Унификация — это основной путь создания высоконадежных систем вторичного электропитания для комплексов военного и коммерческого назначения. Часть 2

№ 6’2014
PDF версия
В статье рассмотрены основные методы и примеры создания аппаратуры, систем вторичного электропитания (СВЭП) на основе синтеза блоков питания из унифицированных узлов и модулей, разработанных и оптимизированных на основе передовых технологий с использованием компонентов отечественной электронной базы. Проанализированы отдельные типы и практические примеры создания унифицированных узлов и модулей.

В работе [1] описаны первые две модели разработки УИВЭ. Первая предназначена для разработки унифицированных узлов и блоков СВЭП, называемой внутрифирменная узловая. Вторая применяется при создании узлов и блоков, используемых в рамках одного министерства или отрасли при изготовлении аппаратуры важного (стратегического) направления. Эту модель именуют отраслевой блочной. Ее описание выполнено до определения важного параметра для синтеза прогнозируемого ряда УИВЭ, а именно до выбора шага потерь для каждой градации мощности блока питания.

Дальнейший процесс разработки УИВЭ данного типа рассмотрим кратко, ссылаясь на статьи, в которых об этом рассказано подробнее. Процедура разработки унифицированных узлов и блоков состоит из следующих этапов.

  • Определение минимальных объемов конструктивов.

Для этого проводятся теплофизические расчеты и исследования тепловых эквивалентов УИВЭ с учетом вида теплообмена в комплексах РЭА (естественная конвекция, принудительный обдув), а также особенностей предполагаемого конструктивного исполнения блока (наличие компаунда, кожуха и т. п.). В рассматриваемом случае для теплообмена в блоках питания используется естественная конвекция.

Концепция формирования минимального объема УИВЭ предусматривает необходимость обеспечения допустимых тепловых режимов ИЭТ при заданной мощности потерь в блоке. При этом следует учитывать, что тепловой эквивалент рассматриваемого устройства представляет собой физическое тело с квазиоднородной изотропной средой, в которой равномерно распределяется вся мощность потерь.

Как известно, обеспечение заданных тепловых режимов компонентов входит в противоречие с желанием разработчиков блоков питания повысить величину удельной объемной мощности (pv). Особенно трудно найти такой компромисс при охлаждении устройств путем естественной конвекции. Для решения поставленной задачи необходимо разработать систему обеспечения теплового режима (СОТР) элементов при минимальном объеме блока, в частности для ИЭТ, силовой печатной платы и других функциональных конструктивных модулей.

Системой обеспечения теплового режима любого электронного устройства называется совокупность конструктивно связанных элементов и узлов, используемых для отвода, передачи и рассеивания тепловой энергии. Ряд УИВЭ предназначен для эксплуатации в естественных условиях теплообмена при температуре окружающей среды  50 °С.

Результаты исследований, приведенные в работах [2–5], показали, что температура среды для печатной платы внутри блока, где установлены мощные ИЭТ, может достигать  65 °С, т. е. перегрев нагретой зоны модели УИВЭ составляет t = 15 °С. По результатам расчетов на ЭВМ были получены характеристики Δt = f(Psп.ср.) и Δt = f(Pvп.ср.), где Psп.ср. — среднеповерхностная мощность рассеивания, а Pvп.ср. среднеобъемная мощность рассеивания. Используя полученные зависимости, можно синтезировать для заданного перегрева t минимальные размеры УИВЭ.

  • Выбор схемотехнических решений для УИВЭ.

Наиболее широко применяются три способа регулирования в импульсных стабилизаторах и преобразователях напряжения: с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и релейный, или двухпозиционный. Предварительные исследования показали, что при относительно малых выходных мощностях (7,5–30 Вт) прогнозируемого ряда УИВЭ, предназначенного для аппаратуры связи, применение релейного принципа регулирования имеет явные пре­имущества. Это объясняется тем, что, с одной стороны, у такой схемы наиболее простой узел управления, с другой — в ней можно изменять скважность рабочих импульсов, варьируя рабочую частоту. При таких условиях повышается КПД в некоторых рабочих режимах УИВЭ, например при высоком входном напряжении и уменьшении тока нагрузки до 70% от номинального значения.

Кроме того, значительно упрощается схема защиты от перегрузки по току, вплоть до режима короткого замыкания. Следует отметить, что ко времени разработки ряда УИВЭ была успешно решена основная проблема релейного принципа регулирования — установка частоты преобразования в номинальном режиме работы блока питания. Процесс задания рабочей частоты регулирования был описан в авторском свидетельстве [6].

Для ряда УИВЭ была разработана универсальная схема управления (МУ) для однотактного прямоходового преобразователя напряжения с релейным принципом регулирования.

