Розглянуто базові схеми понижуючого, підвищує і инвертирующего перетворювачів постійної напруги в постійну з параметричної стабілізацією вихідної напруги. Проведено аналіз трьох способів управління силовими ключами перетворювачів при постійній тривалості періоду, закритого і відкритого станів ключа. Наведено структурні схеми систем управління, що реалізують ці способи. Отримані вирази і графіки відносних величин ВЧ і НЧ пульсацій на навантаженні від вхідної напруги. Показано, що найбільшу ефективність придушення вхідний НЧ пульсації, при інших рівних умовах, забезпечує спосіб стабілізації при постійній тривалості паузи, а два інших дають практично однакові результати. Наведено результати моделювання теоретичних розрахунків в пакеті прикладних програм OrCAD 9.2.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Буркин Е. Ю., Макаревич В. М., Свиридов В. В.


Область наук:
  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології
  • Рік видавництва: 2003
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Аналіз параметричних способів стабілізації напруги імпульсних перетворювачів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз параметричних способів стабілізації напруги імпульсних перетворювачів»

    ?СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Титов А.А. Нелінійні спотворення в потужній широкосмугового підсилювальної ступені з автоматичним регулюванням споживаного струму // Вісті вузів. Сер. Радіоелектроніка.

    - 2001. - № 11. - С. 71-77.

    2. Широкосмугові радиопередающие пристрої / Под ред. О.В. Алексєєва. - М .: Связь, 1978. - 304 с.

    3. Гоноровський І.С. Радіотехнічні ланцюги і сигнали. - М .: Радянське радіо, 1963. - 696 с.

    4. Радіоприймальні пристрої / Під загальною ред. В.І. Сіфорова.

    - М .: Радянське радіо, 1974. - 560 с.

    5. Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников В.С. Радіоприймальні пристрої / Под ред. Н.І. Чистякова. - М .: Державне вид-во літератури з питань зв'язку та радіо, 1959. - 895 с.

    6. Бронштейн І.М., Семендяев Е.А. Довідник з математики / Пер. з нім .; Під ред. Г. гріш і В. Циглера. - М .: Наука, 1980. - 976 с.

    7. Пєтухов В.М. Польові і високочастотні біполярні транзистори середньої та великої потужності та їхні зарубіжні аналоги: Довідник. В 4-х томах. Т. 3. - М .: Кубку-а, 1997. - 672 с.

    УДК 621.311.6

    АНАЛІЗ ПАРАМЕТРИЧНИХ СПОСОБОВ СТАБІЛІЗАЦІЇ напруги ІМПУЛЬСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

    Є.Ю. Буркин, В.Н. Макаревич, В.В. Свиридов

    Томський політехнічний університет E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто базові схеми понижуючого, підвищує і инвертирующего перетворювачів постійної напруги в постійну з параметричної стабілізацією вихідної напруги. Проведено аналіз трьох способів управління силовими ключами перетворювачів при постійній тривалості періоду, закритого і відкритого станів ключа. Наведено структурні схеми систем управління, що реалізують ці способи. Отримані вирази і графіки відносних величин ВЧ і НЧ пульсацій на навантаженні від вхідної напруги. Показано, що найбільшу ефективність придушення вхідний НЧ пульсації, при інших рівних умовах, забезпечує спосіб стабілізації при постійній тривалості паузи, а два інших дають практично однакові результати. Наведено результати моделювання теоретичних розрахунків в пакеті прикладних програм OrCAD 9.2.

    Вступ

    Імпульсні перетворювачі (ІП) напруги широко використовують в сучасних джерелах живлення. Потужний поштовх їх розвитку дала розробка високоякісних силових ключів - MOS і IGBT транзисторів. Відомі три базові схеми силової частини ІП (рис. 1, а-в). У першій з них вихідна напруга UH нижче вхідного UK, тому його називають знижувальним (ПН), у другій вихідна напруга вище вхідного (ПВ), а в третій має зворотну (інвертовану) полярність (ПІ). Кожна модифікація займає свою нішу в Типоряд джерел живлення. ПН-перетворювачі мають надзвичайно великий діапазон вихідних потужностей - від часток вата до тисяч кіловат, і використовуються, в основному, як регулятори - стабілізатори напруги або струму в приладових джерелах живлення, електротехнологічних установках і електроприводі. ПВ-перетворювачі застосовують в сучасних коректорах коефіцієнта потужності, що дозволяють отримати коефіцієнт потужності перетворювачів змінної напруги в постійне близький до одиниці. ПІ-пре-

    просвітників (їх називають також обратноходового-ми) з трансформаторним включенням дроселя Ьф широко використовують в джерелах живлення сучасних телевізорів і моніторів.

