Модульный синтез мощных сетевых блоков. И наконец, как показано в работах [1, 2], мощные источники питания хорошо синтезируются с помощью набора унифицированных силовых модулей питания, а еще лучше — интегрированных силовых модулей (SIPM). Причем в процессе создания более высоких технологий и внедрения новой базы компонентов силовой электроники, можно оперативно модернизировать ранее разработанные силовые устройства путем замены определенного типового модуля на более современный. С той же особенностью связана основная концепция разработки мощных вторичных источников питания, которая заключается в дополнительных мерах по повышению надежности этих блоков путем резервирования маломощного служебного узла питания «своих» цепей управления, а также использования специальных микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров (DSP-контроллеров). Благодаря этим дополнительным современным устройствам возникают сервисные функции: диагностика работы основных энергонапряженных узлов и компонентов силовой электроники, выполнение различных измерительных задач, регистрации и запоминания нестационарных и предаварийных режимов и т. п. Таким образом обеспечивается анализ и мониторинг предельных режимов силовых элементов с целью предупреждения их повреждений. Соответственно, при проведении регламентных работ можно осуществлять предупредительную замену ненадежных узлов в мощном модуле питан
Характеристика схемы управления мощного блока. Речь идет о соотношении мощности и объема системы управления относительно аналогичных параметров силовой части. Расчеты показывают, что мощность системы управления в сетевых блоках мощностью от 600 Вт до 5 кВт составляет 1–0,3%. При этом по объему узел управления составляет 2,0–1,2% от всего объема блока. Такое соотношение объясняется тем, что в настоящее время удельная объемная мощность для маломощных (5–12 Вт) служебных вторичных источников питания может достигать значений 60–80 Вт/дм3. В результате этого достаточно просто (в сравнении с вторичными источниками питания средней мощности) решается проблема оптимизации системы управления.
Разумные ограничения номенклатуры базы компонентов силовой электроники. Это касается, прежде всего, ограничения возможности выбора силовых транзисторов и диодов, так сказать «снизу», то есть практически для любого источника питания можно использовать компоненты силовой электроники, рассчитанные только на токи большие, чем заданные. В то же время при разработке вторичных источников питания малой и средней мощности, как правило, рабочие токи меньше 3–5 А. Это позволяет в ряде случаев использовать компоненты силовой электроники с большим запасом по току и, соответственно, с меньшим сопротивлением открытого канала МОПТ- или MOSFET полевого транзистора. Тем самым удается снизить статические потери мощности; одновременно повышается надежность работы модуля питания в предельных или аварийных режимах. Для мощных модулей питания такая возможность существенно ограничена. Как показывает анализ номенклатуры силовых ВЧ-диодов и MOSFET ведущих фирм-производителей, доля компонентов силовой электроники для применения в источников питания мощностью от 600 Вт до 5 кВт составляет 15–20% всего типономи-нального ряда элементов.
Прежде чем перейти к анализу базы компонентов силовой электроники, на основе которой выполняются типовые узлы мощных вторичных источников питания, отметим некоторые особенности разработки именно такого рода силовых устройств:
Для большей наглядности и конкретики предложено это сделать на основе одной из распространенных структур и схемотехники мощного импульсного источника питания, структуры типа «входной выпрямитель — корректор коэффициента мощности (ККМ/PFC) — однотактный прямоходовой (forward) преобразователь напряжения» с двумя последовательно включенными силовыми ключами. Такая структура может без особой сложности обеспечить выходную мощность источника питания от 500 до 1500 Вт при частотах преобразования 100–250 кГц и правильном выборе компонентов силовой электроники. Для обеспечения большей выходной мощности до 5000 Вт целесообразно использовать схему сдвоенного однотактного преобразователя напряжения, в котором силовые ключи ведомого преобразователя работают со сдвигом по фазе на 180° (относительно ключей ведущего преобразователя напряжения). При этом принципиально, что выходные обмотки силовых трансформаторов обоих преобразователей напряжения через высокочастотные (ВЧ) выпрямители работают на общий выходной фильтр. Другой путь построения мощных модулей питания связан с использованием квазирезонансных вторичных источников питания (аналогичных модулям питания фирмы Vicor). Преобразователь напряжения с мощностью в несколько киловатт также может быть выполнен одинарным (по одноячеечной структуре) с силовым ключом на мощном биполярном транзисторе с изолированным затвором (БТИЗ/IGBT). Однако сегодня частота преобразования на IGBT составляет не более 100–150 кГц (реально не более 100 кГц).
Типовые структуры и некоторые замечания по выбору компонентов силовой электроники
Мощные источники питания сегодня востребованы достаточно широко, и потребность в них будет расти. Они используются в системах бесперебойного питания, в радиопередающей и различной аналитической аппаратуре, лазерной технике и т. п. Вместе с тем, по мнению авторов, нигде комплексно и достаточно полно не рассмотрены алгоритм выбора современных компонентов силовой электроники и их номенклатурный набор, ориентированный именно на разработку мощных источников питания. В то же время особенности структуры, схемотехники и характеристики источников питания (КПД, показатели электромагнитной совместимости, надежности функционирования, масса и габариты) в значительной степени определяются типами использованных компонентов силовой электроники.
В настоящее время проблемы разработки маломощных (от 1 до 50 Вт) импульсных источников питания и источников питания средней мощности (от 50 до 500 Вт) довольно полно описаны в статьях и книгах, как отечественных, так и зарубежных. Кроме того, на рынке продаж достаточно много моделей отечественных и импортных источников питания — AC-DC и особенно DC-DC преобразователей напряжения. В то же время выбор мощных покупных источников питания (от 500 Вт до 3–5 кВт и более) существенно меньше. К тому же на практике часто требуются источники питания со специальными характеристиками. На Всероссийской конференции «Разработка электроники на заказ»» (Санкт-Петербург, 3 ноября 2005 года) отмечалось, что «рынок источников питания небольшой мощности перенасыщен, а рынок заказных, в первую очередь, мощных источников питания еще далек от насыщения».
В статье рассмотрен спектр основных компонентов силовой электроники, необходимых для реализации современных вторичных источников питания с выходной мощностью 600-5000 Вт. Анализ базы компонентов силовой электроники сделан на основе структуры силовой части типа «входное (сетевое) устройство корректор коэффициента мощности (ККМ/PFC) однотактный прямоходовой (forward) преобразователь напряжения» с двумя последовательно включенными силовыми ключами по схеме так называемого «косого» моста. Подробно описаны компоненты основных узлов мощных вторичных источников питания, таких как сетевой выпрямитель, корректор коэффициента мощности на входе преобразователя напряжения, выходной высокочастотный выпрямитель и фильтр. Приведены параметры и свойства магнитопроводов для накопительных дросселей и высокочастотных силовых трансформаторов. Алгоритм выбора основных компонентов пояснен на примере расчета модулей питания мощностью 1215 Вт (220 В 50 Гц/27 В; 45 А) и 2400 Вт (220 В 50 Гц/48 В; 50 А).
Компоненты силовой электроники для мощных импульсных источников питания
Силовая электроника 2'2006
Your browser doesn't support objects Your browser doesn't support objects
Your browser doesn't support objects Your browser doesn't support objects
Your browser doesn't support objects Your browser doesn't support objects
Your browser doesn't support objects Your browser doesn't support objects
Компоненты силовой электроники для мощных импульсных источников питания
Комментариев нет:
Отправить комментарий