Обзор структурных схем ИВЭП

     Крупногабаритными, наиболее материалоемкими и трудно поддающимися микроминиатюризации  элементами являются дроссели и трансформаторы. В схемах ИВЭП необходимо стремиться к минимизации их числа. В схеме ИВЭП рисунка 2.4 для двойного преобразования энергии требуются два силовых каскада с принципиально необходимыми индуктивными элементами. 

     Блочное наращивание выходной мощности требуется  для построения различных систем электропитания, которые должны выполняться на базе однотипных, унифицированных ИВЭП. В этом случае разработка и изготовление ИВЭП, питающих электронную аппаратуру, целесообразно при использовании однотипных блоков с возможностью параллельного соединения для получения требуемой суммарной выходной мощности. В итоге возможно получение экономического эффекта. В этом случае одной из основных целей разработки ИВЭП является выбор дискретного значения мощности единичного блока, который должен удовлетворять всем технико-экономическим требованиям имеющихся систем электропитания. Другим преимуществом блочных (многофазных) преобразователей является уменьшение суммарной емкости конденсаторов выходных фильтров, что объясняется распределением во времени процессов переноса энергии на выход отдельных силовых каскадов. Кроме того, многофазные преобразователи позволяют реализовать различные варианты сложных систем электропитания, состоящие их одинаковых унифицированных блоков. 

     На  рисунке 2.6 приведена схема ИВЭП, содержащего нерегулируемый сетевой выпрямитель 1 и конвертор выпрямленного напряжения сети. Конвертор состоит из регулируемого инвертора 2, работающего на повышенной частоте (обычно 20…100 кГц), трансформаторного выпрямительного узла 3 и высокочастотного фильтра 4. Для стабилизации выходного напряжения используется схема управления 5. 

     Рисунок 2.6 - Структурная схема импульсного  ИВЭП с регулируемым инвертором 

     В схеме управления сравнивается выходное напряжение Uн и напряжение опорного источника 6. Разность этих напряжений, называется сигналом ошибки, используется для регулировки частоты регулируемого инвертора (f = var) или скважности импульсов при их неизменной частоте (g = var) . Конвертор, выполненный на базе однотактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным однотактным конвертором - ТОК. Конвертор, выполненный на базе двухтактного трансформаторного инвертора, называют трансформаторным двухтактным конвертором - ТДК. 

     На  рисунке 2.7 приведена схема ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем 1 и нерегулируемым инвертором 2. Остальные узлы этой схемы имеют то же назначение, что и предыдущих схемах. Отличительной особенностью этой структурной схемы является использование нерегулируемого инвертора (НИ). Стабилизация выходного напряжения в этой схеме обеспечивается за счет регулирования напряжения на входе конвертора с помощью 1, который обычно выполняется на тиристорах с фазовым управлением.  

     Рисунок 2.7 - Структурная схемы импульсного  ИВЭП с регулируемым сетевым выпрямителем 

     Для схемы, приведенной на рисунке 2.6 характерным является то, что инвертор должен быть рассчитан на работу от выпрямленного напряжения сети, которое имеет максимальное значение около 311В для однофазной сети и около 530 В для трехфазной сети. Кроме того, изменение частоты или скважности импульсов инвертора 2 приводит к ухудшению фильтрации выходного напряжения. В результате ухудшаются массогабаритные показатели фильтра 4, так как его параметры рассчитываются исходя из минимального коэффициента заполнения импульсов g min при условии непрерывности тока в нагрузке. 

     Положительными  свойствами схемы рисунка 2.7 является совмещение функции преобразования напряжения и стабилизации выходного  напряжения Uн. Это позволяет упростить  схему управления 5, так как уменьшается  число управляемых ключей. Кроме того, наличие паузы позволяет устранить сквозные токи в ключах инвертора. Достоинством схемы является также возможность обеспечить работу инвертора при пониженном входном напряжении (обычно его снижают в 1,5…2 раза, то есть до 130…200В). Это существенно облегчает работу ключей транзисторного инвертора. Другим достоинством этой схемы является то, что инвертор работает с максимальным коэффициентом заполнения g max импульсов, что существенно упрощает фильтрацию выходного напряжения. Исследование кпд и удельной мощности обоих схем показало, что эти показатели у них отличаются незначительно. 

