Исследование и разработка импульсных преобразователей напряжения с широтным регулированием с улучшенными динамическими и массогабаритными характеристиками

Актуальность темы

Из основных тенденций развития современных систем связи следует отметить с одной стороны внедрение новых технологий связи, с другой стороны разработку новых принципов энерго — и ресурсосберегающих методов генерирования электрических колебаний, усиления информационных сигналов и преобразования электрической энергии в системах электропитания. Современные устройства и системы связи резко ужесточают требования к качеству, надежности, экономичности, массогабаритным показателям, электромагнитной совместимости систем электропитания.

Решение проблемы энерго — и ресурсосбережений в устройствах электропитания (выпрямителях, преобразователях, инверторах и т. д.) осуществляется с помощью использования промежуточного звена высокой частоты — импульсных преобразователей напряжения и современной элементной базы: мощных транзисторов (MOSFET, IGBT), мощных ультрабыстрых диодов, магнитных материалов, конденсаторов и т. д.

Введение

звена высокой частоты в силовую часть таких источников питания позволяет, прежде всего, резко уменьшить размеры силового трансформатора и выходного сглаживающего фильтра. Кроме того, наличие в составе источника питания звена высокой частоты позволяет значительно более оперативно осуществлять регулирование выходных параметров, то есть значительно улучшить динамические свойства системы регулирования по сравнению с источниками питания, выполненными по схеме сетевой силовой трансформатор — регулируемый выпрямитель. Звено высокой частоты, представляющее нелинейное дискретное устройство, в основном и определяет характеристики источника питания.

В решении проблемы энерго — и ресурсосбережений устройств электропитания, которые занимают до 60 — 70% габаритов и веса всей системы, одно из важных мест занимает решение проблемы минимизации реактивных фильтрующих устройств и силового трансформатора, которые являются неотъемлемой частью устройств питания и занимают до 70 — 80% их габаритов и веса. В такой ситуации повышение эффективности устройств и систем питания сдерживается нерешенными проблемами снижения и минимизации массогабаритных характеристик сглаживающих фильтрующих цепей и согласующих силовых трансформаторов.

До появления мощных транзисторов (MOSFET, IGBT) в качестве звена высокой частоты в источниках питания мощностью от нескольких киловатт и выше, использовались тиристорные инверторы. Применение тиристоров в качестве ключевых элементов требовало установки большого числа реактивных коммутирующих элементовПомимо этого, недостатком тиристоров являлось невысокое быстродействие (частота переключения тиристоров, как правило, не превышала 20 кГц), что не позволяло существенно уменьшить габариты коммутирующих дросселей и конденсаторов схемы, а также размеры силового согласующего трансформатора и выходных фильтров.

Появление мощных транзисторов (MOSFET, IGBT) [1,2] позволило создать источники питания, в которых в качестве звена высокой частоты используется высокочастотный импульсный транзисторный преобразователь со значительно лучшими массогабаритными показателями и КПД, чем тиристорный инвертор.

В настоящее время, в таких источниках в качестве звена высокой частоты используют два типа импульсных транзисторных преобразователя: это либо резонансный инвертор напряжения (мостовой или полумостовой), либо инвертор напряжения или однотактные преобразователи с широтно-импульсным регулированием [9,10,21−23].

Одним из основных факторов, который влияет на КПД преобразователя, систему охлаждения усилительных приборов, а, следовательно, габариты всего устройства, является мощность потерь в силовых транзисторах преобразователя, которая складывается из двух видов потерь. Это коммутационные потери и потери от прямой проводимости транзистора. Потери от прямой проводимости можно уменьшить, используя IGBT с низким падением напряжения (у MOSFET — прибора падение напряжения, как правило, значительно выше). Коммутационные потери возрастают с ростом частоты. На частотах уже в несколько десятков килогерц они, как правило, соизмеримы или, превышают потери от прямой проводимости. Рост коммутационных потерь пропорционально частоте переключения конденсатора сдерживает возможность повышения частоты преобразования электрической энергии в ИПН и дальнейшее снижение габаритов и веса силовых согласующих трансформаторов и сглаживающих реактивных фильтров. У отечественных импульсных преобразователей частота коммутации транзисторов не превышает 20 — 40 кГц.

