Г. В. Павлов, проф., д-р техн наук, А. В. Обрубов, доц., канд техн наук


Скачати 144.49 Kb.
НазваГ. В. Павлов, проф., д-р техн наук, А. В. Обрубов, доц., канд техн наук
Дата13.08.2013
Розмір144.49 Kb.
ТипДокументи
bibl.com.ua > Фізика > Документи




УДК 621.314

Г.В. Павлов, проф., д-р. техн. наук, А.В. Обрубов, доц., канд. техн. наук

Національний університет кораблебудування, м. Миколаїв
високовольтнИй квазірезонанснИй перетворювАч З Синхронним Ключем
Представлен анализ схемы замещения инвертора высоковольтного однотактного квазирезонансного преобразователя и структура локальной системы управления, которая обеспечивает оптимальную коммутацию силового ключа при изменениях параметров элементов схемы.
Представлено аналіз схеми заміщення інвертору високовольтного однотактного квазірезонансного перетворювача і структура локальної системи управління, котра забезпечує оптимальну комутацію силового ключа при змінах параметрів елементів схеми.
The analysis of an equivalent circuit of the inverter high-voltage single-cycle of quasi-resonant converter and structure of a local control system is submitted which provides optimal switching a power switch at changes of parameters of elements of the circuit.
Ключові слова: високовольтний квазірезонансний перетворювач, локальна система управління, помножувач напруги, резонанс, резонансна частота
Вступ

Існуючі технічні рішення виробників перетворювачів демонструють тенденцію використання у сучасній високовольтній техніці резонансних методів перетворення [5, 6, 7, 8]. Високовольтні перетворювачі, як правило, мають у своєму складі резонансні або квазірезонансні інвертори. У квазірезонансних перетворювачів (КРП) вільні коливання в резонансних колах займають обмежені проміжки часу в кожному робочому циклі. При потужності до сотень ватт їх доцільно будувати на основі однотактних резонансних схем, подібних до зворотньоходових перетворювачів [2]. Зменшення кількості силових ключів у підвищувальній ступені перетворювача полегшує забезпечення стійкості силової схеми до електромагнітних завад з боку високовольтної частини і таким чином сприяє підвищенню надійності перетворювача. У КРП (зокрема, в інверторах) можуть використовуватися паразитні параметри – індуктивності розсіювання й міжвіткові ємності трансформаторів. Це особливо необхідно при відносно великих значеннях коефіцієнта трансформації , коли паразитні параметри елементів вторинного кола утруднюють забезпечення ефективної роботи інвертора із жорсткою комутацією ключів.

Постановка проблеми. Проблемою підвищувальних перетворювачів з великим коефіцієнтом трансформації є вплив резонансних коливань у вторинних колах на процеси в первинних колах. Цей вплив може призводити до порушення монотонності регулювальної характеристики і до комутації ключів при ненульових значеннях напруги, що в свою чергу викликає появу надмірно великих імпульсів струму ключа, різкого підвищення комутаційних втрат і зниження надійності силової схеми.

Ціллю роботи є аналіз коливальних властивостей силової схеми високовольтного квазірезонансного перетворювача і розробка структури локальної системи управління силовим транзистором підвищувальної ступені з синхронізацією комутації, яка дозволяє зберігати оптимальну комутацію транзистора в нулі напруги та струму й забезпечити монотонну регулювальну характеристику перетворювача при значних змінах параметрів елементів, що входять до резонансних кіл його силової схеми.
Аналіз коливальних властивостей силової схеми

Однотактні КРП із трансформаторами відповідають двом типам схем: зворотньоходовий і прямоходовий, з комутацією в нулі напруги або в нулі струму. Прямоходові схеми зазвичай використовуються для навантажень із малим опором. При цьому процеси вільних коливань у силовій схемі залежать головним чином від параметрів елементів на стороні первинної обмотки. Підвищувальні (високовольтні) КРП працюють з великими опорами навантажень і будуються на основі квазірезонансних інверторів (КРІ) з комутацією в нулі напруги (КРІ-НН). На процеси в їхніх схемах істотний вплив роблять як первинні, так і вторинні параметри.

Перевагою високовольтних КРІ-НН є можливість підвищення напруги не тільки за рахунок трансформатору, а ї безпосередньо на первинній стороні у КРІ. Підвищення напруги на первинній стороні відбувається при формуванні синусоїдальної хвилі напруги зворотного ходу на силовому ключі. Амплітуда напруги зворотного ходу може на порядок перевищувати напругу живлення КРІ. Загальний коефіцієнт підвищення напруги у високовольтному КРП відповідає добутку коефіцієнта підвищення напруги у КРІ й коефіцієнта трансформації. Це дозволяє при коефіцієнті трансформації порядку 100 отримати максимальний коефіцієнт підвищення напруги КРП на рівні 1000-1200 і далі підвищувати напругу у діодно-каскадній схемі помножувача.

