Лекции 9-10 - Конспекты

ГЛАВА 7.1ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 7.1СОДЕРЖАНИЕ7.1 Общие сведения об импульсных источниках электропитания................. 37.2 Принцип работы импульсных стабилизаторов ........................................... 97.3 Управление регулирующим элементом ......................................................

117.3.1 Общие сведения............................................................................................. —7.3.2 Широтно-импульсное регулирование .......................................................... 127.3.3 Частотно-импульсное регулирование .......................................................... 217.3.4 Релейные регулирование............................................................................... 227.3.5 Другие способы импульсного регулирования ............................................. 257.3.6 Обеспечение устойчивости стабилизации ...................................................

317.4 Дроссельные преобразователи напряжения .............................................. 377.4.1 Понижающий преобразователь (buck) ......................................................... —7.4.2 Повышающий преобразователь (boost)........................................................ 527.4.3 Понижающе-повышающие преобразователи (buck-boost) ......................... 587.4.4 Двунаправленные преобразователи (bidirectional) ...................................... 707.4.5 Методика расчёта силовой части преобразователей ...................................

757.5 Преобразователи напряжения с накачкой заряда (конденсаторные) .... 792Электропитание РЭАГлава 7.17.1 Общие сведения об импульсных источниках электропитанияСовременные источники электропитания (ИЭП) давно вышли за рамкиклассапростейшихобеспеченияустройствустойчивогорадиоэлектроннойсиловойэлектроники.функционированияаппаратуры(РЭА),иособенноНеобходимостьвысокойвнадёжностижёсткихусловияхэксплуатации, предопределила усложнение и интеллектуализацию ИЭП.Анализ тенденций развития средств электропитания РЭА показывает, чтов настоящее время всё больше внимания уделяют импульсным ИЭП.Напомним, что импульсные ИЭП содержат в своём составе компенсационныйстабилизатор с импульсным регулированием.Импульсные ИЭП в настоящее время получили распространение неменьшее, чем линейные ИЭП.Как уже отмечалось ранее, линейные ИЭП обычно имеют низкийкоэффициент полезного действия (КПД), значительные габариты и массу.Экономичность линейных ИЭП оказывается особенно низкой в случаеизменениявыходногонапряженияв широких пределах,так какнарегулирующем транзисторе, работающем в непрерывном режиме, рассеиваетсязначительная мощность.КПД стабилизирующих ИЭП повышается, если регулирующий элемент(РЭ) работает в ключевом (импульсном) режиме.

При этом за счёт увеличениячастоты переключения (до единиц МГц вместо 50 Гц) значительноуменьшаются массы и габариты трансформаторов и фильтров.Таким образом, благодаря применению ключевого режима работы РЭдаже при значительной разнице в уровнях входных и выходных напряженийможно получить КПД импульсного стабилизатора, равный 75-95%, в то времякак у непрерывных стабилизаторов он составляет 30-50%.В РЭ, работающем в ключевом режиме, средняя за период коммутациимощность, рассеиваемая в нём, значительно меньше, чем в непрерывномстабилизаторе. И хотя в замкнутом состоянии ток, протекающий через РЭ,3Электропитание РЭАГлава 7.1максимален, однако падение напряжения на нём близко к нулю, а вразомкнутом состоянии ток, протекающий через него, равен нулю, хотянапряжение максимально.

Таким образом, в обоих случаях рассеиваемая в РЭмощность незначительна и близка к нулю.Малые потери в РЭ приводят к уменьшению или даже исключениюохлаждающих радиаторов,что значительноулучшает массогабаритныепоказатели импульсных ИЭП.К недостаткам импульсных ИЭП относят наличие значительныхпульсацийвыходногосопротивление(тонапряжения,естьбольшоепадающаядинамическоевнешняявнутреннеехарактеристика)иэлектромагнитный шум. Это определяет их область применения, где требуютсямалая масса и габариты, но допускаются значительные пульсации напряжения.Структурная схема типового импульсного ИЭП с электропитанием отсети переменного тока приведена на рисунке 7.1Рисунок 7.1 – Типовая структура импульсного ИЭПВ1 – первый выпрямитель; СФ1 – первый сглаживающий фильтр; И – инвертор напряжения;ИТ – импульсный трансформатор; В2 – второй выпрямитель; СФ2 – второй сглаживающийфильтр; Uвых – напряжение на выходе ИЭПТрёхфазное напряжение питающей сети переменного тока подаётсянепосредственнонаВ1выпрямительбезиспользованиясиловоготрансформатора, который для частоты 50/400 Гц имеет значительные массу игабариты.

