Лекции 14-16 - Конспекты

ГЛАВА 8СПЕЦИАЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 8СОДЕРЖАНИЕ8.1 Высоковольтные источники электропитания ............................................. 38.1.1 Основные сведения о назначении .................................................................. –8.1.2 Структуры и особенности разработки ........................................................... 48.1.3 Основы модульного построения................................................................... 168.2 Устройства и системы импульсного электропитания .............................. 188.2.1 Общие сведения об импульсном электропитании ......................................... –8.2.2 Структура устройств импульсного электропитания ..................................

238.2.3 Импульсные модуляторы: классификация, требованияи известные структуры ......................................................................................... 258.2.4 Особенности построения устройств импульсного электропитанияв радиолокации ...................................................................................................... 488.2.5 Электромагнитные процессы в импульсноммодуляторе радиолокационного передающего устройства .................................

618.2.6 Зарядные устройства импульсных модуляторов ......................................... 708.3 Беспроводные источники электропитания ................................................ 762Электропитание РЭАГлава 88.1 Высоковольтные источники электропитания8.1.1 Основные сведения о назначенииДля большого числа радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) – устройствотображения информации, спектроскопии, капиллярного электрофореза, массспектрометрии,электростатическогораспыления,лазеров,передающихустройств и т. д.

– необходимы источники электропитания (ИЭП) с высокимуровнем выходного напряжения (от 1 до 100 кВ), которые могут работать врежимах с постоянным или импульсным выходным напряжением.Как правило, трудности при разработке высоковольтных ИЭП требуюткомплексногоподходакрешениюэнергетической,структурнойиконструкторско-технологической задач с учётом необходимости получениявысоких напряжений.

Это решение обычно сводится к максимальномууменьшению рассеиваемой мощности на всех элементах ИЭП, исключению илисведениекминимумуэлементов,неподдающихсяминиатюризации,обеспечению малых габаритов элементов и высокой плотности их компоновки.Основное внимание также уделяют вопросам обеспечения электрическойпрочности изоляции и уменьшения токов утечки, так как габариты и массавысоковольтных ИЭП, как правило, определяются не значением выходноймощности, а требованиями к обеспечению надёжной изоляции.Наиболее типовой пример использования высоковольтных ИЭП – этопередающие устройства на основе электровакуумных сверхвысокочастотных(СВЧ) приборов (ламп, клистронов, магнетронов, ламп бегущей волны,амплитронов и т.

д.). До недавнего времени они составляли значительную частьобъёма и массы приёмопередающей аппаратуры радиолокационных систем(РЛС), связных и телевизионных систем. Объяснялось это высокимитребованиями к качеству электроэнергии (в первую очередь, уровнямнестабильности, гармонических и субгармонических составляющих выходныхнапряжений). Для выполнения указанных требований традиционно применяли3Электропитание РЭАГлава 8решения на основе схем с непрерывной стабилизацией напряжения и сиспользованием громоздких низкочастотных фильтров.В настоящее время в передающей технике наблюдается тенденцияперехода от электровакуумных приборов к полностью твердотельным(полупроводниковым), то есть низковольтным.

В этой связи больше вниманиястали уделять проблемам разработки именно низковольтных ИЭП. Однако вряде приложений высоковольтные передающие устройства по-прежнему немогут быть заменены на низковольтные.В наши дни самым действенным способом улучшения характеристиквысоковольтных ИЭП является переход на импульсное преобразованиеэлектроэнергии. В этом случае упрощается управление ИЭП (регулированиевыходных параметров, обеспечение селективности включения и выключения,регулирование характеристик схем защиты и т. д.), но существенноусложняются схемотехнические решения и повышается уровень помех.8.1.2 Структуры и особенности разработкиБазовая схема импульсного высоковольтного ИЭП показана на рисунке8.1. Рассмотрим далее назначение каждого узла.А. Входной силовой каскадВходной силовой каскад выполняет функцию согласования параметровисточника входного напряжения Uвх с инвертором.

В общем случае параметрыисточника Uвх могут варьироваться в широком диапазоне. Так, частоприменяют сети переменного тока: частота 50-400 Гц, напряжение 115-380 В. Вкачестве источника Uвх также применяют источники постоянного тока нанапряжения 5-300 В.Таким образом, входной силовой каскад может выполнять рольвыпрямителя, фильтра и защиты в цепи переменного тока, а в цепи постоянноготока – функции защиты и фильтрации. Кроме того, входной силовой каскад4Электропитание РЭАГлава 8может брать на себя функции вспомогательных ИЭП, питающих цепи схемыуправления (СУ).На выходе силового входного каскада обычно имеет место постоянноенапряжение, которое, в свою очередь, является питающим для каскадаинвертора.

