Разработка высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат технических наук Герасимов, Александр Алексеевич

• Герасимов, Александр Алексеевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Герасимов, Александр Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Сравнительный анализ новых структур высокочастотных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями

1Л. Классификация ВПН с уменьшенными коммутационными потерями

1.2. Резонансные ВПН

1.3. Квазирезонансные ВПН

1.4. ВПН класса Е

1.5. ВПН с резонансным переключением

1.6. Анализ влияния способов регулирования в ВПН на удельные характеристики

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. Квазирезонансный преобразователь напряжения с переключением при нуле тока

2.1. Анализ квазирезонансного преобразователя напряжения с переключением при нуле тока

2.2. Методика расчета преобразователя

2.3. Особенности управления квазирезонансным преобразователем напряжения с переключением при нуле тока

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Обратноходовой автогенераторный преобразователь напряжения с резонансным переключением

3.1. Принцип действия преобразователя и эквивалентные схемы

3.2. Анализ работы преобразователя

3.3. Методика расчета преобразователя

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Особенности проектирования высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН

4.1. Происхождение скин-эффекта, эффекта близости и родственных эффектов

4.2. Источники высокочастотных потерь

4.3. Вычисление высокочастотных потерь в проводниках

4.4. Анализ форм тока

4.5. Результаты расчета потерь

4.6. Гармонический анализ форм тока

4.7. Другие виды потерь

4.8. Методы снижения высокочастотных потерь в проводниках

4.9. Методика расчета трансформаторов ВПН

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Использование результатов исследования при разработке и промышленном производстве ВПН

5.1. Экспериментальные исследования разработанных модулей

5.2. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(А,Е)

5.3. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(А,Е)

5.4. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(А,Е)

5.5. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПК

5.6. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПВ(Е)

5.7. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПС

5.8. Основные технические характеристики модулей питания для монтажа на печатную плату серии МПК

5.9. . Основные технические характеристики зарядно-питающего устройства серии ЗПУ 12/1,

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с уменьшенными коммутационными потерями»

Современным генеральным направлением развития высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН), называемых также источниками вторичного электропитания (ИВЭП), 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 Л

Вт/дм или Вт/кг) помимо прочих является повышение частоты преобразования. Для эффективной реализации этого направления необходимо иметь соответствующие компоненты, такие как транзисторы, диоды, магнитные компоненты, конденсаторы, микросхемы, датчики токов и т.д. Кроме того, необходимо применение современных методов конструирования, в том числе и магнитных компонентов и последних достижений технологии производства.

В настоящее время на российском рынке появились необходимые современные отечественные и зарубежные 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.

Принимая во внимание, что широко применяемые сегодня традиционные ВПН имеют вполне определенный ограниченный диапазон рабочих частот и удельных мощностей, то 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, ограничения на параметры элементов, связанные с коммутационными процессами и т.п.) и выработать методики их проектирования, т.е. определить последовательность действий разработчика ВПН.

Основным сдерживающим фактором повышения частоты преобразования в традиционных ВПН с прямоугольной формой напряжения и тока является рост коммутационных потерь в полупроводниковых приборах. Стремление снизить коммутационные потери путем уменьшения длительностей фронтов токов и напряжений (применение более высокочастотных активных элементов, форсированное управление) приводит к увеличению как кондуктивных, так и излучаемых помех, создаваемых ВПН.

До последнего времени эти проблемы решались в основном путем формирования траекторий переключения силовых транзисторов и диодов. Формирующие цепи, обеспечивая задержку между спадом напряжения и фронтом тока транзистора при включении и спадом тока и фронтом напряжения при его выключении, значительно снижают коммутационные потери мощности.

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.

Все многообразие ВПН с резонансными контурами (ВПН-РК) можно разделить на четыре класса— резонансные ВПН, квазирезонансные ВПН, ВПН класса Е и ВПН с резонансным ("мягким") переключением.

В современных публикациях зарубежных и отечественных авторов подробно рассмотрены различные принципиальные схемы ВПН-РК и их принципы действия. Для многих из них получены регулировочные характеристики и определены режимы работы основных элементов. Необходимо отметить, 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 существенно затрудняет определение областей оптимального применения конкретных схем.

