Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методы структурно-параметрического синтеза энергетически напряженных сложных функциональных блоков, систем на кристалле

Манжула В. Г.,

1.1 Способы построения преобразовательных элементов и методы импульсного регулирования напряжения

Выполнение требований по снижению материалоемкости, энергопотребления и трудоемкости при производстве и эксплуатации сетевых ИВЭП возможно только при использовании микроэлектронной базы, а также при переходе от преобразования напряжения на низких частотах к ее преобразованию на частотах десятки и сотни килогерц. Транзисторные преобразовательные устройства являются наиболее эффективными для осуществления всех процессов преобразования энергии мощностью до 1 кВт [1].

Как правило, в большинстве схем ИВЭП используются преобразователи постоянного напряжения, питающиеся от сетевого выпрямленного напряжения. Обычно такие преобразователи бывают необратимыми, однако иногда они включают в свой состав цепи рекуперации энергии, позволяющие повысить к.п.д. необратимых преобразователей [2]. Для одновременного подключения к нескольким источникам питания (например, с целью резервирования) применяют ИВЭП, имеющие многоканальный вход. Многоканальный выход используется для подключения потребителей различной энергии, отличающейся напряжением, полярностью, величиной и т.д. [З].

Широкое распространение получили две структуры построения сетевых ИВЭП на основе регулируемого и нерегулируемого конверторов. В первом случае (рис.1.1.а) ИВЭП состоит из сетевого выпрямителя СВ, регулируемого инвертора И, трансформаторно-выпрямительного узла ТВУ, высокочастотного фильтра ВФ, а также из устройства управления УУ, вырабатывающего импульсы определенной длительности и частоты. Во втором случае (рис.1.1.б) ИВЭП представляет собой последовательное соединение СВ, импульсного регулятора напряжения ИРН, узла ВФ и конвертора К, выполненного на основе нерегулируемого инвертора. Элемент УУ в этом случае вырабатывает импульсы как для элемента ИРН, так и для нерегулируемого инвертора.

.

Положительным качеством первой структуры является совмещение функций преобразования и стабилизации напряжения, что упрощает ИВЭП. Однако в этой структуре для получения требуемого коэффициента пульсаций выходного напряжения U_н при изменении величины нагрузки необходимо применение фильтра с увеличенными массогабаритными показателями [4] Во второй структуре выходной фильтр ИРН имеет пониженные массу и объем. Это обусловлено невысокими требованиями к выходному напряжению нерегулируемого инвертора [5]. Фильтр, расположенный на выходе ТВУ, также имеет низкие массу и объем ввиду того, что он осуществляет фильтрацию напряжения постоянной частоты и скважности [6,7].

К достоинствам второй структуры ИВЭП можно также отнести возможность построения N-канальной структуры с относительно низким выходным сопротивлением R_вых в каждом канале. Данное требование выполняется при использования дополнительно N-1 частично регулируемых конверторов, охваченных местной обратной связью (ОС) по изменению тока нагрузки. Другим способом получения низкого сопротивления R_вых является применение на выходе нерегулируемых конверторов, работающих при небольшом токе нагрузки, непрерывных интегральных стабилизаторов напряжения (ИСН). В этом случае конвертор, отдающий наибольший ток в нагрузку, необходимо охватить общей отрицательной обратной связью (ООО).

Многоячейковые (многозонные) структуры преобразователей (рис.1.2) находят применение при необходимости снижения массы выходных и входных фильтров, повышения быстродействия и функциональной надежности.

Каждая ячейка (Я) данной структуры представляет собой регулируемый или нерегулируемый преобразователь напряжения, питаемый частью входного напряжения. В таких структурах стабилизация постоянного выходного напряжения осуществляется путем частичной время-импульсной модуляции выходного импульсного напряжения в пределах одной зоны, глубина которой в целое число раз меньше выходного напряжения. Многоячейковые преобразователи могут использоваться при необходимости расширения диапазона изменения входного напряжения, без применения последовательного соединения силовых ключевых элементов. При этом удается повысить выходную мощность, не вводя параллельного соединения силовых ключей, а также увеличить частоту импульсного выходного напряжения без использования быстродействующих ключевых элементов. В данной структуре сохраняется высокий к.п.д. при изменении нагрузки и обеспечивается высокая надежность ИВЭП [8-12].