     Схемы многоканальных ИВЭП с нерегулируемым выпрямителем 1 приведены на рисунках 2.8 и 2.9. В схеме на рисунке 2.8, используется нерегулируемый инвертор 2 и индивидуальные стабилизаторы 5…7 , в отдельных каналах. Такая структурная схема может использоваться при небольшом количестве выходных каналов. При увеличении числа выходных каналов схема становится неэкономичной. 

     Рисунок 2.8 - Структурная схема многоканального ИВЭП с индивидуальной стабилизацией 

     Схема, изображенная на рисунке 2.9, работает на принципе групповой стабилизации выходного  напряжения. Для этого в ней  применяется регулируемый инвертор, который управляется напряжением  наиболее мощного из каналов. Стабилизация выходных напряжений в других каналах в этом случае ухудшается, так они не охвачены отрицательной обратной связью. Для улучшения стабилизации напряжения в других каналах, можно использовать дополнительные индивидуальные стабилизаторы, так же, как в схеме рисунка 2.8. 

     Рисунок 2.9 - Структурная схема ИВЭП с групповой  стабилизацией

     2 Структурная схема ИВЭП с активным  корректором мощности (ККМ) 

     Коэффициентом мощности Км называется отношение активной мощности Р переменного или пульсирующего  тока, измеренной ваттметром, к кажущейся (полной) мощности S, определяемой как произведение действующих значений напряжения U и тока I, измеренных вольтметром и амперметром:

      (2.1)

     При резистивной нагрузке Р = U × I, т.е. имеет  место предельное значение

     KM max=1. При синусоидальной форме тока и напряжения P=U I cosj , поэтому в соответствии с (2.1), KM = cosj , где j -сдвиг фазы между напряжением и током в сети.

     В 1992 г. Международная электротехническая комиссия (МЭК) ввела стандарт IEC-555-2, содержащий требования к допустимому уровню вносимых в сеть переменного тока высших гармоник, шумов и колебаний напряжения для всех электронных приборов. При этом обеспечение требуемого значения KM обязательно для любого электрооборудования, потребляющего от сети мощность более 300Вт и имеющего на выходе сетевого выпрямителя емкостный фильтр, в том числе для электробытовых приборов, микропроцессоров и компьютеров, медицинского электронного оборудования, электронной контрольно-поверочной аппаратуры и лабораторных источников электропитания.

     Вступающий  в действие новый стандарт МЭК IEC-1000-3-2 (вместо IEC-555-2) значительно ужесточает требования к нормам на коэффициент  мощности потребителей энергии. Придерживаться этого стандарта должны все производители  изделий, которые выходят на международный рынок. В связи с этим задача улучшения качества потребляемой мощности становится весьма актуальной для разработчиков источников питания. Хорошо известны многие потребители, которые значительно снижают значения KM. К их числу относятся лампы дневного света с индуктивным балластом, импульсные источники питания с емкостным фильтром на входе, асинхронные двигатели и др. Для повышения коэффициента мощности таких потребителей в настоящее время используют пассивные и активные корректоры коэффициента мощности.

     Упрощенная  схема импульсного источника  питания приведена на рисунке 2.10, а. Эта схема состоит из сетевого выпрямителя, конденсатора фильтра С и высокочастотного конвертора (DC/DC) . Выходное напряжение конвертора поступает на нагрузку Rн. При синусоидальном напряжении сети Uc выходное напряжение выпрямителя Uв и ток, потребляемый от сети, имеет пульсирующую форму. Как видно из временной диаграммы, приведенной на рисунке 2.10, б - форма тока, потребляемого из сети, имеет вид узкого импульса большой амплитуды и малой длительности. 

     Рисунок 2.10 - Упрощенная схема импульсного  источника питания (а);

     диаграммы напряжения и тока (б) 

     При такой форме импульсов тока их спектр оказывается очень широким  и содержит большое число гармоник. В результате коэффициент мощности источника питания составляет 0,5…0,7. Повысить коэффициент мощности можно при помощи пассивной коррекции, однако такая схема должна включать индуктивности, которые на частоте 50Гц будут иметь большие габариты и массу. Кроме того, такая схема потребует изменение индуктивности (подстройку) при изменении тока нагрузки. Все это показывает нецелесообразность применения пассивных корректоров мощности для импульсных источников питания.