    Регулювання і стабілізація вихідних параметрів ІП здійснюється шляхом зміни співвідношення часу замкнутого (4) і разомкнутого (4) стану ключа К в схемах рис. 1. Система управління (СУ) ключем ІП являє собою широт-но-імпульсний модулятор (ШІМ), який за рахунок зворотних зв'язків відпрацьовує різні обурення, наприклад зміни струму навантаження або вхідної напруги. Як і в будь-який замкнутої системі автоматичного регулювання (САР) в СУ ІП повинні бути вирішені проблеми стійкості, якості перехідних процесів та інші, задані споживачем завдання. Вирішенню цих проблем присвячені багато публікацій [1-4, 8].

    У більшості випадків основним дестабілізуючим фактором в ІП є зміна вхідного напруги. Внаслідок дозованої передачі енергії джерела їх в навантаження є можливість такого управління регулюючим елементом - ключем К, при якому вихідна напря-

    а)

    --

    U

    вх

    Ф

    СУ

    до

    VD0

    У

    з

    ф

    Ri

    б)

    RH

    няющие її роботу. З приходом імпульсу генератора, що задає (ЗГ), RS-тригер (Т) переходить в стан, при якому підсилювач потужності (УМ) відмикає ключ K. Напруга Щ на вході LC-фільт-ра амплітудою Ux надходить на інтегратор (І), а з його виходу - на компаратор (КП) з фіксованим рівнем порівняння Un. У момент спрацьовування компаратора тригер Т змінює стан, ключ K закривається, а напруга на виході інтегратора скидається до нуля. Надалі процеси повторюються. Очевидно, що при цьому середнє значення UH = const незалежно від U ".

    T іф 'UBX | Ubx t

    U i J

    ,ІУМ tu t

    t »

    в)

    Мал. 1. Базові схеми імпульсних перетворювачів: а) понижуючого, б) підвищує, г) инвертирующего

    ються ІП не залежить від Um. Стабілізатори такого типу отримали назву параметричних, так як в даному випадку для стабілізації використовується нелінійність передавальної характеристики ВП.

    Способи управління регулюючим елементом

    Можливі три способи управління ключем K для реалізації необхідного закону керування: при постійній тривалості періоду T = tu + tn = const паузи tn = const і імпульсу tu = const. Передатна характеристика ПН-перетворювача в режимі безперервного струму дроселя Ьф має вигляд:

    U = UJUI (tu + tn) = UJJT. (1)

    Очевидно, що якщо при T = const встановлювати тривалість tu відкритого стану ключа K обернено пропорційно величині UK, напруга UH буде інваріантної до Ux. Той же ефект можна отримати, якщо залишати фіксованим вольтсе-кундний інтеграл (ВСИ):

    J = Uex tu = kUn = const. (2)

    На рис. 2 приведена структурна схема СУ, реалізує зазначений принцип і діаграми, пояс-

    а) б)

    Мал. 2. Структурна схема параметричної СУ а) і діаграми роботи б) ПН-перетворювача для режиму T = const

    Для пояснення способу стабілізації при t "= const наведемо рівняння (1) до виду:

    tu (U ^ -Uon) = tnU0n = kUn = const, (3)

    де Uon = const - опорна напруга.

    Якщо при фіксованій тривалості tn залишати незмінним ВСИ в лівій частині виразу (3), вихідна напруга UH = Un буде інваріантної до вхідного. Реалізація даного способу управління дуже проста (рис. 3), що підтверджується також практичними схемами, наведеними в [5, 6].

    Мм tu tu ~ t

    t »t»

    а) б)

    Мал. 3. Структурна схема параметричної СУ а) і діаграми роботи, б) ПН-перетворювача для режиму tn = const

    Більш складний в реалізації спосіб управління при tu = const (рис. 4). В даному випадку фіксований час tu відкритого станів ключа Kзада-ється одновібратором (ОВ). За цей час отримують нефиксированное значення ВСИ:

    J = tu (U-Uon), (4)

    після чого, протягом часу? ", інтегрується постійна величина ІОП. При / = 0 спрацьовує компаратор, запускається ОВ, і процеси повторюються. Тривалість паузи в цьому випадку 4 = // іж.

    ціум tn

    t

    t »

    а)

    б)

    J = kU ".

    (6)

    а потім, після приходу імпульсу ЗГ, формують імпульс тривалістю 4 = 1 / ІОП до виконання умови / = 0 (рис. 5). В даній схемі необхідно використовувати додатковий перемикач К1, що включає до входу інтегратора І по черзі напруги їх при відкритому стані силового ключа К і ІОП при закритому ключі До.