МУ включает в себя следующие узлы: запускающий генератор (ЗГ); устройство ограничения длительности рабочего импульса (УОД) силового транзистора (ЭК), релейного элемента (РЭ) с источником опорного напряжения (ИОН); устройство гальванической развязки (ГР) в виде диодного оптрона, подключенного к выходному сигналу РЭ; устройство защиты от перегрузки по току (УЗ); формирователи импульсов включения/выключения для ЭК — ФИ1 и ФИ2 соответственно. Релейный элемент имеет нелинейную обратную связь, посредством которой можно устанавливать (потенциометром) заданную номинальную рабочую частоту силового преобразователя. Схема работает следующим образом: ЗГ через ФИ1 обеспечивает включение ЭК, выключение которого происходит либо от УОД, либо по сигналу от оптрона, т. е. в момент опрокидывания РЭ в исходное состояние. Релейный элемент в режиме стабилизации выходного напряжения УИВЭ задает необходимую скважность работы силового транзистора. Устройство защиты от перегрузки по току функционирует таким образом, что при увеличении перегрузки по току происходит уменьшение частоты коммутации силового транзистора. Это позволяет обеспечить, вплоть до короткого замыкания, безопасную работу силовых элементов блока питания.

  • Определение оптимальной частоты преобразования УИВЭ.

В процессе выполнения НИОКР по созданию ряда УИВЭ в НПО «Дальняя связь» был разработан пакет прикладных программ PREOB [7], предназначенный для расчетов однотактных прямоходовых преобразователей. С помощью этого пакета на ЭВМ типа ЕС-1045, ЕС-1033 и других можно проводить выбор оптимальной частоты преобразования варьированием параметров элементной базы и схемных структур, расчеты режимов ИЭТ и потерь мощности в ИВЭ и оценку его объемных характеристик.

Основные характеристики пакета PREOB: операционная система — ОС ЕС версии 6.1 и выше; язык программирования — PL-1; объем операторов — 3000; объем загрузочного модуля — 640 кбайт; количество программ — 3; производительность — 20 вариантов в час.

Расчетные данные печатаются в виде таблиц по следующим силовым узлам и элементам: трансформатор, транзисторы, диоды, выходной фильтр, общая характеристика преобразователя напряжения (ПН). Проведенные на ЭВМ расчеты позволили определить для разрабатываемого ряда УИВЭ оптимальную частоту преобразования, которая равна 100 кГц.

  • Конструктивные характеристики УИВЭ.

Блоки питания имеют общий размер основания (корпуса) — 145×85 мм, а в зависимости от выходной мощности их высота может быть 18, 25 или 30 мм. Массогабаритные характеристики УИВЭ — от 32 до 85 Вт/дм3, так что они могут встраиваться во все БНК отрасли. В качестве примера на рис. 1 приведен блок УИВЭ.60В-5, 2 В, 1,5 А. Размеры печатной платы универсальной системы управления (МУ) — 60×80 мм. Общая высота — не более 13 мм, она определяется размером оптрона 3ОД129. Печатная плата МУ показана на рис. 2. В табл. 1 и 2 приведены характеристики ряда УИВЭ, а также параметры нестабильности выходного напряжения блоков.

Блок УИВЭ.60В-5, 2 В, 1,5 А

Рис. 1. Блок УИВЭ.60В-5, 2 В, 1,5 А

Печатная плата МУ для УИВЭ

Рис. 2. Печатная плата МУ для УИВЭ

Таблица 1. Технические характеристики ряда УИВЭ

Входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

Максимальный ток нагрузки, А

Н, мм

55 °С

65 °С

19–30; 48–72

4,5; 5; 5,2

1,5

1,3

18

12; 15

0,7

0,5

20

0,5

0,4

2

3,4

3

25

4,5; 5; 5,2

3

2,5

12; 15

1,5

1,1

20

1

0,8

4,5; 5; 5,2

4,2

3,2

30

12; 15

2,3

1,8

Таблица 2. Нестабильность выходного напряжения УИВЭ

Вид возмущения

Пределы изменения

Максимальное значение, %

Изменение сети

От минимального до максимального

0,6

Изменение нагрузки

10–100%

0,6

Изменение температуры

–10…+65 °С

0,8

Изменение сети, нагрузки и температуры

2

  • Используемая элементная база.

Силовые компоненты: транзисторы — 2Т866А, 2Т862Б; диоды — 2Д2998 и 2Д251; конденсаторы — К53-31; дроссели — Д13. Микросхемы и матрицы сборок: 1НТ251, 2ТС622, 2ДС627, компаратор 521СА3, потенциометры СП3-19.

Третья модель разработки унифицированных узлов и блоков питания — унификация внутри класса изделий и/или вида носителя для аппаратуры важного (стратегического) направления, называемая блочно-узловая.