На выходе сглаживающего фильтра СФ1 создаётся постоянноенапряжение, которое вновь преобразуется в переменное с помощью инвертораИ.Полученноепеременноенапряжение4имеетчастоту,значительноЭлектропитание РЭАГлава 7.1превышающую 50 Гц (в настоящее время часто используют частоты от сотенкилогерц до единиц мегагерц). Затем напряжение передаётся через импульсныйтрансформатор ИТ (понижается или повышается до требуемого номинала),выпрямляется и фильтруется в В2 и СФ2 соответственно. Так кактрансформатор ИТ работает на повышенной частоте, то его масса и габариты, атакже масса и габариты сглаживающего фильтра СФ2 оказываются оченьнезначительными.

Инвертор И, трансформатор ИТ и выпрямитель В2 образуютконвертор – устройство для изменения уровня постоянного напряжения.Необходимо отметить, что в такой схеме инвертор выполняет рольпреобразователя и стабилизатора напряжения (система управления РЭинвертора на рисунке 7.1 не показана). В качестве РЭ в инверторе используютобычно транзисторы (биполярные или полевые).Как правило, в структуру импульсного ИЭП также дополнительновключают схемы защиты, сигнализации, индикации и т. д. (на рисунке 7.1 непоказаны).Примечательно, что в состав конвертора импульсный трансформатор ИТможет и не входить – в этом случае речь идёт о конверторе без гальваническойразвязки.ВобщемслучаелюбойимпульсныйИЭПвключаетвсебяпреобразователь напряжения (ПН).Наибольшее распространение в импульсных ИЭП получили индуктивныеПН, которые можно разделить на дроссельные (или автотрансформаторные) итрансформаторные.

Ёмкостные (конденсаторные) ПН в настоящее времянаходят ограниченное применение из-за малой мощности.Дроссельные ПН относят к разряду импульсных стабилизаторовнапряжения, которые делят на три группы: понижающие (buck), повышающие(boost)ипонижающе-повышающие(buck-boost).Особенностьютакихстабилизаторов является их гальваническая связь с питающей сетью.

По видуэнергии, потребляемой от источника входного напряжения и передаваемой в5Электропитание РЭАГлава 7.1нагрузку, дроссельные ПН различаются следующим образом: импульсноепотребление энергии от источника входного напряжения и непрерывнаяпередача энергии в нагрузку (понижающие), непрерывное потребление энергииот источника входного напряжения и импульсная передача энергии в нагрузку(повышающие), импульсное потребление энергии от источника входногонапряжения и импульсная передача энергии в нагрузку (понижающееповышающие).Также дроссельные ПН делят на однонаправленные и двунаправленные(инверсные, реверсивные, bidirectional).

Первые обеспечивают передачуполезной энергии только со входа на выход, а вторые дополнительно могутосуществлять передачу энергии с выхода на вход, то есть рекуперацию.Трансформаторные ПН не имеют гальванической связи с питающейсетью, однако их удельная мощность ниже, чем у дроссельных.Трансформаторные ПН также делят на однотактные и двухтактные.В однотактных ПН энергия передаётся на выход только в течение однойчасти периода преобразования. Если энергия передаётся при включенномсиловом ключе, то такой ПН называют прямоходовым (forward).

Если жеэнергия передаётся при выключенном силовом ключе, то ПН называютобратноходовым (flyback).Двухтактные ПН делят на двухфазные (push-pull), мостовые (full-bridge)и полумостовые (half-bridge). В двухтактных ПН используются обе частипериода преобразования. В отличие от однотактных двухтактные ПН работаютбез подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.Для электропитания РЭА широко используют, по крайней мере, три типаПН:- с преобразованием типа переменный ток/постоянный ток (AС-DСпреобразователи);- с преобразованием типа постоянный ток/постоянный ток (DC-DCконверторы);6Электропитание РЭАГлава 7.1- с преобразованием типа постоянный ток/переменный ток (DC-ACпреобразователи или инверторы);- с преобразованием типа переменный ток/переменный ток (AC-ACпреобразователи или частотные преобразователи);Каждый тип устройств имеет собственные определённые областиприменения.Следует отметить, что импульсные стабилизаторы, в отличие отлинейных, могут:- обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величиневходное напряжение;- инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжениястановится противоположной полярности входного напряжения).Импульсные ИЭП широко используют в современной РЭА (онизанимают практически 90% мирового рынка всех изготавливаемых ИЭП), вчастностивкомпьютерах,мобильныхтелефонах,промышленномоборудовании, телекоммуникационных системах, а также в специальныхрадиоэлектронных комплексах.Упоминания о некоторых видах импульсных ИЭП относят к 1940-м гг.