    ,івх ' !

    1 i

    lUy,

    t »- tn -

    а)

    б)

    Мал. 5. Структурна схема параметричної СУ а) і діаграми роботи б) ПВ-перетворювача для режиму T = const

    Для випадку tn = const (рис. 6) її тривалість задається одновібратором ОВ, а на вхід інтегратора І через ключ K1 надходить різниця напруги (Uon - Um). В кінці паузи ВСИ:

    J = (Uon-Uex) tn. (7)

    Під час tu інтегрується сигнал Ux і при J = 0 імпульс закінчується. Його тривалість:

    t, U,

    __U ex

    (8)

    а)

    б)

    Мал. 4. Структурна схема параметричної СУ а) і діаграми роботи б) ПН-перетворювача для режиму t = const

    Аналогічні умови інваріантності Ux і UH можна отримати і для двох інших базових схем ВП, рис. 1. Для ПВ-перетворювача:

    UH = (tu + tn) UeJtn = Uon. (5)

    При T = const за час 4 отримують нефіксований ВСИ

    Мал. 6. Структурна схема параметричної СУ а) і діаграми роботи б) ПВ-перетворювача для режиму tn = const

    Вираз (8) є умовою інваріантності UH = Uon від Ux для ПВ-перетворювача при 4 = const.

    Для режиму 4 = const необхідна тривалість:

    tuUx

    (9)

    (Uo "-Ux у

    Структурна схема СУ для реалізації такого алгоритму аналогічна схемі рис. 6, а. Необхідно тільки поміняти RS-входи тригера Т (або його виходи), щоб одновибратор ОВ задавав тривалість імпульсу, а не паузи (рис. 7).

    I І

    T S

    i R <-| ів

    а)

    (Uon-Ux) '

    б)

    Мал. 7. Структурна схема параметричної СУ а) і діаграми роботи, б) ПВ-перетворювача для режиму tu = const

    Для ПІ-перетворювача передавальна характеристика:

    Un = -UeXltn (10)

    одночасно є умовою рівності нулю за період вольтсекунд дроселя Ьф і визначає єдиний можливий спосіб параметричної стабілізації UH, а саме tn = const [4]. Слід підкреслити, що це твердження справедливе за умови безперервності струму дроселя Ьф, що зазвичай має місце. Тривалість імпульсу в такому режимі:

    t = (11) u U

    ex

    змінюється обернено пропорційно U «.

    і

    ЗГ

    |'ум

    \ УМ \

    СУ

    UBX

    .ГІОП

    К1

    | І |

    I.

    t

    1

    *

    1/1

    U t

    UyM

    I I I I

    t

    а) б)

    Мал. 8. Структурна схема параметричної СУ ПІ-перетворювача - а); діаграми роботи - б)

    На рис. 8 наведено структурну схему параметричної СУ для ПІ-перетворювача і діаграми її роботи. Під час формування 4 напруга івх через перемикач К1 надходить на вхід інтегратора І, а на його виході порівнюється компаратором КП з уставкой Цп. У момент порівняння цих напруг стан компаратора змінюється, ключ К1 підключає до входу інтегратора фіксоване значення напруги Цп. При зниженні сигналу на виході інтегратора до нуля, компаратор знову змінює свій стан. Від цього моменту до початку наступного періоду формується фіксований часовий інтервал П Надалі процеси повторюються. Вихідна напруга при такому алгоритмі не залежить від вхідного Uн = Uоn = const.

    Порівняння змін ВЧ пульсації

    При відсутності пульсацій напруги на вході ВП, на виході перетворювача є високочастотна (ВЧ) пульсація, обумовлена ​​імпульсним характером його роботи. Її абсолютна величина для схеми ПН-перетворювача в режимі безперервного струму Х ^:

    AUn

    (U -U) t2 + U t2

    У ex н J і н n

    8LC

    (12)

    0 nm

    ze -Yo

    ze (1 -Yo)

    Аналогічні залежності tn = const і tu = const мають вигляд:

    ZE (1 -YO) _ 1

    (14)

    для режимів

    про _ |

    nn

    onu _

    Z E -Yo ZE (ZE -Yo)

    1 -YO

    ZE ° m |

    (15)

    (16)

    На рис. 9 наведені графіки, побудовані за (14-16) при y0 = 0,5. Їх аналіз показує, що, за інших рівних умов, спосіб стабілізації при tu = const завжди програє, а два залишилися дають практично однакові результати за величиною ВЧ пульсації при роботі перетворювача з Y)>0,5.