Поясним, какие изделия или комплексы РЭА  устанавливаются на различных видах базовых носителей, в состав которых всегда входят СВЭП. Именно в них желательно широко применять унифицированные блоки, субблоки и узлы средств вторичного электропитания. К таким видам аппаратуры, устанавливаемой на определенном носителе, относятся радиоэлектронные комплексы на воздушных видах носителей, например на самолетах и вертолетах; оборудование и РЭА для носителей водного базирования, которыми оснащаются корабли и суда военно-морского или торгового флота, подводные лодки, а также корабли специального назначения, в том числе научно-исследовательские, танкеры, сухогрузы, ледоколы и др.

Для каждого вида носителя существует набор специального оборудования и систем управления кораблем или судном. Для функционирования такого носителя необходимо, чтобы СВЭП, установленная на нем, обеспечивала необходимым и достаточным вторичным электропитанием все функциональные блоки и системы РЭА. Причем выходные параметры блоков питания СВЭП для аппаратуры и оборудования должны включать в себя гальваническую развязку от первичной силовой сети, а также требующиеся напряжения, токи и другие важные параметры, такие как, например, электромагнитную совместимость (в рамках действующих норм) с особо чувствительными приборами вычислительных и навигационных комплексов. Кроме того, блоки СВЭП должны иметь достаточно высокий КПД при минимальных габаритах и массе.

В условиях многодневного или порой много­месячного автономного плавания большое значение имеют параметры ремонтопригодности блоков вторичного электропитания, особенно при отказах в СВЭП, возникающих, например, в результате форс-мажорных обстоятельств (в частности, из-за пожара) в процессе выполнения рабочего рейса корабля. Как известно, именно применение унифицированных узлов и блоков позволяет быстро и эффективно ремонтировать поврежденные узлы электропитания, к примеру путем замены самого вышедшего из строя узла или даже блока.

Для такого типа блочно-узловой унификации, применяемой в СВЭП, которая входит в состав комплекса РЭА, установленной на определенном виде носителя, характерны следующие особенности. Во всех изделиях этого носителя используется один и тот же тип первичного источника энергии. Для них необходимо наличие гальванической развязки, а также у них одинаковые механические и климатические требования к блокам питания. И наконец, они имеют, как правило, одинаковый и конечный, как по номенклатуре, так и по мощности, основной состав оборудования, агрегатов и приборов управления. В итоге это обусловливает применение одинаковых видов (или классов) блоков, например преобразователей (инверторов) частоты и напряжения, а также стабилизаторов постоянного напряжения и зарядных устройств для аккумуляторных батарей, входящих в систему обеспечения бесперебойного питания РЭА, и т. п.

В качестве иллюстрации блочно-узловой модели рассмотрим разработку унифицированных блоков и узлов системы вторичного электропитания для РЭА, предназначенной для судов торгового флота. Такая работа, проводившаяся в 2010–2011 гг. в рамках НИР, была выполнена коллективом специалистов ООО «Лаборатория преобразовательной техники» (директор И.А. Мацерат). Техническим руководителем и разработчиком структур, а также энергетических параметров силовой части схем унифицированных блоков и узлов был автор данной статьи. Актуальность этой технической проблемы была представлена в работе [8], в которой были приведены следующие сведения.

  • В 1980-х гг. по заказам Министерства морского флота, рыбного хозяйства СССР и речного флота РФ строилось около 300 судов в год.
  • До 1990 г. около 70% крупнотоннажных судов (транспортных, промысловых и пассажирских) строилось на верфях ГДР, ПНР, ФРГ, Швеции, Финляндии, Дании, Франции и т. д.
  • Изучение статистических данных, полученных за последние два десятилетия, показало следующее. Эксплуатация в России транспортных судов, например речного флота, в ближайшие пять-десять лет неизбежно приведет к списанию более 50% действующего в настоящее время флота.
  • В ближайшей перспективе планируется строительство большого количества судов гражданского назначения, причем намеченные планы судостроения могут быть реализованы при условии ежегодной сдачи в эксплуатацию более 140–150 судов гражданского назначения.

После распада СССР в 1991 г. в структуре промышленности России вдруг обнаружилась громадная брешь. Это отчетливо показало вред, нанесенный советской системой по разделению рынка труда, который действовал в рамках СЭВ (Совет экономической взаимопомощи, созданный в 1949 г.) [9]. Наряду с приведенными данными о неизбежном списании в ближайшее время устаревших судов [8] необходимо отметить, что большинство агрегатов и приборов электрооборудования судов были разработаны еще 30–40 лет назад. Это свидетельствует о том, что такие изделия, произведенные в СССР, к настоящему времени морально и физически устарели. Поэтому требуется их полная замена на новые приборы и агрегаты, которые должны быть разработаны и изготовлены на соответствующем компонентном и технологическом современном уровне. Разумеется, их технические, массо-габаритные и энергетические характеристики должны соответствовать лучшим зарубежным образцам [9].

Рассматриваемый пример такого вида унификации показывает возможность оптимизации параметров СВЭП для РЭА судов торгового морского флота. Среди них важнейшими являются массогабаритные характеристики, энергетическая эффективность (КПД), снижение стоимости проектирования и изготовления блоков и узлов, а также улучшение эксплуатационных показателей этой системы, например ремонтопригодности.