Схему однотактного КРІ (підвищувальної ступені високовольтного перетворювача) можна представити у вигляді узагальненої схеми на рис. 1, що містить силовий ключ – польовий транзистор VT зі зворотним діодом VD, пасивні кола – формуючі елементи й трансформатор, представлені у вигляді трьохполюсника із трикутником комплексних опорів , , і джерелом напруги живлення . Навантаження (на схемі явно не показано) підключається до виводу з напругою й до одного з полюсів джерела живлення. Необхідні умови працездатності КРІ на рис. 1 можна сформулювати так:

  • наявність шляху струму провідності від позитивного полюса джерела живлення до стоку транзистора;

  • наявність індуктивності на зазначеному шляху провідності;

  • коливальний характер опору (між лівим і нижнім за схемою на рис. 1 виводами трьохполюсника);

  • ввімкнення й запирання транзистора повинне відбуватися при близькій до нуля напрузі.



Рис. 1. Узагальнена схема підвищувальної ступені високовольтного перетворювача
Схеми трьохполюсників на рис. 2, що відповідають узагальненій схемі, демонструють перехід до пасивного кола КРІ-НН із підвищувальним трансформатором.



а б



в

Рис. 2. Схеми заміщення пасивних кіл квазірезонансного інвертора
Для схем на рис. 1 і рис. 2,а можна записати

,

,

,

де додатково введені активні опори втрат і в паралельних контурах. Опори втрат силової схеми КРІ з урахуванням коливального характеру комплексного опору повинні бути малі, тому в багатьох випадках падіннями напруги на них можна зневажити. Схема на рис. 2,а перетвориться в схему на рис. 2,б з використанням відомих співвідношень:

;

;

,

де , , – індуктивності намагнічування й розсіювання трансформатора, – додаткова індуктивність у первинному колі, – формуюча ємність, – сумарна паразитна ємність вторинної обмотки трансформатора і ємність навантаження. Схема заміщення на рис. 2,б у свою чергу може бути представлена у вигляді схеми пасивного кола на рис. 2,в з підключеним навантаженням через розділовий конденсатор досить великої ємності. Пасивне коло КРІ-НН із найбільш значимими паразитними параметрами при малих опорах втрат є складною коливальною системою, що має кілька резонансних частот. Зневажаючи опорами втрат, резонансні частоти реактивного трьохполюсника на рис. 2,а з ємнісним навантаженням можна визначити з умови рівності нулю або нескінченності реактивного опору



Для можна визначити, принаймні, одну частоту загального паралельного резонансу з рівняння

,

рішення якого має два корені у вигляді . (Повні вирази, розраховані в загальному виді, не приводяться з причини їхньої громіздкості). Для мають місце дві частоти загального послідовного резонансу з боку транзистора



і з боку виходу

.

Також слід зазначити наявність двох резонансних частот локальних паралельних контурів і , у яких може виникати резонанс струмів. Для , справедливо

; .

Таким чином, залежно від значень параметрів у пасивному колі КРІ-НН явище резонансу може мати місце як мінімум при п'яти значеннях частоти. Вільні коливання напруги на вхідному паралельному контурі із частотою, близької до частоти використовуються для формування імпульсу зворотного ходу при закритому ключі КРІ-НН. Вільні коливання із частотою, що входить у діапазон настроювання частоти перетворення, можуть бути використані для формування гармонійних коливань на виході. Однак, коливання з малим загасанням, обумовлені явищами резонансу на частотах, що не входять у діапазон частоти перетворення й не близькі до частоти , можуть стати причиною порушення необхідних умов комутації транзистора й, як наслідок, привести до збільшення втрат і автоколивань у контурі управління КРІ-НН зі зворотним зв'язком. Демпфування пасивного кола КРІ-НН або зрушення резонансних частот у ряді випадків практично здійснити не представляється можливим, оскільки це може привести до невиправданого збільшення масогабаритних показників. Отже, найбільш раціональним шляхом є побудова системи управління зі стійкою синхронізацією по закінченню імпульсу зворотного ходу й обмеженням максимального струму відкритого транзистора.
Структура локальної системи управління

Робочий цикл КРІ-НН можна розділити на кілька часових проміжків (епюри на рис. 3). Початок відліку часу циклу T збігається з моментом переходу через нуль напруги на транзисторі . Початковий проміжок відповідає малій затримці включення транзистора, необхідної для надійної фіксації близької до нуля напруги на ключі й компенсації зони нечутливості нуль-органа системи управління. Починаючи з моменту часу , на затвор транзистора подається керуюча напруга і відмикає транзистор, який переходить у відкритий стан при малій напрузі стік-витік (порядку ). Первинна обмотка трансформатора й дросель (рис. 2,в) підключаються через канал транзистора до джерела живлення. Частина енергії, накопиченої на реактивних елементах у попередньому циклі, віддається в джерело живлення до моменту часу . У проміжку часу струм первинного кола є негативним і протікає назустріч ЕРС джерела живлення.