    2 -

    1.5 -

    1 -

    0.5

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    Залежно від величини ін і номінального вхідного напруги Цх0 величина пульсації буде різною. Відносна величина пульсації:

    Аі ^

    = / (Уо,? Е (13)

    Аі п 0

    де 70 = Ц / Цй - початковий коефіцієнт заповнення, еб = і ^ і ^ - відносна зміна вхідної напруги, АЦп0 - величина пульсації при

    7 = Го.

    Для режиму параметричної стабілізації ПН-перетворювача при 7, = const з урахуванням (12, 13), отримаємо відносну величину ВЧ пульсації:

    Мал. 9. Залежність відносних величин ВЧ пульсації на навантаженні від вхідної напруги для ПН-перетворювача

    Отримані вирази дозволяють оцінити також динамічні властивості ПН-перетворювача, пов'язані з його здатністю пригнічувати НЧ складову - пульсацію вхідної напруги. Поява НЧ пульсації на виході ІП навіть при ідеальному функціонуванні наведених вище схем СУ пов'язано з інерційністю LCD-фільтра, а саме з кінцевим часом встановлення нового значення ВЧ пульсації, що визначається за виразами (14-16) при зміні Цх.

    Очевидно, що великі величини коефіцієнтів придушення вхідний пульсації будуть отримані при такому способі параметричної стабілізації, при якому встановлення нового значення ВЧ пульсації НЕ буде приводити до зміни

    і

    і

    п

    і

    0

    / ч

    X

    \ V >

    \ 4 \

    SEL>> 0V-

    A, \ A A

    V j \

    л r А / j у

    f

    r

    5ms

    ? про л V (L1: 2)

    ?А /

    7?

    ?

    W

    А /

    А /

    Мал. 10. Результати моделювання схеми (рис. 1, а) з використанням СУ (рис. 2-4). івх = 10 В / справ; ін = 1 В / справ; t = 0,2 мс / справ

    середнього струму дроселя фільтра Ьф, що еквівалентно умові сталості розмаху пульсації цього струму в процесі роботи.

    Придушення вхідних НЧ пульсації

    Відносні зміни пульсації струму ПН-перетворювача для розглянутих режимів:

    Zr (1 - Yo)

    ° In = 1

    = on

    Zr -Yo 1 -Yo

    = ОТГ

    (17)

    (18) (19)

    Вирази (17-19) дозволяють вибрати кращий параметричний спосіб управління силовим ключем ПН-перетворювача, що здійснює придушення вхідний пульсації. Очевидно, що найбільш ефективний алгоритм управління при tn = const, при якому теоретично вихідна НЧ пульсація повинна бути відсутнім. Наступними за паливною ефективністю придушення НЧ пульсацій є алгоритми управління силовим ключем при T = const і 4 = const, відповідно.

    Для перевірки проведених теоретичних розрахунків в пакеті прикладних програм OrCAD 9.2 була реалізована фізична модель схеми силової частини (рис. 1, а), що працює по алгоритмам СУ (рис. 2-4). Результати моделювання, наведені на рис. 10, повністю підтверджують проведені розрахунки.

    100V

    V (V1: +)

    1st

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Северінсен Р., Блум Г. Імпульсні перетворювачі постійної напруги для систем вторинного електроживлення: Пер. англ. - М .: Вища школа, 1988. - 294 с.

    2. Четто П. Проектування ключових джерел електроживлення: Пер. з англ. - М .: Вища школа, 1990. - 240 с.

    3. Бірзніекс Л.В. Імпульсні перетворювачі постійного струму. - М .: Енергія, 1974. - 256 с.

    4. Розанов Ю.К. Напівпровідникові перетворювачі з ланкою підвищеної частоти. - М .: Вища школа, 1987. - 184 с.

    5. А. с. 469965 СРСР. Тиристорний стабілізатор напруги /

    Б.А. Багінський В.Н.Макаревіч, Ю.А. Отрубянников. -Опубл. Бюлл. № 17, 1975.

    6. А. с. 560215 СРСР. Імпульсний стабілізатор постійної напруги / Б.А. Багінський, В.Н. Макаревич. - Опубл. Бюлл. № 20, 1977.

    7. А. с. 547756 СРСР. Імпульсний параметричний стабілізатор постійної напруги / Б.А. Багінський, В.Н. Макаревич. - Опубл. Бюлл. № 7, 1977.

    8. Arbetter B. and Maksimovic D. Feedforward Pulse Width Modulators for Switching power Converters // IEEE Trans. Power electron. - 1997. - V. 12. - № 2 (Mart) - Р. 56.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити