Силовая электроника №1'2009

Эволюция импульсных источников питания: от прошлого к будущему. Часть 2

Саркис Эраносян
Владимир Ланцов

Авторы продолжают анализ истории развития импульсных источников питания. Анализируются особенности нового класса импульсных источников питания, начиная с 1970 годов. Рассмотрены первые источники питания, построенные на основе высокочастотных транзисторных преобразователей напряжения с питанием от выпрямленного сетевого напряжения. Этот класс источников питания, динамично развиваясь, постепенно стал доминировать на мировом рынке средств вторичного электропитания. Подчеркивается, что постоянное улучшение параметров блоков питания в части массо-габаритных показателей, экономичности и надежности есть результат успешного решения многих научно-технических проблем развития силовой электроники. Среди них важнейшими являются непрерывное развитие компонентной базы и совершенствование технологии изготовления источников питания.


Все статьи цикла:

Совершенствование компонентной базы на рубеже 1970–1980 гг

В этот период появились кремниевые мезапланарные переключательные NPN-транзисторы повышенной мощности. У таких транзисторов были увеличенные значения предельных параметров: UCE0 до 80–200 В, IC до 8–15 А и PC (Ptot) — до 40–60 Вт. Другие параметры транзисторов также были на приемлемом уровне. В частности, h21E —статический коэффициент усиления транзисторов по току (в схеме с общим эмиттером — ОЭ) был равен 10–50. Кроме того, было повышено быстродействие транзисторов: время включения/выключения (спада) составляло (ton/toff) 0,1–0,3 мкс, время рассасывания ts — 0,75–3 мкс. Наряду с более совершенными транзисторами, за рубежом стали выпускаться и быстродействующие диоды, у которых время восстановления обратного сопротивления (trr) было 0,3–0,5 мкс. Среди отечественных транзисторов указанного вида отметим транзисторы типа 2Т803 (КТ803), 2Т808 (КТ808), 2Т903(КТ903), 2Т908(КТ908), 2Т926(КТ926), 2Т945(КТ945). Приведем для примера основные параметры для ряда транзисторов:

  • транзистор 2Т808А (КТ808): UCE0 = 120–130 В (допустимое напряжение в импульсе UCESM до 250 В, при коэффициенте заполнения не более 0,15), IC = 10 А, напряжение насыщения коллектор-эмиттер UCE sat = 1–2, 5 В (IC = 5 А, IB = 1 А), постоянная рассеиваемая мощность Pc до 50 Вт (с теплоотводом) при Тк≤ 50 °С;
  • транзистор 2Т945А (КТ945А): UCE0 = 150–200 В, IC = 15 А, IC.ИМП = 25 А, UCE sat = 1–2,5 В, PC до 50 Вт, при Тк ≤ 50 °С, время рассасывания ts = 0, 75–1,1 мкс.

На таких транзисторах можно было разрабатывать более мощные (до 100–150 Вт) импульсные стабилизаторы с повышенным выходным напряжением до 60 В и рабочей частотой коммутации силовых транзисторов до 15–30 кГц. Надо отметить, что с 1968 по 1975 год формировалась и оттачивалась теория ключевых (импульсных) транзисторных стабилизаторов (КСН) постоянного напряжения. Причем подчеркнем приоритет наших отечественных ученых и разработчиков КСН во многих аспектах развития теории и практики данного класса ИВЭ. Развитие схемотехники ключевых стабилизаторов происходило по мере развития компонентной базы. Эти силовые структуры различались как конфигурацией силового ключа (СК) по отношению к нагрузке (последовательный/параллельный), так и по типу системы регулирования выходного напряжения КСН. Применялись разные способы модуляции СК: ШИМ, ЧИМ, комбинированные системы, наконец, релейный тип регулирования, в том числе и его разновидность — стабилизация выходного напряжения с устанавливаемой частотой автоколебаний релейного элемента. Оптимальный выбор вида модуляции ключа обосновывался как стремлением получить максимальный КПД стабилизатора, так и желанием упростить его схему управления. В ряде случаев одновременно сохранялась устойчивая работа стабилизатора при широких изменениях входного питающего напряжения и нагрузки, вплоть до холостого хода. Это обеспечивало улучшение статических и динамических параметров стабилизаторов, а также повышало надежность работы КСН, в том числе и при возникновении перегрузок по току, которые могли быть обусловлены спецификой работы функциональных узлов. Например, когда КСН предназначался для питания устройств памяти цифровых вычислительных систем РЭА. По мере внедрения новых типов силовых транзисторов, более мощных и высокочастотных, повышался КПД силовой части стабилизатора. Если у транзистора 2Т908А были параметры h21E ≥ 10, напряжение насыщения UCE sat ≤ 0,8 В (при IC =10 А, IB = 1,2 А), то в новых разработках транзисторов, например, у 2Т935А, уже h21E ≥ 25, UCE sat ≤ 0,5 В (при IC = 10 А, IB = 0,7 А). Из этих данных следует, что суммарные потери в силовом ключе только в статике снижаются ≈ 1,6 раза.

К сожалению, в то время в Советском Союзе была большая проблема с выпуском кремниевых быстродействующих диодов средней мощности. Долгое время разработчикам приходилось применять среднечастотный диод типа 2Д206 (А, Б, В) с допустимым напряжением 400–600 В, на ток 5 А, пользуясь тем, что в его ТУ указывалось, что его можно использовать и на более высоких рабочих частотах. При расчете потерь мощности в этом случае учитывались такие параметры, как длительность импульса прямого и обратного тока, напряжение на диоде прямое (импульсное и установившееся) и обратное, а также частота работы.

Пытаясь разрешить проблему коммутирующего диода, разработчики применяли различные нетрадиционные решения. Так, например, для стабилизатора с низким выходным напряжением 5(6) В и токах нагрузки до 5 А использовалось параллельное соединение германиевых импульсных плоскостных диодов типа Д310. Эти диоды имели следующие параметры: максимальное обратное напряжение URRM = 20 В, максимальный прямой ток IFAV = 0,5 А (в импульсе IFSM = 0,8 А), trr ≤ 0,3 мкс. Авторам встречались разработки КСН, в которых в качестве замыкающего (нулевого) диода применялись быстродействующие транзисторы в диодном включении. Естественно, что в этом случае напряжение на таком «квазидиоде» не должно было превышать допустимого обратного напряжения перехода база-эмиттер.

Одновременно с силовой частью стабилизатора совершенствовались схемы управления и защиты по току. Эти схемы прошли эволюцию от простых структур с управляемым блокинг-генератором (триггером Шмитта, ждущим мультивибратором и т. п.) до комбинированных схем на основе монолитных интегральных усилителей постоянного тока. Это были операционные усилители (ОУ) типа μА702 (1964 г.) и μА709 (1965 г.) [1]. Усилитель μА709 стал классическим и выпускался огромными тиражами: например, в 1970 т. ежегодный мировой выпуск оценивался на уровне 20 млн шт. Применение ОУ упростило схемы управления импульсных КСН и преобразователей напряжения, в первую очередь это коснулось схемы усилителя обратной связи. Кроме того, появилась возможность на основе ОУ выполнять некоторые функциональные узлы: генераторы импульсов, компараторы напряжения и таймеры. Серийное освоение отечественного интегрального ОУ типа 1УТ401А (тема ОКР «Исток») произошло в 1974 году. Общее стремление разработчиков было направлено на упрощение схем управления и уменьшение тока потребления от первичного источника энергии.

Читателю может показаться странным детальное изложение вопросов по истории развития импульсных стабилизаторов. Однако авторы уверены, что именно на этом этапе развития транзисторной ключевой электроники был заложен необходимый фундамент научной и схемной эрудиции специалистов. Благодаря этому стал возможен качественный переход к новому классу транзисторных высокочастотных преобразователей с питанием от выпрямленного сетевого напряжения. Именно в период с 1969 по 1974 год был накоплен большой опыт работы с силовыми транзисторами в ключевом режиме. При этом детально изучались особенности работы транзисторов при высоких частотах коммутации от единиц килогерц до 10–15 кГц. Стало очевидным, что надо уменьшать не только потери в статическом режиме работы транзистора (снижать напряжение насыщения), но и уменьшать его динамические потери. Последнее обстоятельство тесно связано с величиной времени рассасывания избыточных (неосновных) носителей, которые накапливаются в базе биполярного транзистора. Для повышения надежности работы СК, особенно в переходных режимах, например, заряд конденсатора нагрузки импульсным током или скачок входного питающего напряжения, надо осуществить электронную защиту от перегрузки по току силового транзистора, чтобы предотвратить его повреждение. Это необходимо именно для транзисторного СК, в то время как при использовании магнитных ключей в силовой части КСН достаточно было, чтобы при срабатывании защиты по току контактором отключать питающее входное напряжение стабилизатора.

Наконец, необходимо подчеркнуть, что к концу 1974 года возникло устойчивое ощущение о предельных параметрах КСН. Речь идет о том, что в структуре силового контура стабилизатора, а именно: силовой сетевой трансформатор (СТ) → низковольтный вы- прямитель (НВ) →сглаживающий фильтр → КСН, самыми консервативными являются первые три звена. Они остаются неизменными независимо от схемы стабилизатора, его рабочей частоты и используемой компонентной базы. Особенно это стало очевидным после разработки ряда унифицированных ИВЭ, построенных на основе применения КСН для аппаратуры морского базирования в одном из московских НИИ. При сетевом питающем напряжении 220 В, 400 Гц были получены высокие для того времени удельные показатели pv = 15÷25 Вт/дм3. Как следует из предыдущего соображения, обязательность в этом типе ИВЭ сетевого трансформатора становится непреодолимым и объективным препятствием для значительного уменьшения объема и массы источников электропитания. Завершая тему применения КСН в импульсных ИВЭ, отметим большой вклад в теорию и практику их применения отечественных специалистов по средствам электропитания [2–7]. Среди них — Е. С. Грейвер, А. Г. Виленкин, А. И. Гинзбург, В. А. Горбенко, В. А. Головацкий, Э. М. Ромаш, А. А. Бокуняев и др. Отметим, что в 1979 году ведущий специалист по средствам электропитания В. Г. Простаков вместе с одним из авторов предложил оригинальную схему упрощения релейных стабилизаторов. В этой схеме обеспечивалась принудительная установка частоты автоколебаний релейного элемента в номинальном режиме работы стабилизатора [8].

Однако дальнейшее развитие КСН привело ведущих разработчиков ИВЭ к тому, что есть предел их улучшения, и бесперспективно продолжать работы в этом направлении, в частности для сетевых импульсных ИВЭ. Кардинальные перемены буквально находились «на кончике пера» у лучших специалистов и проектировщиков ИВЭ. Далее будет показано, как новые идеи претворялись в жизнь. На транзисторах с повышенным напряжением UCE0, например, типа КТ808 (или на транзисторе 2N3739), выполнялись, в частности, импульсные ИВЭ по структуре, близкой к современной [9]. То есть такая структура включала в себя: сетевой выпрямитель →низкочастотный фильтр → понижающий ключевой стабилизатор напряжения (ПКСН) →высокочастотный преобразователь с силовым трансформатором (СТ) →низковольтный выпрямитель во вторичной обмотке СТ→выходной фильтр. На выходе предварительного регулятора ПКСН поддерживалось постоянное напряжение U0 = 100–120В. Это позволяло использовать, например, двухтактный нерегулируемый преобразователь, работающий на частоте переключения 20 кГц. В нерегулируемом преобразователе при входном напряжении U0 = 100–120 В можно было применить транзисторы с напряжением UCE0 = 250–320 В. Конечно, такие структуры в дальнейшем из-за сложности, связанной с двойным преобразованием энергии, не получили широкого развития.

Отметим одну важную особенность, характерную для развития полупроводниковых и других компонентов в Советском Союзе. Дело в том, что в СССР новые перспективные компоненты разрабатывались в первую очередь для аппаратуры военного назначения. Такие компоненты при их выпуске в дополнение к приемке ОТК (приемка «1») подвергались приемке представителя заказчика (приемка «5...9»). В условиях тотального дефицита материалов и компонентов разработчикам приходилось постоянно согласовывать возможность применения компонентов и материалов именно для того типа аппаратуры специального назначения, в которую встраивались ИВЭ. При этом надо было так обосновывать использование нового компонента (транзистора, диода, конденсатора, материала магнитопровода, изоляционной прокладки из окиси бериллия и т. д.), чтобы специалисты профильных подразделений ЦНИИ 22 МО (Министерства обороны) просто «вынуждены» были давать разрешение на применение. Конечно, все это создавало большие проблемы для всех разработчиков, в том числе и для тех, которые проектировали импульсные ИВЭ.

На Западе все было иначе. Сначала, как правило, создавались компоненты для применения в коммерческой и промышленной аппаратуре, а затем самые удачные и надежные компоненты доводились для использования в аппаратуре военного назначения, то есть до уровня Military стандартов. Это было логично, поскольку «общедоступные» компоненты проходили не только испытания на серийном заводе, но также имели значительный опыт эксплуатации в конкретной аппаратуре широкого (массового) потребления.

Еще одно уточнение. В СССР, в отличие от Запада, развитие электронных и других компонентов для источников питания происходило по остаточному принципу (стояло на втором плане), по сравнению с усилиями по продвижению цифровой и аналоговой микроэлектроники. Следует подчеркнуть, что только в США разработкой изделий электронной техники занималось около десятка фирм (Solitron, Delco, Westinghouse El., International Rectifier, Motorola, IXYS, National Semiconductor, Cherry Semiconductor, Lambda Semic., Linear Technology, Micro Linear, Siliconix, Silicon General, Texas Instruments, Unitrode и др.). В Европе тоже было несколько крупных компаний (SGS — Thomson Microelectronics, Siemens, Philips Semiconductors, SEMIKRON и др.).

Несмотря на это, все же для нужд ВПК в СССР разрабатывалось много новых компонентов. Конечно, номенклатура новых компонентов, по сравнению с их зарубежным разнообразием, была весьма ограничена. Однако она позволяла создавать в то время такие компоненты, с помощью которых удавалось разрабатывать отечественные импульсные ИВЭ для РЭА военного назначения, вполне конкурентоспособные по сравнению с американскими. Причем надо отметить, что электронные компоненты разрабатывались в основном в МЭП (Министерстве электронной промышленности), а изделия, имеющие большую мощность, — в Министерстве электротехнической промышленности. Унифицированные магнитные компоненты, например, трансформаторы и дроссели, в основном разрабатывались во ВНИИРК (Всесоюзный Научно-исследовательский институт радиокомпонентов). Кроме этого, в качестве изделий частного применения в многочисленных НИИ, на опытных и серийных заводах профильных министерств проектировались различные узлы и компоненты, которые применялись в отдельных комплексах РЭА оборонного назначения (космос, авиация, флот, связь, наземные стационарные и подвижные системы).

Необходимо заметить, что большинство компонентов, разрабатываемых в СССР, имели достаточно высокий уровень. Для новых изделий условием успешной приемки заказчика было обязательное требование: новый прибор (элемент) должен иметь параметры не хуже лучших зарубежных приборов, а по ряду параметров должен быть лучше иностранных аналогов. В первой части статьи авторы уже упоминали отечественные мощные тиристоры, которые поставлялись на экспорт. Авторы считают, что отечественные магнитные материалы, а также унифицированные дроссели и трансформаторы имели высокие удельные объемные показатели. Отметим, что серийные трансформаторы и дроссели серии «Габарит», предназначенные для работы в сетях 220(127) В с частотой 50, 400 Гц, по основным техническим параметрам были лучшими в мире. Разработка этих изделий была выполнена во ВНИИРК под руководством ведущих специалистов по проектированию моточных изделий Е. И. Каретниковой и Е. С. Бландовой.

Так как в эти годы за рубежом еще не были разработаны специализированные микросхемы для импульсных ИВЭ, то схемы управления в блоках питания разрабатывались на основе «рассыпных» дискретных компонентов. В связи с этим схемная архитектура источников питания на основе использования КСН у американцев и у нас была весьма близка. Применяя известную в 1970-х годах технологию печатного монтажа, наши ведущие специалисты из головных НИИ оборонного комплекса, имеющие более широкую эрудицию и изобретательность, создавали серийные отечественные блоки питания, которые были не хуже западных, практически по всем параметрам. В пользу этого говорит тот факт, что в это время существовали научные школы по решению технических проблем различных устройств электропитания. Эти научные центры были сосредоточены в НИИ, КБ и передовых вузах различных городов СССР: в Ленинграде, Москве, Рязани, Томске, Новосибирске, Нижнем Новгороде, Киеве, Ереване и др.

Новый этап в развитии импульсных источников питания

Итак, мы подошли к началу следующего крупного этапа развития средств электропитания — созданию нового класса импульсных ИВЭ. Рассмотрим прохождение этого этапа подробнее на примере разработки конкретного сетевого импульсного блока питания ИВЭ в ленинградском ЦНИИ «Гранит», поскольку это наглядно иллюстрирует сложности, которые приходилось преодолевать в те годы.

В середине 1972 года появились опытные образцы первого отечественного силового транзистора — А539 (ОКР «Программа 1»), разработанного в московском НПО «Пульсар» под руководством ведущего специалиста по разработке мощных транзисторов Л. Н. Афонина. Эти транзисторы были направлены в ЦНИИ «Гранит» для испытаний в разрабатываемых новых схемах блоков питания РЭА. Таким образом, была начата разработка регулируемого преобразователя на основе высоковольтных отечественных транзисторов. Один из авторов был основным разработчиком блоков питания нового типа. Эти ИВЭ создавались под руководством к. т. н. А. И. Гинзбурга и при активном участии специалиста по импульсным блокам питания Б. Н. Журавлева.

Охарактеризуем для сравнения положение дел с разработкой высоковольтных транзисторов на этом же промежутке времени в США. Основные параметры по некоторым зарубежным транзисторам представлены в таблице.

Таблица. Параметры зарубежных высоковольтных транзисторов в 1970–1972 гг.

Тип
транзистора
Фирма Мощность
PCE max , Вт
Ток IC , А Напряжение.
UCE , В
Граничная
частота, МГц
Источник информации
DTS – 401 Delco 5 400 General motors corp. Delco electronics Electronics. 1970, № 10
DTS – 402 Delco 100 10 700
DTS – 804 Delco 100 5 1400 1,5
JAN 2N3902 Delco 4 без охладителя 5 700 2,5 Selection Guide Data Application Notes.
SSD-205,1972
JAN 2N5241 Delco 150 10 400 2,5 Microelectronics and Reliability. 1970, vol. 9
SDT – 5865 Solitron 300 10 400 1,5 Electronics, Design.1972, № 19
SDT – 5655 Solitron 300 60 500 1,5 Electronics, Design. 1972, № 19

Как видно из таблицы, в период с 1970 по 1972 г. за рубежом были разработаны силовые транзисторы, в большинстве имеющие допустимое напряжение от 400 до 1400 В на токи от 1,5 до 15 А.

О первом отечественном мощном высоковольтном транзисторе

Параметры первого отечественного кремниевого высоковольтного меза-планарного n-p-n-транзистора 2Т809А были следующие:

  • максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер UCER = 400 В при R = 10 Ом и tпер до 100 °С;
  • максимально допустимый импульсный ток коллектора ICmax = 5 А при τи ≤ 400 мкс и скважности Q ≥ 10;
  • максимально допустимый постоянный ток коллектора IC = 3 А;
  • максимально допустимая мощность на коллекторе PCmax = 40 Вт при температуре корпуса до 50 °С с теплоотводом;
  • время включения ton ≤ 0,3 мкс, время спада ≤ 0,3 мкс, время рассасывания ts ≤ 3 мкс при IC = 2 А и коэффициенте насыщения Кн =2;
  • пиковая мощность PCпик = 300 Вт при длительности перегрузки не более 0,5 мкс (по уровню 0,5), частоте не более 5 кГц и температуре корпуса не более 90 °С;
  • допускалось использование транзисторов с импульсным током до 7 А при Q ≥ 2, при этом PCпик не должно превышать 100 Вт в течение не более 5 мкс и скважности не менее 10;
  • UBEmax = 4 В, но в импульсных схемах допускается обратное напряжение UBE до 8,0 В, при этом ток через переход база-эмиттер не должен превышать 1 А, Q≥ 2, а частота f ≤ 30 кГц;
  • статический коэффициент передачи в схеме с общим эмиттером в режиме большого сигнала — 100 ≥ h21E ≥ 15;
  • емкость коллектора CC = 100 пф при UC = 50 В;
  • напряжение коллектор-эмиттер в режиме насыщения UCE sat = 1,5 В при IC = 2 А, IB = 0,4 А;
  • максимальная температура корпуса 125 °С, перехода 150 °С, диапазон изменения окружающей температуры –60… + 125 °С.