Ниже кратко рассмотрены основные этапы алгоритма разработки системы электропитания, предназначенной для проектирования оптимального ряда узлов и блоков УИВЭ для РЭА торговых судов.

  • Определение типономинального ряда, который будет основой для проведения исследований и выполнения инженерных расчетов.

В рассматриваемом случае для определения номенклатуры УИВЭ следует учитывать, что этот ряд предназначен для синтеза приборов и систем вторичного электропитания, обеспечивающих нормальную работу различных функциональных блоков РЭА типового оборудования и систем, устанавливаемых на конкретный носитель, например на корабль.

При этом необходимо провести анализ типового оборудования, причем как по виду преобразования энергии, в отношении обеспечения аппаратов и систем соответствующими выходными параметрами блоков электропитания (постоянное или переменное напряжение заданной частоты, ток нагрузки и т. п.), так и по градациям мощности, которая будет потребляться от системы вторичного электропитания.

  • Выбор и обоснования типовых структурных схем блоков вторичного электропитания для каждого вида оборудования (изделия), предлагаемого для разработки.

Для решения этой задачи выявляется и уточняется перечень агрегатов и устройств (ПАиУ) для разработки комплекса средств вторичного электропитания, предназначенных для оснащения гипотетического проектируемого морского судна. Кроме того, следует учитывать, что унифицированные узлы и блоки прогнозируемого ряда должны быть адаптированы ко всем особенностям отдельных блоков и узлов, входящих в каждое функциональное устройство РЭА, которое является частью агрегатов и систем управления объектом (носителем).

Чтобы проиллюстрировать процедуры выбора структурных схем унифицированных узлов и блоков, рассмотрим их определение для двух типов УИВЭ. Один из них касается входного низкочастотного выпрямителя, подключенного к первичной сети, а другой — регулируемого преобразователя напряжения, который питается от постоянного напряжения.

В качестве первичной сети здесь используется трехфазная система электропитания, а именно четырехпроводная (с нулевым проводом), с номинальным напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Напряжение изменяется в диапазоне от –15 до +10% от номинального значения, а для случаев повторно-кратковременного режима — от –25 до +13%.

В общем случае структура блока питания при переменном входном напряжении, как правило, содержит блок, являющийся согласующим устройством между питающей сетью и всеми остальными типами блоков вторичного электропитания.

  • Предварительные расчеты основных энергетических параметров унифицированных блоков и узлов СВЭП.

Предварительные расчеты основных энергетических параметров (КПД, мощность, рабочие частоты и т. п.) узлов, образующих анализируемый типономинальный ряд, производятся в следующей последовательности. Чтобы выявить типовые модификации унифицированных узлов, из которых будет синтезирована оптимальная структура СВЭП, необходимо определить весь перечень мощностей для каждого узла, входящего в изделия из ПАиУ. Для этого надо рассмотреть и уточнить мощности всех блоков, содержащихся в разрабатываемых функциональных узлах РЭА.

По результатам анализа ПАиУ составляется таблица, в которой изделия разделены на три группы: I — инверторы; II — стабилизированные преобразователи СПН; III — зарядные устройства БЗА.

Для всех групп определены модификации устройств, например для инверторов отдельно приведены однофазные и трехфазные варианты исполнения, причем для каждой из них определяются градации мощности в нагрузке. Кроме того, для всех модификаций изделий в таблице показано, в результате использования каких типов унифицированных блоков и узлов синтезируется структура изделия конкретного типа.

Рассмотрим на примере двух выбранных типов унифицированных блоков, как определяются их модификации, с помощью которых будут синтезированы изделия и агрегаты, устанавливаемые на определенный носитель.

Входной сетевой субблок обозначим как AC/DC (ВхСБ). Он включает в себя низкочастотный выпрямитель (НВ), фильтр радиопомех (ФРП) и низкочастотный входной LC-фильтр (НВФ). Его структурная схема приведена на рис. 3.

Входной сетевой субблок AC/DC (ВхСБ)

Рис. 3. Входной сетевой субблок AC/DC (ВхСБ)

В этой структуре в качестве входного выпрямителя используется мост Ларионова. При правильно рассчитанных параметрах LC-фильтра коэффициент мощности (cos j) такой системы выпрямитель-фильтр составляет примерно 0,8. Следовательно, для этого варианта входного субблока практически не требуется специальная схема корректора коэффициента мощности.

На выходе НВФ при заданном диапазоне изменения сети формируется напряжение, находящееся в диапазоне 400—640 В. Поэтому для упрощения всех последующих процедур преобразования энергии, а также для учета необходимости получения гальванической развязки выходного постоянного напряжения для большинства блоков вторичного электропитания от первичной сети следует разработать отдельное устройство в виде звена постоянного тока. Это будет сетевой преобразователь напряжения с регулированием Uвых (AC/DC), структура которого приведена на рис. 4. Обозначим его как [Сет.ВЧ.пр.Рег.Uкон].

