Введение к работе
Актуальность темы. В большинстве стран действуют законы, предписывающие обязательное использование корректоров коэффициента мощности (costp) и гармонического состава потребляемого тока на входе импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭП) с выходной мощностью свыше 300 Вт, а в США и Канаде - свыше 75 Вт..
Повышение требований к форме потребляемого тока объясняется не столько стремлением улучшить электромагнитную совместимость промышленной сети, сколько требованиями пожаробезопасное. Эти требования вызваны негативными последствиями существенно нелинейного тока потребления импульсных ИВЭП от сети, что приводит к увеличению тока в нейтральном проводе до величины, превышающей действующие значения токов в линейных проводах.
Несмотря на то, что в России нет закона об обязательном использовании корректоров коэффициента мощности, именно случаи возгорания явились причиной отказа ЗАО "Связь инжиниринг"—генерального поставщика стоек бесперебойного электропитания сотовой сети связи БИ ЛАЙН, от ранее применяемых блоков питания и выработать требования для АОЗТ "ММП - ИРБИС" на разработку нового поколения AC/DC ИВЭП с корректором коэффициента мощности на входе и рядом необходимых функциональных особенностей.
Функционально разработанный ИВЭП состоит из двух законченных узлов: корректора коэффициента мощности и преобразователя постоянного напряжения в постоянное.
Источники бесперебойного электропитания с необслуживаемыми аккумуляторными батареями широко используются в стационарных и локальных системах электропитания.
Резкое увеличение производства источников бесперебойного электропитания обусловлено непрерывно возрастающим выпуском средств вычислительной техники и телекоммуникационных систем связи. Кроме того, в связи с практически повсеместным принятием концепции построения распределенных систем электропитания, . в которых источники бесперебойного электропитания создают промс-
жуточную шину постоянного тока для локальных DC/DC преобразователей, рост их потребности происходит в еще большей степени.
Источники бесперебойного электропитания являются материало- и электроемкими устройствами. Поэтому, удельные массо-объемные характеристики источников бесперебойного электропитания во многом определяют эксплуатационные показатели стационарных и локальных систем электропитания, в составе которых они функционируют.
Повышение удельных массо-объемпых характеристик источников бесперебойного электропитания традиционно достигается увеличением частоты коммутации преобразователей электроэнергии до желаемых единиц мегагерц. Это, в свою очередь, требует решения специфических конструктивных и технических проблем, связанных с отказом от объемных конструкций, использованием плоских реактивных компонентов, печатных плат на металлической основе и технологии поверхностного монтажа.
Однако, эти мероприятия позволяют только уменьшить перегрев компонентов и конструкции благодаря организации эффективного отвода рассеиваемой мощности потерь. При этом сами потери возрастают с увеличением частоты коммутации преобразователей электроэнергии. Особенно резко возрастают коммутационные потери.
Теории и нракшке создания современных микроэлсктронных, надежных, экономичных и с высокими эксплуатационными характеристиками сетевых пре-обрачопатедей дли стационарных и локальных систем электропитания1 уделяется большое внимание, что отражается в периодических изданиях, монографиях, материалах конференций и семинаров и т.п.
Решение данной научно-практической проблемы на основе применения более современной элементной базы, создания новых перспективных схемотехнических и конструктивно-технологических решений является актуальным и на сегодняшний день.
Цель работы заключается в создании нового поколения высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения сети для стационарных и локальных
систем электропитания на основе теоретического анализа, моделирования и разработки высокоэффективных преобразователей электроэнергии и экспериментальных исследований.
