Введение к работе
Актуальность темы. Современным генеральным направлением развития высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН) в мире по-прежнему остается повышение массо-объемных характеристик при обязательном выполнении требований по надежности и качеству электроэнергии. Одним из важнейших путей повышения удельной мощности (Вт/дм3 или Вт/кг) является повышение частоты преобразования. Для эффективной реализации этого направления необходимо иметь соответствующие компоненты: транзисторы, диоды, магнитные компоненты, конденсаторы, и т.д. Кроме того, необходимо применение современных методов конструирования, и последних достижений технологии производства.
В настоящее время появились необходимые компоненты ВПН и поэтому, остро встал вопрос поиска новых структур преобразователей, позволяющих наиболее полно использовать возможности новой элементной базы, обеспечить высокий КПД, надежность и электромагнитную совместимость ВПН с функциональной аппаратурой. Широко применяемые сегодня традиционные ВПН имеют ограниченный диапазон рабочих частот и удельных мощностей, поэтому нахождение и выбор новых структур ВПН является необходимым условием продвижения по генеральному направлению.
Для найденных структур ВПН необходимо получить основные соотношения (регулировочные характеристики, максимальные значения токов и напряжений на элементах, ограничения по регулировке и т.п.) и выработать методики их проектирования.
Основным сдерживающим фактором повышения частоты преобразования в традиционных ВПН является рост коммутационных потерь в полупроводниковых приборах.
До последнего времени эти проблемы решались в основном путем формирования траекторий переключения силовых транзисторов и диодов.
Возможен другой путь решения проблемы. К настоящему времени опубликовано достаточно много работ, в которых рассмотрены разнообразные высокочастотные преобразователи напряжения, использующие в своей работе явление
резонанса. Введением дополнительных индуктивности и емкости (либо использованием паразитных индуктивностей рассеяния трансформатора и выходной емкости транзистора), образующих резонансный контур, и специального алгоритма управления силовой частью, традиционные ВПН преобразуются в новые структуры, позволяющие практически исключить потери при переключении силовых полупроводниковых приборов и значительно уменьшить пульсации выходного напряжения и электромагнитные помехи ВПН.
В современных публикациях зарубежных и отечественных авторов рассмотрены различные схемы ВПН-РК и принципы их действия. Для многих из них получены регулировочные характеристики и определены режимы работы основных элементов. Необходимо отмстить, что регулировочные характеристики, как правило, приводятся в виде исходных уравнений, решений их на ЭВМ и результатов, представленных графиками и номограммами. Совершенно недостаточно представлены сравнительные анализы различных схем ВПН-РК, методы оптимальных расчетов, полные алгоритмы проектирования. Отсутствие аналитических выражений регулировочных характеристик и основных расчетных соотношений затрудняет определение областей оптимального применения конкретных схем.
Исходя из изложенного, является актуальным определение на основе комплексного анализа свойств различных структур ВПН, наиболее полно соответствующих дальнейшему улучшению массо-объемных характеристик ВПН.
Целью работы является создание нового поколения высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями, отвечающих требованиям повышения массо-объемных характеристик источников электропитания на основе теоретического анализа, моделирования и разработки методик проектирования этих устройств.
Основные задачи исследования:
- выявление и сравнительный анализ наиболее перспективных структур ВПН, позволяющих на современном этапе развития эффективно миниатюризировать устройства и системы вторичного электропитания:
исследование режимов работы, определение параметров основных процессов и разработка методики проектирования квазирезонансных ВПН с переключением при нуле тока;
исследование режимов работы, определение параметров основных процессов и разработка методики расчета обратноходового автогенераторного ВПН с резонансным переключением;
определение свойств и эффектов высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН и разработка методик их расчета;
проведение экспериментальной проверки результатов теоретического анализа и практических реализаций.
Методы исследования. Научные положения работы получены на основе теории электрических цепей, математического анализа, аналогового и цифрового моделирования. Достоверность научных результатов, изложенных в работе, обеспечена корректным применением математических методов, схемотехническим моделированием, а также испытаниями опытных партий изделий, периодическими испытаниями, промышленным выпуском больших партий устройств и результатами эксплуатации у потребителей.