Коммутационные потери можно значительно уменьшить, а, следовательно, увеличить частоту коммутации транзисторов до нескольких сотен килогерц и уменьшить сглаживающие фильтрующие устройства и силовые согласующие трансформаторы за счет обеспечения «мягкой» коммутации силовых транзисторов, то есть коммутации силовых транзисторов либо при нулевом токе, либо при нулевом напряжении. В [12,13,16] предлагается использовать довольно сложные активные демпфирующие цепи (АДЦ), содержащие вспомогательный MOSFET транзистор, дроссель, два конденсатора, стабилитрон, два диода и вспомогательный импульсный трансформатор для осуществления мягкой коммутации транзисторов. Однако, такая АДЦ резко усложняет схему импульсного преобразователя напряжения и снижает надежность.

Поэтому актуальной проблемой является разработка демпфирующих устройств импульсного преобразователя напряжения с широким регулированием, которые обеспечивали бы «мягкую» коммутацию силовых.

— етранзисторов в широком диапазоне регулирования и стабилизации выходной мощности при незначительных потерях в них и простоте их реализации.

До недавнего времени при проектировании многозвенных сглаживающих фильтров для импульсных преобразователей напряжения использовались, в основном, приближенные методы расчета, разработанные для фильтра, состоящего из идентичных звеньев (равнозвенных фильтров). Все возрастающие требования к статическим (стабильности выходных характеристик под действием различных возмущающих воздействий, величине низкочастотных и высокочастотных пульсаций) и динамическим характеристикам (перерегулированию и длительности переходных процессов) современных устройств питания, а также, к их технико-экономическим показателям требуют комплексного подхода к решению задачи проектирования СФ на основании строгих методов теории анализа, синтеза и оптимизации электрических цепей. В последнее время указанный подход довольно четко обозначился в ряде работ и требует дальнейшего исследования и разработки. Применение глубоко разработанной классической теории синтеза частотных LC — фильтров при проектировании СФ позволит учесть весь спектр требований, включая требования к параметрам переходного режима, стабильности характеристик, к энергетическим и массогабаритным показателям.

В настоящее время задача минимизации массогабаритных показателей (МГП) фильтров нижних частот (ФНЧ), фильтров верхних частот (ФВЧ) и полосовых фильтров (ППФ) для многих радиопередающих и других радиотехнических устройств успешно решалась в большинстве случаев на основе энергетической теории электрических цепей с применением аппарата энергетических функций.

Указанный подход целесообразно развить и для минимизации массогабаритных показателей СФ импульсных источников питания.

Современные импульсные преобразователи напряжения относятся, как отмечалось, к нелинейным дискретным системам автоматического регулирования. Одной из основных проблем при проектировании таких систем является обеспечение заданных динамических характеристик преобразователя, которые характеризуются следующими основными показателями:

— устойчивостью работы;

— качеством динамических (переходных) процессов при различных возмущающих воздействиях (изменение входного напряжения, изменение тока нагрузки, включение и выключение системы);

— степенью подавления входных низкочастотных пульсаций, т. е. фильтрующими свойствами импульсного преобразователя в области низких частот.

Устойчивость работы импульсного преобразователя напряжения обычно оценивается запасом устойчивости по фазе и по модулю, а качество переходного процесса — величиной и временем максимального перерегулирования, а также временем переходного процесса.