Основные задачи, решенные в работе для выполнения поставленной цели: » проведены теоретический анализ, моделирование и экспериментальная проверка предельных возможностей и оптимальных сочетаний основных технических показателей повышающих преобразователей (регуляторов) постоянного напряжения в постоянное;
на основе анализа патентной ситуации в области уменьшения влияния
коммутационных потерь на суммарные тепловые потери в преобразовате
лях электроэнергии, разработана схема, без активных элементов, позво
ляющая выделить с помощью реактивных элементов всю энергию комму
тационных потерь, возникающих в преобразователях, преобразовать ее в
однополярную, аккумулировать в реактивном накопителе электроэнергии
и затем передать в нагрузку;
исследованы процессы переключения и установившийся режим работы полумостового высокочастотного преобразователя напряжения (ВПН) с резонансным переключением; получены необходимые расчетные соотношения и разработана методика его проектирования;
выполнена энергетическая оптимизация полумостового ВПН с резонансным переключением;
выработаны рекомендации по выбору элементов полумостового ВПН с
резонансным переключением;
" проведена экспериментальная проверка 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, использованием различных способов решения одной и той же задачи, схемотехническим моделировани-
ем, а также экспериментальными исслелованиями разработанных преобразователей.
Научная новизна результатов разработки высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения для стационарных и локальных систем электропитания заключается в следующем:
» сформулированы и получены условно оптимальные сочетания основных технических показателей повышающих преобразователей постоянного напряжения в постоянное; " предложена новая индуктивно-емкостно-диодная цепь транзита энергии всех видов коммутационных потерь в нагрузку для повышающего, понижающего и инвертирующего преобразователей постоянного напряжения в постоянное;
получены аналитические соотношения, описывающие резонансные про
цессы переключения и установившийся режим работы плумостового вы
сокочастотного преобразователя напряжения с резонансным переключе
нием;
определены условно оптимальные условия энергетической оптимизации
полумостового высокочастотного преобразователя напряжения с резо
нансным переключением.
Практическая ценность работы состоит в том, что;
" получены расчетные аналитические выражения для выбора условно оптимальных номиналов основных элементов повышающего преобразователя;
разработана модель предложенной индуктивно-емкостно-диодной цепи
транзита энергии коммутационных потерь в повышающем преобразовате
ле, позволяющая по заданным условиям выбрать параметры элементов
схемы
разработана методика расчета параметров основных элементов полумос
тового высокочастотного преобразователя напряжения с резонансным пе
реключением;
получены расчетные соотношения для выбора условно оптимальных па
раметров основных элементов полумостового преобразователя напряже
ния с резонансным переключением;
" разработанные и выпускаемые серийно преобразователи для стационарных и локальных систем электропитания, выполненные на основе предложенных моделей и расчетных соотношений, подтвердили правильность теоретических предложений, принятых в диссертации.
Оеношилечтложення, защиту:
разработка более эффективных высокочастотных преобразователей с уменьшенными статическими и коммутационными потерями в элементах силовой части устройства;
" новая инлуктивпо-емкосшо-диолная цепь транзита энергии всех видов коммутационных потерь в нагрузку для повышающего преобразователя;
полученные аналитические соотношения расчета резонансных и электромагнитных процессов в полумостовом высокочастотном преобразователе с резонансным переключением;
полученные оптимальные условия энергетической оптимизации полумостового высокочастотного преобразователя с резонансным переключением;
" оригинальные устройствг для стационарных и локальных систем электропитания, выпускаемые серийно.
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в АОЗТ «ММП-Ирбис» при разработке, испытаниях и производстве высокочастотных преобразователей напряжения на выходные мощности от 300 до 1200 Вт для источников и стационарных и локальных систем бесперебойного электропитания. Разработанные источники питания выпускаются АО "ММП-Ирбис" серийно и применяются в разнообразной функциональной аппаратуре, разрабатываемой и выпускаемой более чем двадцатью предприятиями России и СНГ. Эффективность их использования подтверждена соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные ее результаты докладывались автором и обсуждались на: конференции молодых специалистов
НИИ радиокомпонентов Москва, 1983г.; семинаре Ассоциации "Электропитание" "Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки", Москва, 1991г.; целевом семинаре Ассоциации "Электропитание" "Элементная база для источников вторичного электропитания", Севастополь, 1992г.; научно-технической конференции «Электротехнические комплексы автономных объектов. Наука, производство, образование (ЭКАО-99)», МЭИ, Москва, 1999г.
Публикации. По результатам днесерзацнн лично и к соавторстве опубликовано 10 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из впедення, пяти глав и заключения, изложенных на 124 страницах машинописного текста, иллюстрированного 85 рисунками на 58 страницах, списка литературы, включающего 101 источник на 10 страницах.