Рис. 3. Епюри процесів у схемі квазірезонансного інвертора
У проміжку первинний струм стає позитивним. Енергія починає відбиратися від джерела живлення й накопичується в реактивних елементах пасивного кола (головним чином – в індуктивностях на стороні первинної обмотки). Після закінчення заданої в системі управління затримки імпульс управління транзистором закінчується. Транзистор переходить у закритий стан. Починаючи з моменту часу , енергія, яка накопичена в індуктивностях первинного кола, і енергія джерела живлення починають надходити в ємність . Енергообмін на проміжку часу закритого стану ключа супроводжується вільними коливаннями напруги . Система управління повинна відслідковувати одну напівхвилю напруги і після фіксації її закінчення в черговий раз відкривати транзистор. При цьому струм первинного кола міняється у зворотному напрямку (зменшується) і в стаціонарному режимі прагне до значення, що мало місце на початку циклу. У такий спосіб формується імпульс напруги зворотного ходу, під час якого енергія повинна надходити в навантаження. Максимальна напруга на ємності пов'язана з максимальним струмом первинного кола й може бути оцінена в такий спосіб: , де й – хвильовий опір і добротність первинного контуру. При відносно високій добротності вторинного контуру ( на рис. 2,а) під час роботи КРІ у вторинному колі виникають резонансні коливання зі значною амплітудою, які впливають на форму струму первинного кола й напруги зворотного ходу (штрихові криві на рис. 3). Це утрудняє використання розповсюдженого принципу струмового управління однотактними перетворювачами [2, 3, 4]. Плавна зміна порога перемикання струмового компаратора буде в цьому випадку супроводжуватися різкими змінами тривалості імпульсів управління й фази швидкоосциллюючої складової струму. У системі авторегулювання зі зворотним зв'язком різка зміна параметрів імпульсів буде передана як зміна вихідних величин по зворотному зв'язку на регулятор, що, як показали численні експерименти, приводить до виникнення релаксаційних коливань у контурі регулювання. Ці коливання проявляються у вигляді низькочастотних пульсацій вихідної напруги КРП (після випрямлення). Таким чином, можна припустити, що в системі управління КРІ-НН із підвищувальним трансформатором сигнал, що відповідає струму транзистора, не повинен використовуватися в законі управління. Струмовий датчик повинен використовуватися тільки для захисних функцій. Але незалежне від процесів у пасивному колі управління із заданими довжинами відкритого й закритого станів транзистора має обмежені можливості регулювання і може привести до небажаних вищезазначених явищ. Для забезпечення комутації в нулі напруги при нестабільних параметрах пасивного кола необхідно забезпечувати більшу затримку , порівняно із проміжком , що спричиняє додаткове обмеження зверху частоти перетворення, а значить і потужності КРП.

Представлена на рис. 4 структурна схема синхронної системи управління КРІ-НН дозволяє зберігати режим комутації транзистора в нулі напруги й забезпечити монотонну регулювальну характеристику в широкому діапазоні регулювання та змін параметрів елементів силової схеми. Оптимальні умови комутації зберігаються при змінах параметрів резонансного контуру завдяки синхронізації роботи КРІ-НН з фазою резонансних коливань.

Регулювання КРІ-НН може здійснюватися частотним і широтним способами зміною величин затримок і , а також амплітудним способом зміною напруги живлення за допомогою регульованого додаткового каскаду з ШІМ-регулюванням на стороні низької напруги. На структурній схемі показані тільки ті елементи, які використовуються для реалізації закону локального управління транзистором КРІ-НН. Принцип роботи системи управління полягає в наступному. Граничний елемент LE відслідковує напругу на транзисторі VT. Коли ця напруга стає менше заданого порога (момент часу ), на виході LE встановлюється активний рівень сигналу, який із затримкою запускає тригер D2. Активний сигнал тригера через буферний підсилювач BA відкриває транзистор VT. Невелика затримка включення транзистора дозволяє відфільтрувати імпульси перешкод із тривалістю меншою . Сигнал на виході ланки затримки запускає відлік часу відкритого стану транзистора.