В соответствии с параметрами нового транзистора была определена частота работы преобразователя в блоке питания: при PCпик = 300 Вт частота может быть до 5 кГц, а при PCпик — больше 100 Вт, но меньше 200 Вт, частота может быть выше. Однако этот режим необходимо было согласовать с разработчиком транзистора. В качестве структуры силовой части была выбрана мостовая схема преобразователя с ШИМ-регулированием. В мостовой схеме импульсное напряжение на транзисторе не превышает питающее входное напряжение (U0), а постоянное напряжение (в режиме ожидания) устанавливается на уровне 0,5 U0 . Если речь идет о возникновении подмагничивания, которое характерно для схем двухтактных транзисторных преобразователей и подробно рассмотрено в статье [10], то опыт предыдущих разработок показал следующее. Комбинируя выбором частоты работы, материалом магнитопровода (наклонная петля перемагничивания), а также параметрами силового трансформатора (уменьшение LS), возможно получить схему мостового преобразователя, в котором опасное подмагничивание сердечника трансформатора практически отсутствует.

После проведения макетной проработки блока питания на максимальную выходную мощность 400 Вт (80 В, 5 А) была окончательно определена частота работы преобразователя: Fр = 6,5 кГц. В конце 1972 года ЦНИИ «Гранит» провел комплексные испытания полученных опытных образцов транзисторов по теме «Программа 1» в схеме преобразователя на мощность 400 Вт с питанием от напряжения U0 = + 300 В. Испытания проводились на макете источника питания по схеме мостового преобразователя, содержащего силовой трансформатор, вторичная обмотка которого была нагружена на выпрямитель с индуктивной реакцией фильтра, работающий на активную нагрузку. Отдельно на быстрой развертке осциллографа 0,5 мкс/см были приведены осциллограммы переходных процессов коммутации «Вкл./Откл.» для транзистора, который имел самый тяжелый режим, как по импульсу тока коллектора, так и по мгновенной (пиковой мощности). Преобразователь работал в режиме ШИМ с рабочей частотой 7,0 кГц. При амплитуде импульса тока коллектора до 4 А, а в режиме коммутационного тока (процесс запирания диодов выпрямителя) — до 6,5 А транзисторы обеспечивали устойчивую работу преобразователя. Максимальная мгновенная мощность на коллекторе транзистора оценивалась на уровне 500–600 Вт (по осциллограммам тока и напряжения, снятым с помощью двухлучевого осциллографа). Потом в окончательном варианте режим работы транзистора в разработанном блоке питания (ток коллектора и мгновенная мощность), работающего на частоте 7 кГц, был согласован с представителем заказчика. В результате было получено разрешение на использование транзистора 2Т809А в аппаратуре, разрабатываемой ЦНИИ «Гранит».

В начале 1973 г. на предприятии полупроводниковых приборов в г. Фрязино Московской области было начато серийное освоение выпуска нового высоковольтного транзистора. В этой связи представляют определенный интерес несколько эпизодов, с которыми имел дело один из авторов статьи (С. А. Эраносян). Речь шла о поставке для ЦНИИ «Гранит» опытных образцов нового транзистора с целью обеспечения изготовления образцов блоков питания, входящих в новейшие разработки РЭА. Главный конструктор ОКБ завода Н. Г. Кухарев сетовал на технологические проблемы серийного освоения высоковольтного транзистора. Одна из них заключалась в достижении заданного напряжения UCER, так как все изготовленные образцы подвергались испытанию именно на 400 В и отбраковка на меньшее напряжение не допускалась. На резонный вопрос о возможности изготовления модификаций транзистора на 200 и 300 В, так как в стране не было таких приборов, главный конструктор ответил, что против этого выступает представитель заказчика (ПЗ). В то же время он сообщил, что разрешенный выход годных изделий, по отношению ко всем изготовленным, составляет не менее 6%, и, кстати, у американцев он тоже был невысок: 8–10%. После этого было аналогичное обращение к ПЗ с добавлением о несомненной практической пользе при введении модификаций для нового транзистора. На эти вопросы был получен неожиданный ответ от ПЗ: «Если это сделать, то ЦНИИ «Гранит» получит 400-В транзистор не скоро, так как вольно или невольно для изготовителя будет исключен основной стимул совершенствования технологии изготовления новых полупроводниковых приборов».

Надо отдать должное, что в его словах была большая доля правды, с которой разработчики новых изделий часто сталкивались при серийном их освоении. Это, в первую очередь, боязнь всего нового, необычного, что всегда входит в противоречие с относительно комфортным трудом по выпуску уже серийно освоенных на заводе изделий. Именно для преодоления таких естественных противоречий на всех предприятиях действовали специальные планы по освоению новой техники, с отдельной строкой финансирования, которая предусматривала, в том числе, и материальное стимулирование этих работ из центра. Несмотря на трудности серийного освоения уже через месяц разработчики стали получать опытные образцы (Я111) с завода-изготовителя высоковольтного транзистора. Это позволило ЦНИИ «Гранит» разрабатывать блоки питания нового типа практически одновременно с разработкой функциональной аппаратуры, то есть начиная с этапа разработки эскизного проекта.

Разработка первого отечественного импульсного источника питания нового типа

После определения параметров элементной базы силовой части преобразователя настала очередь разработки его схемы управления. В этот момент у разработчиков преобразователя на высоковольтных транзисторах возникла дилемма: использовать наработки предыдущих лет и построить схему управления на дискретных элементах [11, 12] или применить только что появившиеся интегральные микросхемы. Согласитесь, в условиях дефицита времени для новой разработки — выбор не из легких. Решившись на применение нового силового транзистора в схеме преобразователя, питающегося от напряжения 300 В, по существу разработчики вторглись в новую область силовой электроники, которая практически не была изучена. В дальнейшем проблемные вопросы этого типа преобразователей стали настолько очевидными, что ряд специалистов счел целесообразным «повременить» с разработкой таких блоков питания в новых комплексах РЭА.