Для улучшения качества динамических процессов при различных возмущающих воздействиях, т. е. обеспечения малой величины перерегулирования (для современных цифровых систем связи величина перерегулирования ограничивается очень жесткими нормами: ±2%), малой длительности переходных процессов до десятков микросекунд, снижения низкочастотных пульсаций до десятков единиц милливольт, стабильности выходных характеристик до единиц долей процента при обеспечении устойчивой работы ИПН, необходимо исследовать устойчивость работы и динамические характеристики ИПН с однозвенными и двухзвенными фильтрами и максимально плоскими характеристиками Баттерворта, равноволновыми характеристиками Чебышева или характеристиками равнозвенных фильтровс различным ослаблением фильтров в полосе задерживанияразличными контурами обратной связиразличными коэффициентами усиления усилителя постоянного тока в цепи обратной связи. Эти исследования необходимо осуществить при работе ИПН в режиме номинальной нагрузки, режиме холостого хода и короткого замыкания и скачкообразного изменения нагрузки в заданных пределах и определить оптимальную структуру и параметры ИПН.

Решению всех этих актуальных проблем и посвящена диссертационная работа.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является решение проблемы улучшения динамических характеристик и минимизации массы и габаритов реактивных сглаживающих фильтров и согласующих выходных трансформаторов импульсных преобразователей напряжения путем комплексного подхода, т. е. путем разработки и исследования устройств, обеспечивающих «мягкую» коммутацию транзистора и тем самым повышение частоты коммутации транзистора до нескольких сотен килогерцминимизации массогабаритных характеристик реактивных сглаживающих фильтров при заданных к ним требованияхисследования и определения структуры и параметров ИПН с наилучшими динамическими и статическими характеристиками.

Для достижения этой цели в диссертации решаются следующие основные задачи:

1. Разработка демпфирующего устройства, обеспечивающего «мягкую» коммутацию силового транзистора ИПН, т. е. включение и выключение транзистора при нулевом напряжении.

2. Моделирование и определение оптимальных параметров демпфирующего устройства.

3. Теоретическое исследование энергетических функций реактивных сглаживающих фильтров.

— //4. Разработка методики синтеза реактивных сглаживающих фильтров ИПН с минимальной реактивной энергией, массой и габаритами.

5. Исследование устойчивости и динамических характеристик ИПН, представляющего собой нелинейное дискретное устройство.

Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частности теоремы Телледжена, современного синтеза электрических цепей, теории нелинейных дискретных систем.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. В работе получены новые научные результаты в разработке и исследовании методов снижения коммутационных потерь в транзисторах импульсных преобразователей напряжения с широтным регулированиемв исследовании энергетических функций реактивных сглаживающих фильтров ИПН, на основании которых разработаны методы анализа и синтеза реактивных сглаживающих фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками и потерямив исследовании устойчивости и динамических процессов ИПН с широтным регулированием с однозвенными и двухзвенными фильтрами с максимально плоскими характеристиками Баттерворта, равноволновыми характеристиками Чебышева и с характеристиками равнозвенных фильтровс различными контурами обратной связиразличным ослаблением фильтровразличными коэффициентами усиления усилителя постоянного тока в цепи обратной связи и на их основе проведено решение важной научно-технической проблемы — разработка импульсных преобразователей напряжения с ШИМ с улучшенными динамическими и массогабаритными характеристиками.

В диссертационной работе защищаются следующие основные научные положения:

1. Проведенный анализ демпфирующего устройства, позволяющего осуществить «мягкую» коммутацию силовых транзисторов ИПН и увеличить частоту коммутации транзисторов до нескольких сотен килогерц. Этот позволило существенно уменьшить габариты и вес силового согласующего трансформатора и сглаживающего фильтра.

2. Полученные выражения для энергетических функций сглаживающих фильтров ИПН, определяющих реактивную энергию, массу и габаритные характеристики СФ. Доказательство того, что энергетические функции СФ определяются передаточными входными функциями и групповым временем задержки фильтра и не зависят от структуры фильтра.

3. Доказанные положения, что при заданных требованиях к затуханию сглаживающего фильтра или коэффициента фильтрации при минимуме массогабаритных показателей требуется примерно один и тот же порядок равнозвенных или классических фильтров Баттерворта, Чебышева, Золотарева-Кауэра. При этом массогабаритные показатели фильтров Золотарева-Кауэра в 2 раза меньше, чем у полиномиальных фильтров (фильтров Баттерворта, Чебышева).