Как видно из рис. 4, входное переменное напряжение сети поступает на субблок [ВхСБ] AC/DC, к выходу которого подключен блок конвертор DC/DC [ВЧ.пр.КОН]. Он представляет собой регулируемый высокочастотный (150–300 кГц) преобразователь напряжения, состоящий из преобразователя (ВЧ.пр.DC/AC), выход которого нагружен на развязывающий высокочастотный силовой трансформатор (Вч.Тр.). Управление электронными ключами (ЭК), а также цепью обратной связи обеспечивает модуль управления (Мод.упр.кон.). Вторичная обмотка Вч.Тр. соединена с устройством выпрямления на высокочастотных диодах (Вых.В), на выходе которого установлен сглаживающий выходной LC-фильтр (Вых.Ф).

Сетевой преобразователь напряжения с регулированием Uвых

Рис. 4. Сетевой преобразователь напряжения с регулированием Uвых

Были рассмотрены структуры для двух унифицированных блоков, но в завершение данного этапа должны быть определены структурные схемы для всех типов унифицированных узлов, блоков и модулей. Затем для каждой модификации этих устройств выполняются предварительные расчеты электрических параметров, в результате которых определяются прогнозируемое число модификаций унифицированных блоков, узлов и модулей, а также перечень их градаций мощностей.

  • Определение конечного числа модификаций унифицированных узлов и блоков.

Предварительные расчеты показали, что по всем типам унифицированных устройств электропитания был определен перечень (для выбранных двух типов УИВЭ) возможных их мощностей, благодаря чему можно реализовать СВЭП для всех изделий, входящих в ПАиУ [9]. В частности, для унифицированных блоков конверторов (ВЧ.пр.КОН), а также для блоков ВхСБ было установлено, что для реализации всех изделий и агрегатов, входящих ПАиУ, необходимо всего по три модификации блоков рассматриваемых типов. На основе анализа этих модификаций можно получить их минимальное число с учетом того, чтобы для изделий всех групп был обеспечен диапазон перекрытия по мощности. Перечень модификаций унифицированных устройств СВЭП для этих двух блоков представлен в табл. 3.

Таблица 3. Модификации двух унифицированных блоков СВЭП

ВЧ.пр.КОН. DC/DC

Вх.СБ-Pн AC/DC

Обозначение

Модификации мощности Pн, кВт

Диапазон перекрываемых мощностей Pн, кВт

Расчетная мощность по входу, max Pп, кВт

Обозначение

Модификации мощности Pн, кВт

КвРП–Uкон–Pн, где Uкон = 100…250 В

3

2–3

3,3

Вх.СБ–Pн

3,5

7

4–7

7,5

 

7,5

12

7–12

12,6

 

3,

18*

13–18

19

 

 

Примечание: * — Используются три блока: КвРП–Uкон–Pн, которые включаются параллельно по выходу через диоды.

Как видно из табл. 3, для системы вторичного электропитания достаточно использовать всего три базовые модификации, причем как для блоков конвертора КвРП–Uкон–Pн, так и для сетевых субблоков Вх.СБ–Pн. Также в табл. 3 даны диапазоны перекрываемых мощностей, которые обеспечиваются каждой модификацией унифицированного блока. Отдельно приводятся данные по максимальной расчетной мощности, потребляемой по входу для блока конвертора КвРП–Uкон–Pн.

В качестве выбранной структуры силового преобразователя использована схема однотактного квазирезонансного преобразователя (КвРП) типа «косого моста». Практика показывает, что именно этот тип устройства вторичного электропитания имеет ряд преимуществ по сравнению, например, со схемами преобразователей на основе ШИМ. Среди достоинств КвРП стоит отметить очень малые динамические потери в ЭК, высокий КПД как при пониженном, так и при повышенном входном напряжении, низкий уровень высокочастотных помех на выходе преобразователя.

Кроме того, практика и расчеты показывают, что существует хорошая повторяемость значения КПД при серийном изготовлении квазирезонансных блоков питания. Следовательно, при параллельном включении КвРП не требуется схемных усложнений, направленных на выравнивание токов нагрузки. К тому же при этом появляется возможность сдвигать запуск периодов преобразования (рабочей частоты) каждого из параллельно работающих блоков, для того чтобы равномерно распределять потребляемый ток от входной сети переменного тока. При этом общая система управления ЧИМ и узел обратной связи позволяют синхронизировать рабочую частоту, а значит и работу модулей управления силовыми ключами преобразователей каждого параллельного блока. Пример построения такой системы приведен в работе [10].

Так как блок звена постоянного тока — Сет. ВЧ.пр. Рег.Uкон — состоит из одного блока конвертора и одного сетевого субблока ВхСБ, то в СВЭП, по существу, имеется еще одно унифицированное устройство. Аналогично можно определить базовые модификации для унифицированных узлов при синтезе других изделий СВЭП, в частности, инверторов, СПН и БЗА.

 

Детальный расчет основных электрических параметров УИВЭ, выбор силовых компонентов и расчет потерь в блоках

По каждому из типовых примеров унифицированных узлов проводятся расчеты основных электрических параметров и выбирается компонентная база при вариациях частоты преобразования. Критерием выбора оптимальной частоты является получение максимального КПД и наилучших удельных массо-габаритных характеристик, например pv, [Вт/дм3]. Подробный расчет электрических параметров силовых компонентов КвРП мощностью 12 кВт (150 В, 80 А) был проведен с использованием методики расчета силовых преобразователей, разработанной автором.

На основе данных этого расчета и практического опыта проектирования мощных блоков питания была выбрана рабочая частота (максимальная) преобразования при минимальном входном сетевом напряжении — Fр ≈ 170 кГц. Полученные расчетные параметры приведены в табл. 4 и 5.

Таблица 4. Параметры КвРП при минимальном входном напряжении

Режим минимального входного напряжения Uвх‘ = 390 В

Основные параметры

Эффективные значения

Iн, А

Pн, кВт

Fр, кГц

UW2, В

Ucр(t5), В

Амплитуда, А

Tр, мкс

Tпр, мкс

IW2, А

IW1, А

UW2, В

UW1, В

Imax

IW2max

IW1max

80

12

167

206,7

378,7

144

229

121

3,6

6

103

55

139

262

50

7,5

138

400

197

104

7,2

78

41

128

242

Таблица 5. Параметры КвРП при максимальном входном напряжении

Режим максимального входного напряжения Uвх‘ = 590 В

Основные параметры

Эффективные значения

Iн, А

Pн, кВт

Fр, кГц

UW2, В

Ucр(t5), В

Амплитуда, А

Tр, мкс

Tпр, мкс

IW2, А

IW1, А

UW2, В

UW1, В

Imax

IW2max

IW1max

80

12

96

307,4

592

215

298

158

3,6

10,5

98

52

157

296

50

7,5

72

606

266

141

13,9

73

39

134

253

8

1,2

15,3

615

223

118

65,2

26,1

13,8

62

117

В табл. 4 и 5, использованы следующие обозначения для параметров режимов, при которых были проведены расчеты. Первая и вторая строки — параметры при токах нагрузки блока Iн = (80, 50) А соответственно. В табл. 5 третья строка — режим Iн = 8 А, что соответствует значению 0,1Iном (номинального тока 80 А). Данный режим представляет интерес с точки зрения выявления минимальной рабочей частоты преобразования при сбросе тока нагрузки, возникающем именно при максимальном входном напряжении.

Расчетные параметры преобразователя обозначаются следующим образом:

  • UW2, UW1 напряжения на вторичной и первичной обмотках силового трансформатора Вч.Тр;
  • Ucр(t5) — напряжение на резонансном конденсаторе Cр в точке времени t5 [11], для которой характерно то, что в ней ток вторичной обмотки трансформатора уменьшается до нуля и сразу после этого начинается линейный разряд конденсатора Cр;
  • Imax, IW2max, IW1max — амплитудные значения токов, протекающих через Cр, а также вторичной и первичной обмоток Вч.Тр. соответственно;
  • Tр и Tпр — периоды резонансной частоты и период рабочей частоты;
  • IW2, и IW1токи вторичной и первичной обмоток Вч.Тр.

Как видно из табл. 4 и 5, в качестве минимального входного напряжения, подаваемого на блок КвРП, принято Uвх = 390 В, а максимального входного напряжения — Uвх= 590 В. Величина этого напряжения зависит от выходного постоянного напряжения U0 субблока ВхСБ. При этом напряжение Uвх всегда меньше, чем U0. Это объясняется тем, что величина Uвх учитывает потери в силовых монтажных проводах и шинах, а также неидеальность электронных ключей, имеющих конечное сопротивление RDC(on) в режиме включенного состояния силового транзистора.

Подчеркнем, что после проведения предварительных расчетов основных параметров и окончательного выбора силовой компонентной базы можно именно для выбранных электронных компонентов уточнить значение напряжения Uвх, которое зависит от конкретного падения напряжения на ЭК.

 

Выбор силовых компонентов электрических схем, а также расчеты потерь мощности в узлах и ИЭТ

Теперь будут рассмотрены полевые транзисторы, а также диоды в высокочастотном выпрямителе (Вых. В) и в выходном фильтре блока питания (Вых.Ф). Как уже было замечено, в выбранной схеме КвРП установлены два ключа, которые управляются синхронно. Кроме того, в схеме однотактного преобразователя также имеются два силовых диода, осуществляющих рекуперацию энергии в питающую КвРП сеть постоянного напряжения. Тем самым фиксируется на каждом силовом ЭК напряжение на уровне Uвх.

Эффективный ток Iэфф.W1 через ЭК равен 55 и 52 А для минимального и максимального напряжения соответственно (см. табл. 4 и 5), а аналогичные этому амплитудные значения IW1max составляют 121 и 158 А. Поэтому необходимо, чтобы каждый ЭК состоял из параллельного соединения восьми силовых модулей типа IXFN60N80P в корпусе SOT-227B (miniBloc). Этот силовой модуль имеет следующие основные электрические параметры: UDSS = 800 В, ID = 53 A, RDS on = 0,14 Ом при 25 °С; ID = 32 A, RDS on = 0,25 Ом при 100 °С.

Теперь рассчитаем потери в транзисторах в режиме эффективного тока через плечи электронных ключей, исходя из усредненного значения для двух режимов работы, которое будет ID = 53,5 A. При этом ток через единичный силовой модуль составит примерно 6,7 А.

В паспортных данных на IXFN60N80P (график Fig 5) [12] приведен коэффициент изменения сопротивления канала MOSFET-транзистора при токе до 8 А с учетом температуры кристалла Tj = 100 °С, который составит KDS on = 1,8. Тогда потери мощности в одном силовом модуле будут равны 11,3 Вт, а в одном электронном плече — 90,4 Вт. Чтобы получить потери мощности в диодах рекуперации, нужно экстраполировать данные из работы [13]. Они составят 10 Вт.

Расчет потерь в узле Вых. В и Вых.Ф

Выходной высокочастотный выпрямитель и фильтр включают в себя выпрямительный диод D1 и коммутирующий («нулевой») диод D2. На его выходе установлен сглаживающий LC-фильтр. Как известно, наибольшие потери (до 30–40%) от всех потерь в преобразователях сосредоточены в диодах выходного выпрямителя для блоков мощностью свыше 10–15 кВт. Особенно ярко это проявляется в блоках, имеющих выходные напряжения 100–300 В и выше.

Проблема выбора ВЧ-диодов на рабочее напряжение от 600 до 1200 В наилучшим образом решается применением мощных диодов на основе карбида кремния. В настоящее время в распоряжении разработчиков имеется диодная сборка [14] типа C4D40120D. Ее корпус TO-247-3 содержит два диода с общим катодом.

Основные электрические параметры каждого диода: URRM = 1200 В; IF = 54 A при температуре корпуса сборки меньше Tс = 135 °С; IFRM = 61 А (Repetitive Peak Forward Surge Current). Для того чтобы уменьшить потери в диодах ВЧ-выпрямителя, надо снижать проходящий через диод ток, что потребует параллельное включение диодов. В рассматриваемом случае для выпрямительного диода D1 применены три корпуса C4D40120D (т. е. шесть диодов, включенных параллельно), а для «нулевого» D2 используются два корпуса C4D40120D (т. е. четыре диода, включенных параллельно). Для расчета потерь в диодах берутся данные из табл. 4 и 5.

В частности, в табл. 4 приведен для режима минимального входного напряжения КвРП эффективный ток через D1 — Iэфф.W2 = 103 А. А так как этот диод состоит из шести параллельных диодов, то ток каждого из диодов составит 17,17 А. Чтобы учесть возможное неравномерное распределение токов, примем расчетное значение тока равным 18 А.

Для диода D2 следует взять из табл. 4 ток нагрузки, равный 80 А. Поскольку диод состоит из четырех параллельных диодов, ток каждого из них будет составлять 20 А. Рассчитанное аналогично тому, как был определен ток для диода D1, значение тока D2 получится равным 21 А. Статические потери в единичном диоде D1 составят 34,82 Вт, а потери в шести диодах Pст.D1 ≈ 209 Вт. В диоде D1 динамические потери Pдин = 34,2 Вт. Суммарные потери D1 составят PSD1 = 243 Вт.

Статические потери в единичном диоде D2 будут равны 15 Вт. Динамические потери мощности в диоде D2 пренебрежимо малы, так как обратное напряжение на диоде возрастает с нулевого значения — «плавная» зарядка резонансного конденсатора, который включен параллельно этому диоду. Суммарные потери в четырех диодах составят PSD2 = 60 Вт. Чтобы определить потери мощности в дросселе выходного ВЧ-фильтра, нужно экстраполировать данные из работы [15]. В результате получатся суммарные потери в дросселе фильтра PSДр. ВЧ-Ф = 103 Вт.

Расчет потерь в субблоке ВхСБ, а также суммарных потерь в КвРП

Чтобы оценить потери и КПД всего устройства (звена постоянного тока), необходимо рассчитать потери мощности входного сетевого субблока. Для рассматриваемого случая в качестве выпрямителя используется мост Ларионова. Кроме того, так же как для всех мощных входных сетевых устройств, в нем всегда есть устройство ограничения тока заряда конденсатора НВФ, т. е. тиристор и схема для его управления [16]. Поэтому представляется целесообразным рассчитать потери мощности для этого субблока, экстраполируя данные для аналогичного узла блока мощностью 10,5кВт [15]. В результате суммарные потери мощности субблока ВхСБ–14 при выходной мощности 14 кВт составят PSпот. ВхСБ = (172 ±10) Вт.