.

Очевидно, что в рассмотренной структуре заложена функциональная избыточность. Минимизация аппаратных затрат при реализации МВЭП на основе этой структуры достигается при использовании специализированных микросхем управления, одна из которых выполняет функции устройства управления, а на основе другой проектируются базовые ячейки. Таким образом, на основе специализированных микросхем управления для многоячейковых преобразователей создаются импульсные МВЭП с заданными эксплуатационными характеристиками.

Устройство управления (УУ) вырабатывает сигналы U₁, U₂, U₃ U₄, U₅ для коммутации ячеек в регулируемой части (РЧ). Эти сигналы являются функциями различных дестабилизирующих воздействий:

U₁₌f(ΔU_c), U₂=f(ΔU_p), U₃=f(P), U₄=f(ΔI_H), U_B=:f(ΔU_H), где ΔU_c, ΔU_p, ΔI_H, ΔU_H, - изменения напряжения сети U_c, напряжения регулирования U_p, выходного напряжения U_H и тока I_H, Р – сигнал отказа ячеек.

Общее число ячеек РЧ определяется выражением [13,14]:

, (1.1)

где , - относительные величины, соответствующие отклонению напряжения сети, изменению напряжения регулирования и точности стабилизации. Необходимое число ячеек для перекрытия всего диапазона изменения тока нагрузки определяется из выражения:

, (1.2)

где Р_нмакс, I_нмакс - максимальные мощность и ток в нагрузке; Р_я, I_я - мощность и ток на выходе одной ячейки. Вероятность безотказной работы ИВЭП с многоячейковым принципом построения определяется выражением:

(1,3)

(1,4)

где i -номер ячейки, j - число отказавших ячеек, N - число основных ячеек, Р - число резервных ячеек, G. - вероятность безотказной работы i-той ячейки. В качестве ячеек можно использовать преобразователи, построенные по структуре, приведенной на рис.1.1.а.

На современном этапе развития ИВЭП наиболее распространенным видом преобразования входного напряжения является широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Другие виды модуляции применяются сравнительно редко из-за сложности фильтрации модулированного напряжения [15]. В случае использования двуполярной ШИМ потребитель имеет лучший спектральный состав выходного напряжения. Однополярная ШИМ может быть реализована в простейших схемах инверторов, тогда как для реализации двуполярной ШИМ необходимо использование мостовой схемы или введение в силовой контур дополнительных ключей.

Неравномерная многократная ШИМ обеспечивает простоту фильтрации выходного напряжения, однако ее реализация затруднена необходимостью поддержания относительно стабильных некратных углов коммутации силовых транзисторов [16].

Для решения задачи стабилизации выходного напряжения существует несколько групп методов изменения формы выходного напряжения. Наиболее просто стабилизировать выходное напряжение путем изменения глубины модуляции, т.е. изменением длительности имеющихся импульсов или ступеней. Другой метод стабилизации заключается в изменении взаимного фазового сдвига двух или более суммируемых напряжений одинаковой формы. Он особенно удобен при построении преобразователя на основе нескольких преобразовательных ячеек. При дополнительной многократной импульсной модуляции в исходное выходное напряжение вводятся отрицательные или положительные дополнительные импульсы. Этот метод позволяет почти полностью сохранить спектральный состав выходного напряжения при его стабилизации, при этом габаритные размеры фильтра увеличатся незначительно [17-21].

При микроминиатюризации сетевых ИВЭП к основным задачам можно отнести улучшение энергетических параметров, уменьшение массогабаритных характеристик дискретных элементов, снижение их числа, а также повышение функциональной надежности. Структура МВЭП на рис.1.1.а позволяет во многом решить эти задачи. Такая структура может эффективно использоваться в качестве базовых ячеек универсальной многоячейковой структуры (рис.1.2). Использование специализированных микросхем для данных структур упрощает проектирование ИВЭП и снижает его сроки. В данном случае, наиболее приемлемым видом модуляции является однократная ШИМ, выходное напряжение в которой стабилизируется путем изменения глубины модуляции. Поэтому в дальнейшем изложении основное внимание будет уделено вопросам проектирования однотактного преобразователя ШИМ на базе специализированной полупроводниковой интегральной микросхемы.