Однако в ЦНИИ «Гранит» к этому времени уже была сформирована научная школа по проектированию ИВЭ на современном техническом уровне, которая успешно дополнялась молодым коллективом энергичных инженеров и техников, готовых к трудностям освоения новой компонентной базы, в том числе устройств импульсной техники с применением микросхем. Поэтому был взят курс на построение схемы управления (СУ) для блоков питания нового класса с использованием микросхем, серийное внедрение которых происходило практически одновременно с освоением транзистора 2Т809А. Причем никаких сомнений в реальных сроках освоения на серийных заводах этих новых компонентов как у руководителей, так и у исполнителей (разработчиков импульсных ИВЭ) не было. Тем более что это подтверждалось гарантийными письмами, фондами поставок от изготовителей компонентов, подтвержденными ПЗ соответствующих ведомств. Отметим, что первую открытую статью [13] о разработке блока питания с использованием высоковольтного отечественного транзистора опубликовал Л. Н. Шаров в 1974 году в Москве. В этой статье говорилось, что регулируемый преобразователь, питающийся от напряжения 300 В, построен на основе полумостовой схемы с рабочей частотой 10 кГц. Выходное стабилизированное напряжение равно 5 В при токе 10 А. Схема управления этого блока состоит из задающего генератора, пусковой схемы, ждущего мультивибратора и импульсного усилителя с трансформаторным выходом. Все эти устройства построены на дискретных полупроводниковых приборах. Лабораторный макет стабилизированного преобразователя с бестрансформаторным входом имел объем 2,5 дм3, то есть его удельная мощность pv оценивалась в 20 Вт/дм3.Подчеркнем еще одно обстоятельство, которое касается терминологии (наименования) нового класса сетевых импульсных ИВЭ.

Как видно из [13], здесь применен термин «стабилизированный преобразователь с бестрансформаторным входом». Ключевое слово «бестрансформаторный» касается только того, что в источнике отсутствует силовой сетевой трансформатор. Поэтому в этой статье примем, что впредь бестрансформаторные источники питания как новый класс сетевых блоков питания будем именовать аббревиатурой БИВЭ, которая появилась в монографии [14].

Итак, новая СУ разрабатываемого в ЦНИИ «Гранит» блока питания была построена на основе гибридных пленочных микросхем, разработанных в Москве по серии 218 (тема «Терек 1», изготовитель — предприятие «Ангстрем»). Технология изготовления гибридных тонкопленочных микросхем в упрощенном виде следующая: на керамическую подложку напыляются резистивные компоненты, а также соединительные проводники. Затем на эту подложку монтируются бескорпусные транзисторы, диоды и др. В результате на подложке формируется соответствующая интегральная схема, например триггер, мультивибратор и т. п. Затем эта интегральная схема помещается в герметизированный металлический корпус со штыревыми выводами и в таком виде поставляется заказчику.

Описание схемы БИВЭ на выходную мощность 400 Вт

Упрощенная схема БИВЭ на выходную мощность Pвых = 400 Вт изображена на рисунке.



Рисунок. Схема БИВЭ на выходную мощность 400 Вт

Как видно на рисунке, на вход блока подается трехфазное напряжение 220 В, 400 Гц (корабельная сеть) и управляющее постоянное напряжение 27 В (бортовая сигнальная сеть). Переменное напряжение поступает на схему через контакты силового контактора (К). Контактор управляется релейной схемой (Узел реле), которая при замкнутом состоянии тумблера «ВКЛ» обеспечивает после подачи сигнального напряжения «Борт. сеть 27 В» замыкание контактов «к». При этом напряжение через предохранители (F1–F3) поступает на трехфазный сетевой выпрямитель (СВ), в виде моста Ларионова. Выпрямленное постоянное напряжение с переменной составляющей частотой 2400 Гц поступает на сглаживающий фильтр (L1–C1), на выходе которого формируется постоянное напряжение U0, порядка 300 В. Это напряжение через датчик тока Rш поступает на вход мостового преобразователя напряжения, который выполнен на высоковольтных транзисторах Т1–Т4. В диагонали регулируемого преобразователя на основе ШИМ-управления через дроссель с самонасыщением (ДН) включен силовой трансформатор (Тр. с). Его вторичная обмотка W2 через мостовой выходной выпрямитель (ВВ) нагружена на сглаживающий фильтр (L2–C2), на выходе которого формируется выходное постоянное напряжение Uвых, максимальное значение которого может достигать 85 В.

Подчеркнем необычный характер нагрузки этого блока питания. Выходное напряжение блока поступает на специальный кабель, максимальная длина которого достигает 360–400 м. В конце кабеля подключена аппаратура, причем энергия для ее питания поступает от корабельного блока (рисунок). Если представить кабель в виде омического делителя напряжения, то напряжение на нагрузке (Н) при подаче питания от корабельного блока должно быть 27 В. Физически это выполнено следующим образом. В конце кабеля включен развязывающий транзисторный преобразователь напряжения (DC/DC) с трансформатором, коэффициент трансформации (W2/W1) которого равен 1. После выпрямителя, питающегося от вторичной обмотки трансформатора, образуется напряжение (UАПП.) 27 В, от которого получают питание все функциональные узлы РЭА. Таким образом, обеспечивается гальваническая развязка аппаратуры, подключенной в конце специального кабеля, от питающих силовых проводов кабеля, подключенных к выходному постоянному напряжению корабельного блока БИВЭ.

Наконец, отметим, что обратная связь подается на корабельный блок от напряжения UАПП. отдельными двумя проводами, тоже входящими в специальный кабель, которые образуют на входе БИВЭ напряжение UОС. По существу это означает, что корабельный блок входит в «следящую систему», которая поддерживает стабильное напряжение UАПП., постоянно изменяя соответствующим образом выходное напряжение UВЫХ, подаваемое на вход специального кабеля. Усредненные параметры специального кабеля длиной до 360 м: эквивалентное активное сопротивление (RН) нагрузки Н равно 5,6 Ом, эквивалентное активное сопротивление (RК) кабеля — 11,7 Ом, эквивалентная сосредоточенная индуктивность (LК) кабеля 1–1,2 мГн, рассчитанная без учета топологии расположения силовых проводов в кабеле. При этом в номинальном режиме стабилизации UАПП.(27 В) выходное напряжение БИВЭ UВЫХ будет 82–83 В, а ток нагрузки 4,7–4,8 А.

Рассмотрим другие особенности схемы, изображенной на рисунке. Система управления БИВЭ включает в себя узел формирования сигналов (УФС), формирователь стробирующего импульса (ФИС) для экстренного запирания силовых транзисторов Т2, Т4, усилитель мощности (УМ) с трансформаторным (ТР.У) выходом, который формирует сигналы управления (UУ1–UУ4) для базовых цепей транзисторов (Т1–Т4), узел вспомогательных источников питания (УВИ), который обеспечивает вспомогательные напряжения для всех узлов блока питания: UСМ1UСМ3 (2 В); UСТР. (5 В); UУМ (22 В); UП1, UП2 (27 В); UП3 (10 В).

УФС построен на интегральных микросхемах серии 218, операционных усилителях «Исток» и работает следующим образом.