4. Проведенный сравнительный анализ устойчивости и динамических характеристик импульсного преобразователя напряжения с однозвенным и двухзвенным фильтрами с максимально плоскими характеристиками Баттерворта, равноволновыми характеристиками Чебышева и характеристиками равнозвенных фильтровс различными контурами обратной связиразличным ослаблением фильтров, различными коэффициентами усиления усилителя постоянного тока в цепи обратной связи при работе ИПН на номинальную нагрузку, в режиме холостого хода, короткого замыкания и при скачкообразном изменении нагрузки в заданных пределах.

5. Полученный результат, что по совокупности массогабаритный показателей, частотных и динамических характеристик предпочтение следует отдать ИПН с ШИМ с однозвенным Чебышевским фильтром и двухконтурной обратной связью по выходному напряжению и току конденсатора фильтра.

6. Найденная структура обратной связи и параметров выходного сглаживающего фильтра ИПН с ШИМ, при которых величина перерегулирования по напряжению на всех элементах не превышает 2% при всех режимах работы.

7. Полученные характеристики импульсных преобразователей напряжения с ШИМ с демпфирующим устройством.

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования послужили основой для разработки импульсных преобразователей напряжения с ШИМ с частотой коммутации транзисторов в несколько сотен килогерц (тогда как в отечественных аналогах частота коммутации составляет 20−40 кГц). Это позволило существенно улучшить динамические характеристики и массогабаритные показатели ИПН.

Основные научные положения диссертации служат методической базой для создания нового курса по теории электрических цепей, а также для курсового и дипломного проектирования на кафедре ТЭЦ.

Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и практические результаты диссертации использовались в научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПб ГУТ по отраслевой программе фундаментальных исследований шифр — «Аспект».

Предложенное устройство снижения коммутационных потерь в транзисторах ИПН с ШИМ, методы синтеза сглаживающих фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками, результаты исследований устойчивости работы ИПН и результаты исследований методов улучшения динамических характеристик внедрены в преобразователе постоянного напряжения 60 В в постоянное напряжение 48 В для телефонной станции «Коралл» и в выпрямителе для станции катодной защиты аппаратуры связи от электрохимической коррозии.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры ТЭЦ СПб ГУТ, а также научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича (2000 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 4 статьи и 3 научных доклада. Значительная часть результатов диссертации отражена в отчетах НИР госбюджетных работ, проводимых кафедрой ТЭЦ ГУТ им. проф. М.А.Бонч-Бруевича в период 2000 — 2001 г (шифр «Аспект ГУТ СПб») по договору с НТУ Минсвязи России № 190−054 «Исследование и разработка новых методов высокоэффективного усиления мощности радиотехнических сигналов» по программе «Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосберегающих технологий».

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, включающего 76 наименований. Диссертация содержит 131 страницу текста, 10 рисунков и 20 таблиц.

Выводы.

1. Экспериментальные исследования ИПН с ШИМ в составе преобразователя постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня для телефонной станции «Коралл» и в составе выпрямителя для станции катодной защиты подтвердили: справедливость полученных результатов синтеза сглаживающих фильтров с минимальными массогабаритными показателямиисследования устойчивости работы ИПН, как нелинейного дискретного устройства с многоконтурными обратными связями и результаты исследования динамических характеристик.

2. Создание транзисторных импульсных источников питания, в которых в качестве звена высокой частоты используется исследованный ИПН с ШИМ с предложенными пассивными демпфирующими цепями, с найденной структурой и параметрами сглаживающих фильтров и контуров обратной связи, их сравнение с отечественными разработками подтвердило перспективность использования таких ИПН.

Заключение

.

Диссертационная работа направлена на решение проблемы минимизации массы и габаритов реактивных сглаживающих фильтров и силовых согласующих трансформаторов, улучшение динамических и статических характеристик ИПН с ШИМ путем комплексного подхода:

— к исследованию и разработке устройств, снижающих коммутационные потери при переключении транзисторов;

— к разработке метода синтеза реактивных сглаживающих фильтров с минимальными массогабаритными характеристиками при заданных к ним требованиям по коэффициенту фильтрации;

— к исследованию и определению структуры и параметров ИПН с улучшенными динамическими и статическими характеристиками.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

1. Предложено пассивное демпфирующее устройство, позволяющее снизить коммутационные потери в транзисторах при их переключении, и тем самым повысить частоту коммутации транзисторов до нескольких сотен килогерц.