Теперь можно для звена постоянного тока определить все составляющие потерь мощности с учетом потерь в узле управления (УУ) и вспомогательном ИВЭ собственных нужд. Эти данные приведены в табл. 6.

Таблица 6. Суммарные потери в звене постоянного тока

Наименование блока, узла

Потери мощности, Вт

Субблок ВхСБ–14 AC/DC

PSпот. Вх.СБ = 172

КвРП – Uкон – 12, Uкон = 150 В

Силовые транзисторы ЭК и диоды рекуперации

ЭК — состоит из восьми параллельных транзисторов: в одном транзисторе — 11,3; в плече — 90,4; всего в двух ЭК — 180,8; диоды рекуперации — 10; PSпот. эк ≈ 191

Силовой ВЧ-трансформатор: Ктр = W2/W1 = 0,53

Pст = 116,3; Pм = 42,4; PSпот. тр. с ≈ 159

Выходной ВЧ-выпрямитель: выпрямительные диоды, «нулевой» диод

Диод выпрямительный состоит из шести параллельных диодов PSD1 = 243; диод «нулевой» — из четырех параллельных диодов: PD2 = 60; Pпот. ВЧ-Выпр. = 303

Выходной ВЧ-дроссель фильтра

Выходной дроссель фильтра состоит из 12 параллельных дросселей. PSДр. ВЧ-Ф = 103

Узел управления УУ

PSуу = 80

Суммарные потери мощности в звене постоянного тока Сет. ВЧ.пр.Рег.Uкон PSпот. зв. пост. = 172 + 191 + 159 + 303 + 103 + 80 = 1008 Вт при Pн = 12 кВт (150 В, 80 А); КПД — hзв. пост. = Pн / (Pн + PSпот. зв. пост.); hзв. пост. = 0,92

Продолжение следует

Литература
  1. Эраносян С. Унификация — это основной путь создания высоконадежных систем вторичного электропитания для комплексов военного и коммерческого назначения. Ч. 1 // Силовая электроника. 2014. № 5.
  2. Эраносян С. А., Гаазе В. Б. Метод синтеза минимальной номенклатуры унифицированных ИВЭ для систем электропитания РЭА // Техника средств связи / ЦООНТИ «ЭКОС». Сер. Средства вторичного электропитания (СВЭП). 1989. Вып. 1.
  3. Володин Ю. Г., Гасанова В. В., Эраносян С. А. Анализ тепловых режимов малогабаритных ИВЭ. Научно-техн. семинар. «Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА» / Материалы семинара. — М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1989.
  4. Лайне В. А., Володин Ю. Г. Математическое моделирование теплового режима радиоэлектронных устройств с дискретными источниками теплоты // Техника средств связи. Сер. Техника проводной связи. 1988. Вып. 5.
  5. Володин Ю. Г., Гасанова В. В., Лайне В. А. Комплекс программ ТЕРМ. Расчет и анализ теплового режима радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры: Информ. листок / ВИМИ, 1988. № 88 – 0157.
  6. А. с. № 826311. Ключевой стабилизатор постоянного напряжения / Простаков В. Г., Эраносян С. А. //БИ №16 30.04.81.
  7. Эраносян С. А., Простаков В. Г., Изакова Н. П. Алгоритм и программа расчета на ЭВM потерь мощности в однотактном преобразователе напряжения / Тез. докладов и сообщений отраслевого семинара «Опыт разработки и внедрения в аппаратуру и освоение в серийном производстве унифицированных источников вторичного питания импульсного типа». Л., 1986.
  8. Быков Э. Б. Системы управления и электрооборудование для строящихся судов и кораблей. Что делать с новостроем? // Морская Биржа. 2010, № 34.
  9. Эраносян С. А., Мацерат И. Проблемы разработки и выбора унифицированных узлов и блоков вторичного электро­питания для РЭА морского флота. Ч. 1 // Силовая электроника. 2012. № 3.
  10. Эраносян С. А., Ланцов В. В. Источники бесперебойного питания: новый подход к синтезу. Ч. 1 // Силовая электроника. 2007. № 4.
  11. Эраносян С. А., Ланцов В. В. Квазирезонан­сные источники вторичного электропитания: проблемы, новый взгляд // Силовая электроника. 2007. № 3.
  12. microsemi.com
  13. Эраносян С. А., Ланцов В. В. Пути развития и архитектура отечественных интегрированных силовых модулей для импульсных источников вторичного электропитания // Электрическое питание. 2005. № 334.
  14. cree.com/power
  15. Эраносян С., Ланцов В. Сверхмощные импульсные блоки питания: выбор концепции // Современная электроника. 2010. №8.
  16. Эраносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат, 1991.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.