Задающий, тактовый генератор ЗГ (2ГФ181) формирует импульсную последовательность частотой 13 кГц, которая поступает на вход счетного триггера СЧ (2ТК181) и на вход триггера «Пауза» (2ТК181). С выходов триггера СЧ формируются две импульсные последовательности частотой 6,5 кГц, сдвинутые на 180 эл. град. Одна из них поступает на триггер (ШИМ А), а другая импульсная последовательность — на триггер (ШИМ Б). Сигнал обратной связи UОС поступает на резистивный делитель напряжения (R1–R3), с потенциометра R2 которого подается на вход УОС операционного усилителя (1УТ401А). Его выход соединен с входом модулятора длительности импульсов (МДИ), на выходе которого формируется импульс заднего фронта ШИМ. Этот импульс завершает формирование основных сигналов управления БИВЭ: ШИМ А, ШИМ Б, Пауза.

Защита от перегрузки по току (Защ I0) построена на микросхеме 1УТ401А и работает следующим образом. Сигнал U от датчика тока на резисторе RШ поступает на один вход усилителя, где суммируется с напряжением уставки, которое согласовано с опорным напряжением, подаваемым на другой вход усилителя. При срабатывании защиты от перегрузки по току сигнал с выхода усилителя поступает на транзисторный ключ с трансформаторным выходом. При этом на выходе Защ I0 формируется импульсный сигнал «Выкл.», обеспечивая срабатывание именно того из триггеров «Пауза», а также ШИМ А или ШИМ Б, который активирован в момент возникновения тока перегрузки. Защита от перегрузки действует автоматически, уменьшая длительность силового импульса тока через транзисторы преобразователя, тем самым ограничивая его на уровне допустимого значения. При этом если ток перегрузки исчез, то восстанавливается нормальная работа БИВЭ. В отличие от этого, защита нагрузки от перенапряжения (Защ U) срабатывает при таком напряжении UОС (> 27 В), которое является опасным для аппаратуры «удаленной» нагрузки в конце кабеля. В связи с чем для предотвращения повреждения аппаратуры необходимо обеспечить отключение корабельного блока питания.

Схема Защ U работает следующим образом. Опорный потенциал подается на один вход усилителя защиты, а на другой его вход поступает напряжение уставки, согласованное с опорным напряжением через резистивный делитель с потенциометром. Этот делитель подключен к напряжению UОС, которое фактически является входным питающим напряжением для «удаленной» нагрузки Н. При срабатывании защиты от перенапряжения сигнал от усилителя поступает на транзисторный ключ, выход которого выключает вспомогательное реле (Р). Контакты этого реле отключают питание UУМ, обесточивая усилитель мощности УМ, а также обеспечивают выключение контактора К и, тем самым, отсоединяют блок питания от сети.

В узле формирования управляющих сигналов УФС имеется также схема защиты по току перегрузки «второго» уровня, которая не приведена на рисунке. Она содержит импульсный трансформатор и транзисторный усилитель, вход которого соединен с резистором датчика тока RШ. Если напряжение U продолжает расти, несмотря на срабатывание Защ I0, то открывается транзистор специального усилителя. Вследствие этого формируется импульс в первичной обмотке импульсного трансформатора. Причем одна из вторичных обмоток этого трансформатора образует положительную обратную связь для специального усилителя, форсируя срабатывание транзистора, а другая обмотка включает маломощный тиристор 2У101Б, который «закорачивает» напряжение 12 В, питающее узлы Защ U, УОС и МДИ. Одновременно с этим обесточивается реле Р, контакты которого обеспечивают процедуру отключения блока питания от сети, аналогичную при срабатывании Защ U.

Базовые сигналы силовых высоковольтных транзисторов Т1–Т4 формируются узлом УМ. В блоках питания нового типа в основном нашли применение усилители мощности с трансформаторным выходом как наиболее простые с точки зрения получения гальванической развязки управляющих сигналов от входного напряжения U0 (300 В), связанного с потенциалом сети переменного тока. В рассматриваемом блоке БИВЭ была использована схема УМ с одним трансформатором, хотя, строго говоря, известны, по крайней мере, еще две схемы [15, 16]. Одна из них — схема раздельного управления транзисторами плеч мостового преобразователя (ПН-М), которая содержит 2 трансформатора в УМ. В ней транзисторы Т1, Т2 управляются одним (однотактным) преобразователем с первым трансформатором, а транзисторы Т3, Т4 — другим (однотактным) преобразователем со вторым трансформатором.

Другая структура построения УМ, содержащая два трансформатора, каждый из которых работает по двухтактной схеме с рабочей частотой силового ПН-М, формирует управляющие сигналы, например, следующим образом. Один из двухтактных преобразователей является ведущим, а второй — ведомый — работает со сдвигом фазы запуска, например с помощью МДИ. В результате сложения напряжений (меандр) вторичных обмоток этих двух трансформаторов можно получить управляющие сигналы для базовых цепей силовых транзисторов ПН-М.

Схема УМ по рисунку работает следующим образом. Выходы триггеров ШИМ А/ШИМ Б поступают на базы транзисторов Т5/Т6 соответственно. Эти транзисторы включены по схеме двухтактного преобразователя со средней точкой трансформатора ТР.У, на вторичных обмотках которых формируются управляющие сигналы (UУ1–UУ4) для силовых ключей (Т1–Т4) соответственно. Нулевой уровень в сигналах управления — от импульса модуляции до конца полупериода рабочей частоты — получается путем «закорачивания» обмоток W3, W4 через диоды D1, D2 и резистор RОГР. транзистором Т7. Этот транзистор управляется импульсами П, которые формируются на выходе триггера «Пауза».

Узел УВИ выполнен на выпрямителях с питанием от вторичных обмоток маломощных сетевых трансформаторов (ТПП-63 и ТПП-214). Таким образом, на выходе УВИ формируются постоянные напряжения: UУМ, UСМ1, UСМ2, UСТР /UСМ3, UП1, UП2, UП3. Для существенного уменьшения времени рассасывания ts силовых ключей при их выключении служат цепи отрицательного потенциала, включенные между эмиттером каждого из транзисторов и его управляющим сигналом Uу. Кроме того, при срабатывании защиты от перегрузки по току импульсом Защ I0 отпирается транзистор Т8, который подает стробирующий (запирающий) потенциал от напряжения UСТР (5 В) на базы транзисторов Т2, Т4 через диоды D3, D4 соответственно. И, наконец, для существенного снижения динамических потерь в процессе выключения силовых транзисторов служат RCD-цепи (А1–А4), подключенные параллельно выводам коллектор-эмиттер транзисторов Т1–Т4 соответственно.

Каждая RCD-цепь состоит из ограничивающего резистора r1 (100 Ом), разрядного резистора r2 (560 Ом), параллельно которому включен диод D (Д237Б), выравнивающего резистора r3 (20 кОм), параллельно которому включен конденсатор C (0,01 мкФ). Уменьшение динамических потерь при включении силовых транзисторов достигается при включении дросселя насыщения ДН последовательно с первичной обмоткой трансформатора ТР.С. Комплекс этих мер обеспечил существенное облегчение режимов коммутации силовых транзисторов [17]. В этой работе показано, что применение RCD-цепей и дросселя насыщения позволило для БИВЭ на 400 Вт снизить мгновенную мощность в силовых транзисторах PCпик в 3–4 раза, в результате этого суммарные потери мощности в каждом силовом транзисторе получились не более 3,5 Вт.