Последний преобразует постоянное напряжение в высокочастотноепеременное.Рисунок 8.1 – Типовая структура импульсного высоковольтного ИЭПБ. ИнверторНа сегодняшний день существует множество топологий построенияинвертора. Все они имеют те или иные преимущества и недостатки.Существенным недостатком классических топологий с "жёстким"переключением является высокий уровень электромагнитных помех (ЭМП),что ухудшает электромагнитную совместимость (ЭМС) РЭА с ИЭП. Какпоказывает практика, даже тщательный монтаж, экранирование и применениефильтров, приводящие к значительному увеличению массы и габаритов ИЭП,не избавляют выходное напряжение от помех.

Из-за малой длительностиимпульсов мощные инверторы сами являются источниками значительных ЭМПс широким спектром частот.Одна из особенностей, характерная для высоковольтных ИЭП – широкийдиапазон нагрузок. Частые спутники высокого напряжения – пробои изоляции5Электропитание РЭАГлава 8(искрение). Поэтому надёжность инвертора должна быть достаточно высокой сточки зрения любых возможных сочетаний холостой, короткозамкнутой цепи иработы под нагрузкой.Очевидно, все выше перечисленные особенности функционированияимпульсных высоковольтных ИЭП, включая также проблемы обеспечениявысокой надёжности, должны предусматриваться разработчиком в рамкахвыбора топологии инвертора.С целью уменьшения ЭМП в настоящее время применяют резонансныетопологии инверторов.Структура резонансного преобразователя напряжения (ПН) приведена нарисунке 8.2.

Особенностью ПН является наличие резонансного контура (РК), свыхода которого на вход высокочастотного трансформатора поступаетнапряжение синусоидальной формы. Благодаря этому снижается влияниепаразитных параметров компонентов схемы и, следовательно, уровень ЭМП.Рисунок 8.2 – Структура ПН высоковольтного ИЭППреимущества резонансных ИЭП над классическими импульсными ИЭПспрямоугольнойформойнапряжения(тока)иширотно-импульсноймодуляцией (ШИМ) следующие:- возможность переключения регулирующих транзисторов при нулевыхтоках и напряжениях, что приводит к снижению динамических потерь исущественному повышению коэффициента полезного действия (КПД) ИЭП;6Электропитание РЭАГлава 8- форма тока, близкая к синусоиде, позволяет сократить ширину спектра иослабить уровень ЭМП на 15-20 дБ по сравнению с ШИМ инверторами;- отсутствие больших импульсных токов, связанных с перезарядомпаразитной ёмкости вторичной обмотки высоковольтного трансформатора (этаёмкостьпересчитываетсячерезквадраткоэффициентатрансформациипараллельно ёмкости РК и не приводит к росту потерь в ключах инвертора);- облегчённый режим работы выпрямителя вследствие "мягкого"восстановления диодов;- работа с синусоидальным напряжением на выходе позволяет применитьэффективное подавление высокочастотных пульсаций путём многофазногосложения напряжений нескольких каналов;- наличие последовательного РК придаёт ПН свойства естественногоограничения тока, мягкость выходной характеристики и возможность ихпараллельной или последовательно работы на общую нагрузку для получениянеобходимых энергетических характеристик ИЭП;- возможность регулировки выходного напряжения путём изменениячастоты преобразования.Вариантыреализациирезонанснойтопологииинвертораввысоковольтном ИЭП показаны на рисунке 8.3.

В обоих вариантах вносимаяпаразитнаяёмкостьиндуктивностью.ВизолируетсяотдельныхпоследовательнослучаяхвносимаявключеннойёмкостьCrипоследовательная индуктивность Lr образуют РК. Этот вид схем носит названиепоследовательно-параллельной резонансной топологии. В других случаяхконденсатор и индуктивность могут быть включены последовательно, образуярезонансную топологию с последовательным распределением нагрузки.Оба этих варианта резонансной топологии имеют два существенныхотличия.

Параллельная топология более близка к источнику напряжения, в товремя как последовательная топология больше напоминает источник тока.7Электропитание РЭАГлава 8Каждая схема имеет свои достоинства, но параллельную топологию применяютв основном в маломощной РЭА, а последовательную – в мощной. Такаядифференциация схем по уровню мощности объясняется многими причинами,однако существует лишь несколько значимых факторов, из-за которых каждаяиз схем не может применяться в той области, где используется другая.а)б)Рисунок 8.3 – Резонансные топологии инверторов: однотактная (а) идвухтактная (б)Чтобы пояснить это, рассмотрим, что происходит с вносимой ёмкостьюпри коротком замыкании на выходе.