Промышленный выпуск больших партий ВПН невозможен без тщательного обоснования выбора их структур и оптимального расчета принципиальных электрических схем. В противном случае будет либо происходить недопустимо большой процент выхода бракованных изделий, либо устройства будут спроектированы с чрезмерно большими запасами, что повлечет завышение их массы и объема.

Исходя из изложенного, является актуальным определение на основе комплексного анализа свойств различных структур ВПН, наиболее полно соответствующих дальнейшему улучшению массо-объемных характеристик ВПН, для чего необходимо проведение углубленных исследований.

Целью настоящей 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, что:

- 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 ВПН, что позволило существенно снизить высокочастотные потери в дросселях и трансформаторах;

- создано новое поколение российских промышленных преобразователей электроэнергии с удельными мощностями до 1000 Вт/дм , высокими КПД и надежностью при низкой стоимости.

На защиту выносятся:

- 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:

- заседании 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 "Электропитание" "Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки", Москва, 1991г.;

- 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.

11

По результатам диссертации автором лично и в соавторстве опубликовано 9 печатных работ и получены патент на изобретение и свидетельство на полезную модель.

Заключение диссертации по теме «Силовая электроника», Герасимов, Александр Алексеевич

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3:

1. В результате исследования процессов в схеме автогенераторного обратно-ходового преобразователя напряжения удалось совместить принцип резонансного переключения транзистора и его работу в режиме самовозбуждения со стабилизацией выходного напряжения.

2. Созданы основы теории, получены расчетные соотношения и разработана методика проектирования преобразователя при минимизации потерь в силовых полупроводниковых приборах.

3. Показано, что предложенный способ совмещения режимов самовозбуждения и переключения при нуле напряжения легко реализуется в других автогенераторных схемах.

ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОМПОНЕНТОВ ВПН

Точное определение значения сопротивления обмоток переменному току является весьма актуальной задачей при проектировании высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН.

Все предшествующие работы отечественных и зарубежных ученых подтверждают тот факт, что сопротивление обмоток переменному току может быть значительно выше, чем сопротивление постоянному току, и что эффективное сопротивление обмоток при несинусоидальной форме тока также существенно превышает аналогичное при синусоидальной форме тока. Существует, по крайней мере, пять причин возникновения дополнительных потерь в обмотках высокочастотных электромагнитных компонентов ВПН.

4.1. ПРОИСХОЖДЕНИЕ СКИН-ЭФФЕКТА, ЭФФЕКТА БЛИЗОСТИ И РОДСТВЕННЫХ ЭФФЕКТОВ

Скин-эффект, являющийся частным случаем эффекта близости, базируется на генерации токов в проводниках под действием переменного магнитного поля.

Под действием магнитного поля, созданного вблизи проводника, на его поверхности возникают токи, генерирующие магнитное поле противоположное первоначальному, которое "вытесняет" ток из внутренней области проводника. Если проводник не имеет сопротивления (например, сверхпроводник), токи протекающие по поверхности не вызывают нагрева, и следовательно магнитное поле будет исключено из проводника.

При температурах выше нескольких десятков градусов по Кельвину все проводники имеют конечное сопротивление, но при этом и поверхностные токи имеют тенденцию к затуханию. Это позволяет магнитному полю проникать через поверхность проводника, вызывая протекание тока не только по поверхности. Так как магнитное поле проникает внутрь, то и большая зона проводимости становится доступной наведенным токам. Потери снижаются, и степень проникновения прогрессивно затухает. В конечном счете, наведенные токи будут рассеяны в виде тепла, и магнитное поле будет простираться по всему проводнику.

Скин-эффект —это "эффект близости" магнитного поля, вызванного током протекающим непосредственно в самом проводнике. В этом случае, вновь сгенерированный ток, следует за магнитным полем в проводнике, и, в конечном счете, распространяется по всему проводнику.

Переменный ток достаточно высокой частоты вызывает изменение направления тока, прежде чем полностью распространится в проводнике. Протекающий ток сохраняет концентрацию вблизи поверхности, по отношению к токам ниже поверхности, его задержка прогрессивно нарастает, а значение уменьшается, учитывая поверхностный ток.