2. Проведено исследование и определение оптимальных параметров демпфирующего устройства.

3. Получены выражения для энергетических функций реактивных сглаживающих фильтров ИПН с ШИМ, определяющих реактивную энергию, массу и габаритные характеристики СФ.

4. Доказано, что энергетические функции СФ определяются передаточными входными функциями и групповым временем задержки и не зависят от структуры фильтра.

5. Показано, что при заданных требованиях к затуханию сглаживающего фильтра или коэффициента фильтрации при минимуме массогабаритных показателей, требуется примерно один и тот же порядок равнозвенных или классических фильтров Баттерворта, Чебышева, Золотарева-Кауэра. При этом энергетические функции и массогабаритные показатели фильтров Золотарева-Кауэра в 2 раза меньше, чем у полиномиальных фильтров (фильтров Баттерворта, Чебышева).

6. Проведено исследование устойчивости и динамических характеристик ИПН с ШИМ с однозвенным и двухзвенным фильтрами с максимально плоскими характеристиками Баттерворта, равноволновыми характеристиками Чебышева и характеристиками равнозвенных фильтровс различными контурами обратной связиразличным ослаблением фильтровразличными коэффициентами усиления усилителя постоянного тока в цепи обратной связи при работе ИПН на номинальную нагрузку, в режиме холостого хода, короткого замыкания и при скачкообразном изменении нагрузки в заданных пределах.

7. Показано, что по совокупности массогабаритных показателей, частотных и динамических характеристик, предпочтение следует отдать ИПН с однозвенным Чебышевским фильтром и двухконтурной обратной связью по выходному напряжению и по току конденсатора фильтра.

8. Найдена структура обратной связи и параметры выходного сглаживающего фильтра ИПН, при которых величина перерегулирования во время переходных процессов при всех режимах работы не превышает 2%, а коэффициент стабилизации Кст = 60 дБ при запасе устойчивости по фазе Аф = 70°.

9. Установлено, что для устранения перерегулирования по току транзистора ИПН, току входного дросселя фильтра при включении ИПН, необходимо обязательно использовать режим плавного запуска или режим ограничения тока транзистора.

10.Выявлен основной недостаток ИПН с двухзвенным фильтром, заключающийся в возникновении больших перенапряжений (до 100% и более) на конденсаторах первого и второго звена фильтра при отключении нагрузки. Показано, что для снижения этих перенапряжений необходимо значительно увеличить емкости конденсаторов первого и второго звена фильтра. При этом пропадает основное преимущество двухзвенных фильтров перед однозвенными в меньшем произведении L^C^ при одинаковом ослаблении фильтров.

11.Экспериментальные исследования ИПН с ТТТИМ в составе преобразователя постоянного напряжения одного уровня (60 В) в постоянное напряжение другого уровня (48 В) для телефонной станции «Коралл» и в составе выпрямителя для станции катодной защиты аппаратуры связи и трубопроводов от электрохимической коррозии подтвердили справедливость:

— используемого метода анализа ИПН, являющегося нелинейным дискретным устройством, — метода линеаризации и усреднения уравнений переменных состояния (токов в индуктивностях и напряжений в емкостях) выходного фильтра для различных этапов работы;

— полученных результатов синтеза сглаживающих фильтров с минимальными массогабаритными показателями;

— результатов исследования устойчивости работы ИПН, динамических и статических характеристик.

12.Создание источников питания, в которых в качестве звена высокой частоты используется исследованный ИПН с предложенными пассивными демпфирующими цепями, с найденной структурой и параметрами сглаживающих фильтров и контуров обратной связи, и их сравнение с отечественными разработками подтвердило перспективность использования таких ИПН.