Конструкция базового блока питания ЦНИИ «Гранит»

Разработка базового блока питания с выходной мощностью 400 Вт (рис.) позволила отработать конструктивно все входящие в него узлы и оптимизировать его размеры — 275x150x210 мм. Таким образом, при объеме блока 8,7 дм3 его удельная мощность pv составила 46 Вт/дм3. При этом для других разработок были унифицированы следующие укрупненные субблоки: силовая печатная плата, система управления, другие узлы. Силовая печатная плата содержит 4 силовых транзистора с радиаторами, узел вспомогательных источников питания УВИ с сетевыми трансформаторами, 4 печатные платы с RCD-цепями, каждая из которых вертикально устанавливается рядом со своим силовым транзистором. Система управления преобразователем выполнена на печатной плате с разъемом и имеет лицевую панель. Этот субблок включает в себя: УФС, УМ с высокочастотным трансформатором ТР.У, элементы защиты по напряжению и току (вспомогательные реле, маломощный тиристор и др.). Другие части схемы рисунка, а также остальные узлы и элементы блока питания, не показанные на упрощенной схеме, например, узел подавления радиопомех и др., располагаются в отсеках на несущем шасси. Благодаря такой унификации на основе базовой схемы в период с 1972 по 1974 г. были спроектированы модификации БИВЭ на мощности 350, 300, 250 Вт, при длине кабеля 260, 200, 140 м соответственно. Кроме того, были разработаны блок питания на мощность 225 Вт (600–900 В / 0,25 А) — для модулятора радиопередатчика, а также высоковольтный блок питания для выходного СВЧ-прибора передатчика. Мощность высоковольтного БИВЭ была 220 Вт при выходном напряжении 3700 В и токе 0,06 А. Причем все блоки питания имели весьма малые пульсации выходного постоянного напряжения. Например, блок на 400 Вт, работающий на длинный кабель — 360 м, имел следующие параметры: амплитуда переменной составляющей 28 мВ на частоте до 3 кГц и 50 мВ на частоте до 13 кГц, что составляет 0,04–0,07% от выходного напряжения.

Исторические аспекты разработки первых бестрансформаторных источников вторичного электропитания

Рассмотрим в историческом аспекте разработку нового БИВЭ с мощностью 400 Вт. С этой целью проанализируем подробный отчет по зарубежным публикациям с 1973 по 1980 г. [18]. По данным фирмы Venture Development Corp., объем сбыта ИВЭ в 1975–1980 гг. удвоился и достиг $4 млрд. При этом доля бестрансформаторных блоков питания на рынке США в тот же период времени возросла с 8 до 19%. Примерно такие же темпы роста производства БИВЭ были характерны для всех промышленно-развитых стран Запада. В [18] приведена таблица бестрансформаторных блоков питания, которые освоены в период с 1974 до 1980 года. Подчеркнем, что нас интересуют только такие блоки питания, которые питаются от сетей переменного тока с напряжением (UВХ) 220 В, частотой 47–500 Гц, то есть те блоки, у которых после сетевого выпрямителя возникает постоянное напряжение 260–350 В, подаваемое на вход транзисторного преобразователя. Учитывая эти условия, можно увидеть, что первые БИВЭ этого класса появились в 1979 году:

  • SK5–40/OVP (Power One Inc., США): UВХ = 180–260 В, PВЫХ = 200 Вт, 5 В/40 А, частота преобразования 28 кГц, pv = 96 Вт/дм3;
  • RQ (ACDE Electronics, США): UВХ = 180–264 В, PВЫХ = 300 Вт, каналы: 5 В/30 А, +12 В/5 А, –12 В/5 А, –5 В/5 А, частота преобразования не приведена, pv = 46 Вт/дм3.

Возникает законный вопрос: чем объясняется задержка разработок блоков питания нового типа? Справедливости ради, надо отметить, что при напряжениях UВХ 90–140 В первые БИВЭ появились значительно раньше:

  • в 1974 году — LY, Рамуда (Япония): PВЫХ = 25–120 Вт, 5 В/ 5–24 А, pv= 6,4–30,7 Вт/дм3;
  • в 1977 году — Motorola Semiconductor (США): PВЫХ = 250 Вт, 5 В/50 А.

Авторы имеют свою версию ответа на этот вопрос. В зарубежных фирмах при разработке сложных технических устройств действует принцип «разделения труда». В этом случае, как правило, разработкой мощной части занимается специалист по силовым схемам, а разработкой маломощных узлов системы управления занимается отдельный специалист по схемам управления и защиты, который получает техническое задание от ведущего разработчика блока питания. В 1970-х годах системы управления и узлы защиты для регулируемых преобразователей с высоковольтными транзисторами выполнялись на дискретных элементах. В связи с этим такие схемы были достаточно сложными, они требовали точных настроек многих важнейших параметров [9], например, необходимость точного соблюдения минимальной, а также максимальной длительности импульса ШИМ. Кроме того, в системе управления необходимо поддерживать синхронизацию триггеров, однозначную их установку при включении блока и много других тонкостей. Поэтому первые схемы управления БИВЭ пугали ведущих специалистов (в нашей стране тоже) неизбежной сложностью, связанной с непривычно большим числом возникших научных и технических проблем. (Кстати, первая схема управления для БИВЭ, разработанная в ЦНИИ «Гранит», была изображена на листе формата А1, из-за большого количества узлов и компонентов.)

Одной из сложнейших технических проблем была задача обеспечения безопасных и надежных режимов работы силовых высоковольтных транзисторов. Сложность системы управления и защиты была чрезвычайной, что особенно бросалось в глаза, если принять во внимание прошлые разработки, которые отличались простотой узлов управления. К ним относятся схемы управления для тиристорных регуляторов и стабилизаторов с магнитным усилителем. Например, схема управления магнитным усилителем состояла из 2 или 3 транзисторов [10].

В то же время, в нашей стране работа по проектированию блоков и систем электропитания была построена иначе, чем на Западе. Ведущий разработчик БИВЭ разрабатывал как силовую часть, так и все узлы системы управления и защиты. Это позволяло на этапе разработки оперативно корректировать как узлы управления, так и отдельные элементы силового преобразователя. Благодаря этому группа из 6–8 человек могла вести работы по нескольким важным проектам одновременно. Только разработку всех моточных изделий проводило отдельное подразделение, получая от разработчиков технические задания.