Научная новизна работы состоит в следующем:
выявлены характерные особенности новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, определяющие эффективные пути повышения частоты преобразования с целью получения высоких массо-объемных характеристик источников электропитания;
показано влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения на их геометрический и тепловой объемы и определены аналитические зависимости объемов от диапазона регулирования;
разработаны теория работы и аналитические расчетные соотношения квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока;
разработан принцип введения резонансного переключения в обратноходо-вой автогенераторный высокочастотный преобразователь напряжения, определены основные параметры процессов и получены расчетные соотношения;
показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения имеет универсальный характер и может быть реализован в любых автогенераторных схемах, включая двухтактные
получены расчетные соотношения с учетом основных особенностей и эффектов, возникающих в электромагнитных компонентах преобразователей напряжения при высокой частоте преобразования.
Практическая ценность работы состоит в том, чго:
использование на практике полученных зависимостей объемов высокочастотных преобразователей напряжения от способа и глубины регулирования позволяет повысить их удельные массо-объемные характеристики;
разработана методика расчета квазирезонансного высокочастотного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий;
разработана методика проектирования обратноходового автогенераторного высокочастотного преобразователя напряжения с резонансным переключением при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах, что позволило уменьшить время проектирования и повысить эффективность разработанных изделий;
разработана оригинальная методика расчета высокочастотных электромагнитных компонентов ППМ, что позволило существенно снизить высокочастотные потери в дросселях и трансформаторах;
- создано новое поколение российских промышленных преобразователей
электроэнергии с удельными мощностями до 1000 Вт/дм1, высокими КПД и на
дежностью при низкой стоимости.
Основные положения, выносимые на защиту.
- результаты сравнительного анализа и выбора новых структур высокочастотных преобразователей напряжения, позволяющие решить задачу повышения их массо-объемных характеристик;
влияние способов регулирования напряжения в высокочастотных преобразователях напряжения на их геометрический и тепловой объемы;
теоретические положения и методика проектирования квазирезонансных высокочастотных преобразователей напряжения с переключением при нуле тока;
результаты исследований автогенераторного обратноходового высокочастотного преобразователя напряжения, позволившие совместить принцип резонансного переключения и режим самовозбуждения; полученные расчетные соотношения и разработанную методику проектирования при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах.
- семейство новых перспективных высокочастотных преобразователей электроэнергии для универсального применения.
Реализация результатов работы. Проведенные в работе исследования и полученные новые теоретические результаты легли в основу разработки в АОЗТ "ММП-Ирбис" ряда источников питания на выходные мощности от трех до ста пятидесяти ватт с высокими техническими характеристиками.
Разработанные источники питания выпускаются АОЗТ "ММП-Ирбис" серийно и применяются в разнообразной функциональной аппаратуре, разрабатываемой и выпускаемой более чем тремястами предприятиями России и СНГ.
Эффективность их использования подтверждена соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались на: заседание НТС кафедры "Электрооборудование ЛА", МАИ, 1991г.: отраслевом семинаре "Опыт разработки, внедрения в аппаратуру и освоение в серийном производстве унифицированных источников вторичного электропитания импульсного типа", Севастополь, 1987г.; отраслевом семинаре "Импульсные ИВЭ. Состояние и перспективы развития", Севастополь, 1989г.; Всесоюзной конференции по ИВЭП, Ленинград, 1990г.; семинаре Ассоциации "Электролита-
ниє" "Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки", Москва, J 991г.; целевом семинаре Ассоциации "Электропитание" "Элементная база для источников вторичного электропитания", Севастополь, 1992г.; Всероссийском совещании Ассоциации "Электропитание" и АО "ВТ и ПЭ" "Перспективы разработок и производства ИВЭ", Москва, 1994г.
Публикации. По результатам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 9 печатных работ и получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, иллюстрированного 46 рисунками на 33 страницах и списка литературы, включающего 114 источников на 12 страницах.