Рис. 4. Структурна схема локальної системи управління КРП
Якщо струм транзистора не перевищив максимально припустиме значення, і падіння напруги на каналі транзистора не перевищило поріг LE протягом проміжку , сигнал на виході ланки затримки через логічний елемент D1 скидає тригер і транзистор закривається.

При досягненні струмом транзистора максимально припустимого значення LE переходить у неактивний стан, що приводить до негайного зняття сигналу управління транзистором. У такий спосіб реалізується захист транзистора в кожному циклі. У момент часу починається імпульс зворотного ходу. LE залишається в неактивному стані доти, поки напруга на транзисторі більше порога переключення LE. Далі процеси повторюються. Поріг переключення LE доцільно вибирати виходячи із припустимої прямої напруги на відкритому польовому транзисторі й ступеня використання транзистора по струму (орієнтовно в межах 0,1-0,8 В). Робота КРІ може бути синхронізована з зовнішнім логічним сигналом, якщо його подати на додатковий вхід скидання тригеру локальної системи управління. Синхронізація може знадобитися при роботі КРП з додатковим імпульсним перетворювачем на стороні низької напруги, який здійснює регулювання амплітуди напруги живлення силової схеми КРП.
Силова частина перетворювача

Схема силової частини і локальних систем управління високовольтного перетворювача складається з наступних широтно-імпульсного каскаду, підвищувальної ступені, помножувача напруги. Широтно-імпульсний каскад містить у своєму складі локальну систему управління на основі мікросхеми DA1, та мікросхеми управління стійкою силових польових транзисторів DA2 типу IR2111, які живляться від стабілізованої напруги. Силова частина живиться від напруги первинного живлення UAK і побудована з синхронними керованими силовими ключами VT4-VT6, діодами Шоттки VD18, VD19, додатковим дроселем L1 та конденсаторами фільтрування вхідних пульсацій CE5, C27. Локальна система управління у якості вхідних приймає сигнал управління UREG (напруга регулювання від регуляторів). При зміні напруги регулювання UREG в діапазоні від нуля до 5 В ширина імпульсів на виході широтно-імпульсної ступені змінюється від нуля до такого значення, при якому середня напруга на її виході дорівнює 12 В. Для цього використовується локальний внутрішній регулятор мікросхеми DA1 підсилювач A1, що порівнює вхідну напругу регулювання і напругу зворотного зв’язку по середній напрузі ШІП (подільник напруги R26, R34, CE2) і управляє належним чином модулятором мікросхеми, яка працює в однотактному режимі і видає імпульсні сигнали на мікросхему управління транзисторами DA2 та у локальну систему управління КРП.

Локальна система управління, ключ КРП (силовий польовий транзистор VT6), дросель L1, резонансні конденсатори C16, C17 та трансформатор TV1 складають підвищувальну ступень перетворювача. Система управління КРП побудована на основі мікросхеми інтегрального таймеру DA3.


Рис.5. Схема силової частини високовольтного перетворювача ї локальних систем управління
На вхід системи управління КРП поступають імпульси синхронізації від системи управління широтно-імпульсного каскаду, що забезпечують синхронну роботу силових транзисторів згідно з належним принципом комутації.

Також система управління КРП виконує важливі функції стеження за струмом транзистора у відкритому стані і за його напругою у закритому стані. Струм транзистора контролюється по прямому падінню напруги на його каналі у відкритому стані, що дозволяє забезпечити ефективний захист високовольтного перетворювача від перевантажень. Контроль напруги на транзисторі у закритому стані дозволяє сформувати напівхвилю імпульсу КРП і відкривати та закривати цей транзистор при близьких до нуля напрузі та струму, тобто забезпечити оптимальні умови комутації. Система управління КРП в режимі очікування здатна генерувати імпульси автономно без синхронізації. Потім, коли виникають імпульси широтно-імпульсного каскаду, КРП входить у синхронний режим і імпульси напруги поступають у трансформатор. Імпульси у високовольтному трансформаторі перетворюються в коливання напруги величиною до 15…18 КВ на вторинній обмотці. Далі ці високовольтні коливання випрямляються шестикаскадним помножувачем напруги (діоди VD2-VD17 і конденсатори C5-C26) та перетворюються в постійну вихідну напругу величиною до 90 КВ. Максимальний вихідний струм експериментального високовольтного перетворювача у неперервному режимі обмежено електронікою на рівні 300 мкА, номінальний робочій струм дорівнює 100 мкА.
Висновки

1. Аналіз коливальних властивостей силової схеми КРІ, який входить до складу високовольтного КРП, показав наявність додаткових резонансних частот пасивних ланок і суттєвий вплив коливань з цими частотами на умови комутації силового ключа. Для забезпечення комутації силового ключа КРП при нульовий напрузі потрібно прив’язати моменти відкривання ключа до моментів закінчення основної хвилі напруги зворотного ходу.

