических решений, наиболее полно соответствующих требованиям современного телекоммуникационного оборудования и исследование электромагнитных процессов в них является актуальной задачей.
Цель и задачи исследований
Целью диссертации являются разработка и создание новых конверторов с уменьшенными коммутационными потерями на основе дальнейшего развития теории и практики импульсных преобразователей напряжения.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- проведен ситуационный анализ технической литературы и патентной документации, позволивший выявить рейтинговые и перспективные схемы конверторов;
исследованы электромагнитные процессы в обратноходовых конверторах;
исследованы электромагнитные процессы в прямоходовых и повышающих конверторах;
исследованы электромагнитные процессы в полумостовых конверторах с параллельным и последовательным питанием;
исследованы электромагнитные процессы в мостовых конверторах с фазовым управлением;
исследованы электромагнитные процессы при совместной работе синхронных выпрямителей с различными типами конверторов;
разработаны модели исследованных конверторов и проведено электронное моделирование для уточнения теоретических результатов исследования;
разработаны совместно с ЗАО «ММП-Ирбис» и серийно выпускаются конверторы напряжения для стационарных и мобильных систем электропитания, выполненные на основе предложенных в диссертации моделей и расчетных соотношений.
Методы исследований.
При решении поставленных в диссертации задач использовались теория электрических цепей, положения фундаментальной теории линейных и нелинейных импульсных систем, математическое и физическое моделирование.
Математические расчеты выполнены на персональном компьютере с использованием программы MathCAD, моделирование динамических импульсных процессов в преобразователях - с использованием пакета программ Pspice (OrCad 9.2). Для получения данных с цифрового осциллографа применялось компьютерное программное обеспечение Wavestar.
Научная новизна полученных результатов:
получили дальнейшее развитие теоретические исследования электромагнитных процессов в конверторах с уменьшенными коммутационными потерями;
впервые выполнен анализ электромагнитных процессов в полумостовом конверторе с последовательным питанием (все известные конверторы имеют па-
раллельное питание) и установлены особенности связи между параметрами источника питания и параметрами конвертора. Приведены основные расчетные соотношения;
впервые выполнен анализ электромагнитных процессов при совместной работе синхронных выпрямителей с различными типами конверторов и предложены алгоритмы синхронного управления всеми ключами преобразователя. Приведены основные расчетные соотношения.
выполнен ситуационный анализ технической литературы и патентной документации, позволивший выявить рейтинговые и перспективные схемы конверторов. Для всех схем в едином формате выполнено оформление основных расчетных соотношений, достоверность которых подтверждена электронным и натурным моделированиями практически при равноценных электротехнических исходных данных. Полученные результаты позволили обеспечить серийное производство конверторов;
обоснована необходимость дальнейшего развития теории и практики стабилизированных конверторов с повышенными удельными характеристиками.
Практическое значение полученных результатов:
предложены пути дальнейшего уменьшения коммутационных потерь в конверторах на основе традиционных и оригинальных методов развития теоретических исследований электромагнитных процессов и новых схемотехнических решений;
показано, что использование преобразователей с уменьшенными коммутационными потерями позволяет улучшить технико-экономические характеристики телекоммуникационных систем и их электромагнитную совместимость с питающей сетью и нагрузкой;
приведены основные расчетные соотношения, позволяющие проводить расчеты и интерактивный анализ процессов в полумостовом конверторе с последовательным питанием (все известные конверторы имеют параллельное питание) и устанавливать влияние параметров конвертора на параметры источника питания;.
приведены основные расчетные соотношения, позволяющие проводить расчеты и интерактивный анализ процессов в полумостовом конверторе с параллельным питанием;
приведены основные расчетные соотношения, позволяющие проводить расчеты и интерактивный анализ процессов в мостовых конверторах с фазовым управлением и синхронным выпрямителем;
приведены соотношения, позволяющие провести экспресс-расчеты цепей уменьшения коммутационных потерь с учетом влияния паразитных элементов на режим работы обратноходовых конверторов;
приведены основные расчетные соотношения практически для всех рейтинговых конверторов (семь схем), по каждой схеме даны результаты двух (мин/мак - питание; const - выход) совмещенных и графически проиллюстрированных расчета
список зарубежных патентов по теме диссертации, позволяющий оценить пути развития и изменения приоритетов в схемотехнике конверторов, что обосновывает необходимость дальнейшего развития теории и практики стабилизированных конверторов с повышенными удельными характеристиками.
На защиту выносятся:
результаты ситуационного патентного анализа, позволившие оценить пути развития и изменения приоритетов в схемотехнике конверторов, что обосновало необходимость дальнейшего развития теории и практики стабилизированных конверторов с повышенными удельными характеристиками;
результаты анализа электромагнитных процессов в полумостовом конверторе с последовательным питанием (все известные конверторы имеют параллельное питание), установленные особенности связи между параметрами источника питания и параметрами конвертора. Полученные основные расчетные соотношения;
результаты анализа электромагнитных процессов при совместной работе синхронных выпрямителей с различными типами конверторов. Предложенный
алгоритм синхронного управления всеми ключами преобразователя. Полученные основные расчетные соотношения;
результаты обобщения основных расчетных соотношений практически для всех рейтинговых схем конверторов;
результаты совмещенных и графически проиллюстрированных примеров расчетов рейтинговых схем конверторов;
оригинальные конверторы для стационарных и мобильных систем электропитания, выпускаемые серийно.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и отдельные ее результаты докладывались автором и обсуждались на:
- заседаниях Научно-технического совета ЗАО «ТрансТелеКом» (протокол
№5 от 18.01.2006г., протокол №3 от 22.12.2004г., протокол №2 от 27.10.2004г.);
- заседании НТС кафедры «Микроэлектронных электросистем», МАИ,
2005г.;
Четвертой Всероссийской конференции «Состояние и перспективы развития энергетики связи», Санкт-Петербург, 2003 г.;
научно-техническом семинаре «Импульсные источники вторичного электропитания компании «ММП-Ирбис», Москва, 2004г.
Публикации.
По результатам диссертации лично автором и в соавторстве опубликовано шесть печатных работ.
Похожие диссертации на Разработка и исследование импульсных конверторов с уменьшенными коммутационными потерями