Амплитуда синусоидального тока в толстом проводнике уменьшается экспоненциально от поверхности с фазовой задержкой в один радиан на "глубину скин-слоя". Глубина скин-слоя определяется, как расстояние ниже поверхности, где плотность тока падает на от значения на поверхности (£ -основание натурального логарифма). Из-за уменьшения зоны проникновения от времени, глубина скин-слоя изменяется обратнопропорционально квадратному корню от частоты.

Основной ток (среднее значение) в проводнике запаздывает от поверхностного тока, создавая феномен фазового опережения на 45 градусов. Интересно также обратить внимание, что на некоторой глубине в толстом проводнике ток протекает в направлении противоположном основному току.

Потери от эффекта близости и скин-эффекта всегда суммируются с потерями в проводнике. В обмотках магнитных компонентов, проводящих высокочастотные токи, потери в проводнике начинают заметно увеличиваться, когда толщина проводника обмотки становится соизмерима с глубиной скин-слоя высокочастотного тока.

Глубина скин-слоя в меди при температуре 100°С на частоте 20 кГц составляет 0,5 мм, уменьшаясь до 0,07 мм на 1 МГц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Герасимов, Александр Алексеевич, 1999 год

1. Скин-эффект, который вызывает концентрацию переменных токов вблизи поверхности проводника. Он является фундаментальным эффектом на высокой частоте, проявляющимся как в отдельном проводнике, так и в обмотках магнитных компонентов.

2. Концевой эффект возникает из-за неравномерности магнитного поля на концах обмоток трансформаторов и дросселей. Он вызывает увеличение потерь в зависимости от размеров обмотки, расположения и геометрии сердечника магни-топровода вблизи от концов обмотки.

3. ВЫЧИСЛЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ПОТЕРЬ В ПРОВОДНИКАХ

4. Скин-эффект и эффект близости, вызывающие потери в проводниках трансформаторов и дросселей на высоких частотах, являются наиболее поддающимися теоретическому вычислению.

5. Известен ряд работ, посвященных этой теме. Статья Доуэлла, рассматривающая потери при синусоидальной форме тока, лучшая фундаментальная работа и используется как основа для других форм тока.

6. Для упрощения расчета потерь, заменим круглый проводник на квадратный эквивалентного сечения и используем коэффициент г|, отражающий какую часть ширины обмотки занимают квадратные проводники. Например для проводника из фольги Г.=1.

7. Кг — коэффициент изменения сопротивления на переменном токе (далее коэффициент сопротивления);

8. К' — время фронта (нарастания и спада);1. Т — период;

9. Б- коэффициент заполнения (отношение времени импульса к периоду).

10. В трансформаторах и дросселях преобразователей работающих на высоких частотах используются следующие формы тока:

11. Однополярный прямоугольный импульс: используется в различных одно-тактных преобразователях. Анализ форм тока проведен при следующих условиях:

12. Коэффициент заполнения изменялся от 0,1 до 0,8;

13. Время фронта К > изменялось от 0,1% до 5% периода;

14. Число слоев обмотки изменялось от 1 до 10;

15. Высота проводника изменялась от 2 до 0,05 глубины скин-слоя.

16. Разнополярная прямоугольная форма, обычно используется в мостовых иполумостовых преобразователях. Эта форма анализировалась для случая при условиях, приведенных выше.

17. Однополярный синусоидальный импульс, используется в квазирезонансных преобразователях с переключением при нуле тока силового транзистора.

18. Однополярный треугольный импульс, используется в преобразователях с переключением при нуле напряжения. Рассматривался для коэффициентазаполнения 0,2 < И < 0,7 .

19. Однотактные преобразователи, как прямоходового так и обратноходового типов, имеют преимущества для работы на высокой частоте по ряду причин (см. Главу 1), поэтому им было уделено основное внимание.45. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ

20. Проведенные аналитические исследования позволяют привести основные результаты расчета потерь в следующем виде.

21. Для однослойной обмотки эквивалентная высота круглого проводника:к =