Введение к работе
Актуальность темы. Задача уменьшения габаритов и массы источников вторичного электропитания (ИВЭП) обусловила переход к частотам преобразования в десятки и сотни килогерц, что породило проблему снижения уровня генерируемых ими электро- и радиопомех, а также необходимости принятия специальных мер по обеспечению безаварийной работы силовых ключей. Требования к параметрам потребителей электроэнергии, создаваемых преимущественно на основе ниэкопотенциальной микроэлектроники, ужесточили ограничения на величину пульсаций выходного напряжения ИВЭП.
Снижение стоимости электронной аппаратуры предполагает автоматизацию всех технологических процессов ее изготовления. Это определяет необходимость разработки структур преобразователей, содержащих минимальное число дискретных компонентов. Таким образом, одним из наиболее важных направлений развития источников вторичного электропитания является разработка топологий силовых преобразователей, не имеющих токовых пульсаций по входу и выходу, а также содержащих интегрированную магнитную цепь.
Целью работы является разработка, теоретический анализ, моделирование и экспериментальное исследование однотактных преобразователей постоянного напряжения с повышенной частотой коммутации, сочетающих высокоэффективное подавление пульсаций токов во входной и выходной цепях со структурным ограничением напряжения на силовом ключе; разработка методик анализа замкнутых систем стабилизации на их основе, а также исследование способов улучшения статических и динамических характеристик ИВЭП на основе разработанных преобразователей с помощью использования нетрадиционных принципов управления.
Основная идея, положенная в основу разрабатываемых структур преобразователей - использование интегрированной магнитной цепи, выполняющей функцию фильтрации пульсаций входного и выходного токов на основе применения магнитно-связанных сглаживающих фильтров (МСФ) и функцию преобразования уровней напряжения. Это улучшает надежностные и массогабаритные показатели ИВЭП. Задачи, решаемые в диссертации:
классификация, поиск и разработка новых структур магнитно-связанных однотактных преобразователей (МОПН) с повышенной частотой коммутации, сочетающих низкий уровень пульсаций входного и выходного токов с возможностью создания интегрированной магнитной цепи;
создание математической модели разработанного магнит-
но-свяаанного однотактного преобразователя напряжения, адекватно отражающей электромагнитные процессы в нем;
получение на основе построенной математической модели характеристик установившегося режима разработанного преобразователя напряжения;
разработка динамических моделей исследуемого преобразователя и получение его реакций на возмущающие воздействия;
обеспечение устойчивости замкнутых систем стабилизации с разработанным однотактным преобразователем напряжения в качестве силовой части;
исследование динамических процессов в замкнутых системах стабилизации на основе разработанного преобразователя, а также способов улучшения динамических показателей ИВЭП, в том числе и на основе применения нетрадиционных принципов управления;
экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и доведение их до практической реализации в условиях производства.
Методы исследования При проведении теоретических исследований использовались: аналитические методы, принятые в электротехнике и теории электрических цепей; теория дифференциальных уравнений; методы теории автоматического управления (ТАУ); метод усреднения в пространстве состояний; преобразование Лапласа; метод гармонической линеаризации; 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:
сформулированы схемотехнические требования к магнитно-связанным высокочастотным преобразователям, на основании которых разработаны схемы МОПН;
получены аналитические выражения, описывающие электромагнитные процессы в режимах непрерывного и прерывистого потоков магнитопровода дросселя-трансформатора;
разработана методика получения линеаризованной малосигнальной схемы замещения преобразователей постоянного напряжения, описывающихся кусочно-линейными дифференциальными уравнениями высокого порядка, основанная на методе усреднения в пространстве состояний;
проведен малосигнальный анализ МОПН при широтно-импуль-
- 5 -сной модуляции (ШИМ) и управлении по амплитудному значению тока силового ключа (Т-регулировании). получены частотные характеристики преобразователя для указанных способов регулирования;
разработана методика расчета сложных переходных процессов в нелинейных импульсных преобразовательных устройствах, описывающихся системами высокого порядка, основанная на построении линеаризованной малосигнальной схемы, пригодной для последующего анализа с помощью программ схемотехнического моделирования (в частности MICR0CAP-3);
предложен способ улучшения статических и динамических параметров ИВЭП на основе использования логометрического принципа управления;
разработана методика анализа замкнутых систем стабилизации выходного напряжения с логометрическим принципом управления.
Практическая ценность:
разработанная топология магнитно-связанного преобразователя сочетает эффективное подавление пульсаций входного и выходного токов вне зависимости от индуктивности намагничивания силового трансформатора, структурное ограничение индуктивного выброса напряжения на силовом ключе и возможность использования интегрированной магнитной цепи;
полученные аналитические выражения для установившегося режима работы исследуемого преобразователя позволяют рассчитать его на заданный уровень пульсаций, выходную мощность, напряжение, и т.д.;
построенная непрерывная линеаризованная динамическая модель разработанного преобразователя для режима непрерывного и прерывистого потока позволяет исследовать различные принципы управления в замкнутой системе стабилизации в том числе и с помощью частотных критериев;
анализ, проведенный для замкнутых систем автоматического регулирования с разработанным преобразователем в качестве силовой части на основе ШИМ и Т-регулирования, позволил установить, что использование второго способа управления улучшает динамические характеристики ИВЭП;
разработанная методика анализа систем стабилизации с логометрическим принципом управления позволяет выбрать их параметры, обеспечивающие устойчивость и высокие динамические показатели.
' Основные положения, выносимые на защиту:
- комплекс требований, предъявляемых к высокочастотным маг-
- б -
нитно-связанным преобразователям;
топологии разработанных высокочастотных магнитно-связанных однотактных преобразователей напряжения;
аналитические выражения для регулировочной и внешней характеристик разработанного преобразователя, а также формулы для расчета его элементов для получения заданного уровня пульсаций, выходной мощности, напряжения и т.д.;
непрерывные динамические модели МОПН в режимах непрерывного и прерывистого магнитного потока дросселя-трансформатора для широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и управления по амплитудному значению тока силового ключа;
методики анализа переходных процессов в различных замкнутых системах стабилизации на основе разработанного преобразователя, базирующиеся на применении программ схемотехнического анализа;
структура импульсного стабилизатора с логометрическим принципом управления;
методики анализа систем стабилизации выходного напряжения с логометрическим принципом управления, основанные на использовании интегрированных пакетов программ математического анализа и схемотехнического моделирования.
Реализация результатов работы: Результаты работы будут использованы при разработке источника питания для бортовой сети с выходным напряжением 5В в НТЦ "К&Н" НИИЭМ, г. Истра-2 Московской области.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались:
на семинаре кафедры промышленной электроники Смоленского филиала МЭИ "Использование программ схемотехнического анализа для моделирования преобразовательных устройств",сентябрь 1994 г.
на семинаре кафедры промышленной электроники МЭИ "Проблемы проектирования преобразователей напряжения с высокоэффективными сглаживающими фильтрами", октябрь 1994 г.
Публикации По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 111 страницах машинописного текста, иллюстрированного 61 рисунком на 51 странице; списка литературы, включающего 96 источников на 11 страницах; и 6 приложений на 44 страницах.