     Активные  корректоры коэффициента мощности. Для работы с импульсными источниками питания фирмы Mikro Linear в 1989 году разработала первую микросхему ML4812 управления активным корректором. Позднее к разработке аналогичных схем подключились такие крупные фирмы, как Simens, Unitrode и Motorola. В результате этих разработок появилось большое количество схем управления импульсными источниками питания, совмещенными с корректорами коэффициента мощности. 

     3 Элементная база для ИВЭП

     Постоянная  тенденция улучшения технико-экономических показателей ИВЭП заставляет искать новые пути и методы преобразования электрической энергии. Одним из таких путей является увеличение частоты преобразования. Однако увеличение частоты преобразования ограничивается возможностями существующей элементной базы, наиболее важными компонентами которой являются мощные высоковольтные транзисторы, мощные высоковольтные тиристоры, мощные сильноточные выпрямительные диоды, энергоемкие и высокочастотные конденсаторы, сердечники (магнитопроводы) трансформаторов и дросселей, микросхемы, предназначенные для управления, контроля и диагностики работы ИВЭП. В связи с этим усовершенствование элементной базы должно идти по пути улучшения её частотных свойств, энергетических и эксплуатационных характеристик при учёте воздействия целого ряда факторов. 

     Процесс преобразования и регулирования  электрической энергии в ИВЭП характеризуется наличием в его  цепях и элементах как установившихся, так и нестационарных электрических  режимов, вследствие которых силовые  приборы могут подвергаться значительному превышению коммутируемых токов, напряжений и мощностей относительно установившихся режимов. Поэтому в процессе разработки ИВЭП выбор той или иной элементной базы необходимо проводить с учетом режимов работы в соответствии с ее основными электрическими и теплофизическими параметрами, оговоренными в нормативно-технической документации. 

     Основными, наиболее ответственными элементами ИВЭП являются мощные переключающие транзисторы  преобразователей. Опыт показал, что  большая часть из общего числа причин отказов ИВЭП приходится на долю мощных транзисторных ключей. По этой причине характеристики и предельные электрические возможности мощных транзисторных ключей являются определяющим критерием в повышении удельных показателей и надежности ИВЭП. Особо следует отметить высоковольтные транзисторы, применяемые в ИВЭП с бестрансформаторным входом. 

     В настоящее время наибольшее распространение  получили кремниевые высоковольтные планарные  диффузионные биполярные транзисторы, обладающие хорошими частотными характеристиками. Статические потери в этих транзисторах ничтожны; частота их переключения ограничивается динамическими потерями. Они зависят, как от тока и переключаемого напряжения, так и от траектории перемещения рабочей точки, характеризующей мгновенные значения мощности в моменты переключения (при рабочей частоте всего нескольких килогерц они во много раз превышают статические потери). 

     Для всех биполярных транзисторов характерна инерционность, обусловленная временем рассасывания неосновных носителей, накопленных в базе, что резко ограничивает частоту переключения. Это явление заметно усиливается с увеличением рабочего тока. Для обеспечения надежной работы транзисторов их режимы должны выбираться исходя из области безопасной работы (ОБР). На рисунке 2.11 приведена типичная кривая ОБР биполярного транзистора (сплошная линия). Как видно из рисунка, ОБР биполярных транзисторов резко ограничивается вторичным пробоем. 

     Рисунок 2.11 - Кривая ОБР биполярного (сплошная линия) и мощного полевого (пунктирная) транзисторов 

     Вместе  с тем следует отметить, что  при проектировании ИВЭП на мощных высоковольтных биполярных транзисторах необходимо учитывать зависимость  коэффициента передачи по току и быстродействие транзистора от протекающего тока, а также эффект вытеснения тока к его периферии при выключении и центру кристалла полупроводника при включении, создающий большие плотности тока и локальные перегревы в узких областях структуры транзистора.