2. Запропоновано структуру локальної системи управління КРП з синхронізацією від сигналу управління та від фази резонансних коливань, яка дозволяє зберігати комутацію транзистора в нулі напруги й забезпечити монотонну регулювальну характеристику КРП при значних змінах параметрів елементів його силової схеми.

3. Структура локальної системи управління реалізована в експериментальному високовольтному перетворювачі для електростатичних технологій. Перетворювач має низький рівень генерованих перешкод, енергетичних втрат і високу надійність.
Список використаної літератури

  1. Важов В.С., Лавринович В.А., Лопаткин С.А. Техника высоких напряжений / Курс лекций для бакалавров направления 140200 “Электроэнергетика” – Томск: Изд–во ТПУ, 2006. – 119 с.

  2. Драбович Ю.И., Криштафович И.А., Пономарев И.Г. Построение высоковольтных источников постоянного напряжения повышенной надежности // Проблемы преобразовательной техники, ч.1. – Киев: Изд. ИЭД АН УССР, 1979, с. 87-90.

  3. Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. – М.: Радио и связь, 1986. – 200 с.: ил.

  4. Поликарпов А.Г., Сергиенко А.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. – М.: Радио и связь, 1989. – 160 с.: ил.

  5. B. Andreycak, Zero Voltage Switching Resonant Power Conversion. Data Book 2000 / Products from Texas Instruments. Unitrode Corporation // USA., Virginia: Banta Book Group Harrisonburg. – Vol. 1632. – 1999.

  6. http://www.powersolutions.com

  7. http://www.spellmanhv.com

  8. http://www.voltagemultipliers.com

Схожі:

Мінрегіонбуд України Київ 2009
В. С., д-р техн наук, проф.; Вернигора В. О., канд техн наук; Галінський О. М., канд техн наук; Григоровський П.Є., канд техн наук;...
Г. В. Павлов, проф., д-р техн наук, А. В. Обрубов, доц., канд техн наук
Представлен анализ процессов силовой схемы высоковольтного однотактного квазирезонансного преобразователя, результаты моделирования,...
ГСВО МОН
Черкаського ін-ту управління бізнесом; О. Ф. Кравченко, канд екон наук, доц. КДТУБА; М. М. Мартиненко, д-р техн наук, проф. КЕІМ;...
Проблеми поглиблення демократичних засад адміністративної реформи в Україні
М. Я. Сегай, д-р юрид наук, проф.; О. Ф. Скакун, д-р юрид наук, проф.; М. М. Стра­хов, д-р юрид наук, проф.; Ю. М. Тодика, д-р юрид...
Освітньо-професійна програма підготовки СПЕЦІАЛІСТА (назва освітньо-кваліфікаційного...
М; В. Д. Рожок, д-р техн наук, проф. КЕІМ; С. М. Соболь, канд екон наук, доц. КНЕУ; Ф.І. Хміль, д-р екон наук, проф. ЛКА; В. Г. Шинкаренко,...
РСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ до виконання лабораторних...
Укладачі: О. А. Щербина, канд техн наук, доцент, М. М. Орлова, канд техн наук, доцент
К. М. Ситника Допущено Міністерством освіти і науки України
Рецензенти: д-р техн наук, проф. /. М. Астрелін (Національний технічний університет України «КПІ»), д-р техн наук, проф. О. Я. Лобойко...
НІВЕРСИТЕТ імені ВАДИМА ГЕТЬМАНА Кредитно-економічний факультет Матеріали...
Члени редакційної колегії Т. В. Майорова, канд екон наук, доц.; А. М. Мороз, д-р екон наук, проф.; Л. Л. Примостка, д-р екон наук,...
Національна програма виховання дітей та учнівської молоді в Україні Авторський колектив
В. М., доктор пед наук; Охрімчук P. M., канд пед наук; Полянський П. Б., канд. істор наук, директор департаменту загальної середньої...
ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
Рецензенти: Н. В. Притульська, зав каф товарознавства та експертизи прод товарів Київського нац торгівельно-економічного ун-ту, проф.,...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Портал навчання


При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання © 2013
звернутися до адміністрації
bibl.com.ua
Головна сторінка