Возвращаясь к нашей версии, можно предположить, что, осознав чрезмерную сложность проектирования схемы управления, прагматичные американцы решили, что кардинально упростить ее можно, только разработав специальную микросхему. В конечном итоге они выиграли, хотя отодвинули на несколько лет сроки массового внедрения блоков питания нового класса. Первыми интегральными микросхемами на одном кристалле, разработанными специально для средств электропитания, были ШИМ-контроллеры семейства SG1524/2524/3524. Их создал в 1976 г. Боб Мамманс в фирме Silicon General [19]. После этого началось бурное развитие микроэлектроники именно для источников питания, причем эта ниша стала настолько прибыльной, что породила большое количество конкурирующих компаний по всему миру: только в США было более 10 таких фирм. В дальнейшем, как только появлялась новая техническая проблема, связанная с сервисом и управлением, неизменно разрабатывался новый тип микросхемы, максимально адаптированной к элементам силовой части. В то же самое время, вплоть до распада СССР, отечественные разработчики блоков питания разрабатывали новые системы, в которых сложные алгоритмы управления преобразователями реализовывались стандартными микросхемами цифровой и аналоговой техники. При этом они умудрялись демонстрировать высокий уровень качества разработки, а также оригинальность и новизну, подтверждаемую большим количеством изобретений.

Заключение

  1. В период с 1965 по 1972 г. технические данные импульсных блоков питания достигли наивысших результатов для того времени, как в части основного энергетического параметра — КПД, так и по массо-габаритному показателю — удельной мощности. Причем эти достижения были получены на основе применения различных структур, систем и схем в импульсных устройствах электропитания:
    • на магнитных усилителях и тиристорах в первичной цепи сети переменного тока;
    • на тиристорных инверторах в звене постоянного тока, которые использовались, например, в преобразователях частоты для регулируемого электропривода, а также для зарядки конденсаторов, применяемых для накачки оптических квантовых генераторов;
    • с ключевыми транзисторными стабилизаторами, питающимися от постоянного напряжения, получаемого с вторичных обмоток сетевых трансформаторов, работающих на частотах от 50 до 1000 Гц.
  2. Однако дальнейшее улучшение устройств электропитания ограничивалось из-за наличия низкочастотного силового трансформатора. В связи с этим встал кардинальный вопрос о построении принципиально новых блоков питания, не содержащих сетевых силовых низкочастотных трансформаторов, а также силовых трансформаторов в низкочастотных тиристорных преобразователях, работающих на частотах до 3 кГц.
  3. Для разработки преобразователей, питающихся от постоянного напряжения 250–350 В, получаемого непосредственно от сетевого выпрямителя, нужен был только мощный транзистор с допустимым напряжением в закрытом состоянии 400–800 В. Силовые транзисторы на токи от 3 до 10 А с допустимым напряжением не менее 400 В появились за рубежом в 1969–1971 гг., а в СССР — в 1971–1973 гг.
  4. С 1973 года началась новая стадия развития импульсных источников питания, которая была основана на высокочастотных регулируемых транзисторных преобразователях, в которых был только высокочастотный силовой трансформатор. Таким образом, было устранено основное консервативное звено в блоках питания — сетевой трансформатор. Кроме того, применение высокочастотных трансформаторов привело к колоссальной экономии весьма дорогих и дефицитных материалов, таких как медь и электротехническая сталь, в том числе и тонколистовых пермаллоевых сплавов.
  5. Разработка в США в 1976 г. первой монокристальной микросхемы SG1524 открыла отдельное направление в микроэлектронике: это приборы, предназначенные именно для импульсных источников электропитания. При этом утвердилась мировая практика, которая заключалась в следующем: сразу после разработки нового силового электронного ключа или нового типа регулируемого устройства появляется специальная микросхема. Основное ее назначение — это оптимальное управление процессом включения/выключения силового элемента и формирование всей системы регулирования, защиты и стабилизации, необходимой для проектирования сложных устройств и блоков питания.
  6. Новая стадия эволюции всех видов средств электропитания на основе высокочастотных транзисторных преобразователей дала мощный толчок развития новых бизнеспроектов в этой области техники. Среди них были такие, как разработка и производство большого количества различных компонентов: интегральных микросхем, контроллеров, миниатюрных и бескорпусных активных и пассивных элементов, а также ферромагнитных материалов, имеющих малые потери при работе на частотах до 300 кГц, и т. п. Все это обеспечило с 1975 по 1980 г. рост стоимости сбыта всех типов блоков питания до $4 млрд.

Продолжение следует

Литература

  1. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Советское радио, 1979.
  2. Грейвер Е. С. Ключевые стабилизаторы напряжения постоянного тока. М.: Связь, 1970.
  3. Виленкин А. Г. Импульсные транзисторные стабилизаторы напряжения. М.: Энергия, 1970.
  4. Гинзбург А. И., Горбенко В. А., Белова З. Д., Жуликова Л. Н., Цвылев Н. А., Эраносян С. А. Опыт проектирования, конструирования и применения релейных стабилизаторов напряжения, разработанных на базе комплексной миниатюризации // Вопросы специальной радиоэлектроники. 1972. № 9–10.
  5. Головацкий В. А. Транзисторные импульсные усилители и стабилизаторы постоянного напряжения. М.: Советское радио, 1974.
  6. Ромаш Э. М. Транзисторные преобразователи в устройствах питания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия, 1975.
  7. Бокуняев А. А. Релейные стабилизаторы постоянного напряжения. М.: Энергия, 1978.
  8. Простаков В. Г., Эраносян С. А. Ключевой стабилизатор постоянного напряжения. Авт. св-во № 826311 СССР, МКИ3, G 05F 1/56 // Открытия. Изобретения. 1981. № 16.
  9. Источник питания на транзисторах высокого напряжения с использованием схем ключевого стабилизатора и преобразователя постоянного тока в переменный. Патент США 3.914.679, НКИ 321–2.
  10. Эраносян С., Ланцов В. Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошлого к будущему. Часть 1 // Силовая электроника. 2008. № 4.
  11. Транзисторные схемы автоматического управления. Проектирование и расчет. Коллектив авторов, под ред. Ю. И. Конева. М.: Советское радио, 1967.
  12. Импульсные схемы на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет. Под ред. Е. И. Гальперина и И. П. Степаненко. М.: Советское радио, 1970.
  13. Шаров Л. Н. Стабилизированный преобразователь с бестрансформаторным входом / Сб. статей под ред. Ю. И. Конева. Электронная техника в автоматике. Вып. 6. М.: Советское радио, 1974.
  14. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат, 1991.
  15. Моин В. С., Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1972.
  16. Мкртчян Ж. А. Электропитание электронно-вычислительных машин. М.: Энергия, 1980.
  17. Эраносян С. А., Журавлев Б. Н. Особенности построения бестрансформаторных инверторов // Современные задачи преобразовательной техники, ч. 6. Киев: ИЭД АН УССР, 1975.
  18. Мотовилов Н. И. Бестрансформаторные источники питания // Зарубежная электроника. 1983. № 1.
  19. Гудинаф Ф. Интегральные схемы управления импульсными источниками питания // Электроника. 1989. № 23.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2009_1_20.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо