Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Мохаммед Салех Ватхик
Юнис Мохаммад Салех Расширение диапазона рабочих режимов и уменьшение потерь мощных импульсных преобразователей на базе мостовой схемы с фазовым сдвигом
Специальность 01.04.03 - Радиофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Воронеж 2012
Работа выполнена в Воронежском государственном университете
Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор БОБРЕШОВ Анатолий Михайлович
Официальные оппоненты: БИРЮК Николай Данилович, доктор физико-математических наук, профессор, Воронежский государственный университет, г.Воронеж, профессор кафедры экспериментальной физики РУДНЕВ Евгений Анатольевич кандидат физико-математических наук, ОАО УКонцерн УСозвездиеФ, Заместитель начальника НТУ
Ведущая организация: Рязанский радиотехнический университет, г. Рязань
Защита состоится л20 декабря 2012г. в 17-00 на заседании диссертационного совета Д. 212.038.10 при Воронежском государственном университете по адресу:
394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1, физический факультет, ауд. 4
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета.
Автореферат разослан л19 ноября 2012 г.
Ученый секретарь МАРШАКОВ диссертационного Владимир Кириллович.
совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. За последнее десятилетие значительно выросла потребность в малогабаритных преобразователях с выходной мощностью более 1кВт. Однако увеличение выходной мощности приводит к значительным техническим трудностям, необходимость преодоления которых стимулирует развитие силовой электроники. Можно утверждать, что современные исследования в области транзисторной преобразовательной техники направлены на решение следующих основных проблем: уменьшение выделяемого тепла, уменьшение электромагнитных помех, повышение точности и быстродействия системы регулирования, обеспечение устойчивости во всех возможных режимах работы, повышение рабочей частоты. Причем потери являются основным фактором, сдерживающим увеличение мощности. С одной стороны, увеличение потерь требует решения задачи эффективного отвода тепла от полупроводниковых элементов. С другой стороны, механизмы, обусловливающие рост динамических потерь, в то же время приводят к возбуждению интенсивных помех во время работы.
Основной вклад в бюджет тепловых потерь вносит процесс переключения силовых ключей и выпрямительных диодов.
Уменьшение этих потерь (они называются динамическими) может быть достигнуто увеличением скорости переключения силовых элементов, но это не решает проблему полностью, особенно при большой мощности преобразователя. Более эффективным способом снижения потерь является использование активно исследуемых в настоящее время схем с УмягкимФ переключением. Такие схемы содержат резонансные цепи, которые формируют диаграммы изменения токов и напряжений на силовых элементах схемы. Переключение происходит в моменты времени, когда токи или напряжения на транзисторных ключах достигают нулевых значений. Тем самым достигается кардинальное снижение динамических потерь.
Следует особо отметить, что большинство известных схем с мягким переключением обладает рядом недостатков, зачастую затрудняющих их применение. Как правило, они не допускают возможности регулирования выходных параметров в широких пределах, их эффективность значительно снижается в режимах малой нагрузки или холостого хода. Это связано с тем, что мягкий режим переключения обеспечивается энергией, накапливаемой индуктивностью рассеяния и при малой нагрузке или увеличении паузы схема переходит в жесткий режим работы.
Исследования в указанной области имеют важное прикладное значение и представляют научный интерес. В связи с этим, при выполнении работы, был сделан акцент на исследование схем с мягким переключением, в первую очередь мостовой схемы с фазовым управлением, которая является одной из наиболее перспективных с точки зрения повышения мощности.
Цели и задачи исследования:
1. Исследовать современные виды мощных транзисторных преобразователей и основные факторы, препятствующие увеличению мощности.
2. Выделить наиболее перспективные направления для построения транзисторного преобразователя с повышенной выходной мощностью.
3. Предложить и исследовать новые схемные решения, обеспечивающие уменьшение рассеиваемой мощности, электрических и электромагнитных помех, а также преодоление других факторов, препятствующих увеличению выходной мощности.
Методы исследования. В работе были использованы методы анализа электрических цепей и сигналов, методы численного моделирования. Кроме того, при выполнении работы были использованы методы компьютерного моделирования с применением современных систем автоматизированного проектирования (САПР). Также проведены экспериментальные исследования.
Научная новизна:
1. В результате компьютерного моделирования и анализа структур управления силовыми ключами источников питания, решены задачи снижения уровней динамических потерь и создаваемых электрических и электромагнитных помех.
2. Предложены схемотехнические решения, обеспечивающие гальваническую развязку ключей с помощью трансформаторов, и позволяющие существенно уменьшить влияние паразитных параметров управляющих трансформаторов (индуктивность намагничивания и индуктивность рассеяния), для повышения быстродействия схем управления затворами.
3. Показано, что предложенная мостовая схема с фазовым сдвигом и двумя несимметрично включенными трансформаторами обеспечивает мягкий режим переключения силовых транзисторов в широком диапазоне изменения нагрузок за счет наличия дополнительного механизма поддержания тока в первичных обмотках трансформаторов во время паузы, не связанного с индуктивностью рассеяния. Обнаруженное свойство схемы позволяет значительно расширить область ее применения.
4. Определены условия и режимы работы мостовой схемы с фазовым управлением источника питания, обеспечивающие отсутствие или значительное снижение динамических потерь.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Комплекс исследований особенностей управления затворами силовых ключей с помощью резонансной схемы.
2. Методика и схемы управления затворами силовых ключей с использованием вспомогательного полевого транзистора и управляющего трансформатора.
3. Рекомендации по использованию двухтрансформаторной мостовой схемы с фазовым управлением с целью расширения диапазона допустимых режимов работы.
4. Результаты схемотехнического компьютерного моделирования преобразователя на базе двухтрансформаторной мостовой схемы с фазовым управлением.
Достоверность. Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается соответствием выводов известным фундаментальным теоретическим представлениям, а также соответствием результатов моделирования экспериментальным данным.
ичный вклад автора определяется проведением моделирования с использованием схемотехнических пакетов, эксперимента, а также анализом полученных результатов.
Апробация работы. Основные материалы по всем разделам диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
XVIII международной научно-технической конференции Радиолокация, навигация, связь, Воронеж, 2012.
9-м Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 2011.
Внедрение результатов. Научные результаты, полученные в ходе настоящего диссертационного исследования, были использованы в научноисследовательских работах, выполнявшихся на кафедре электроники Воронежского государственного университета, ФЦП Научные и научнопедагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы (государственный контракт № П1140 и № 14.740.11.1081), а так же в учебном процессе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, работы [1, 2] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций основных результатов диссертаций, остальные работы - в сборниках трудов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, изложенных на 152 страницах машинописного текста, 72 иллюстраций и списка литературы из 92 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отмечена актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели работы, решаемые задачи, приведена структура диссертации.
В первой главе проводится обзор литературы по теме диссертации, анализ параметров и сравнение основных схем построения современных импульсных источников питания, рассмотрены их преимущества и недостатки, а также область применения. Исследование преобразователей с гальванической развязкой показало, что прямоходовые преобразователи превосходят обратноходовые по эффективности, габаритной мощности и ряду других параметров. Среди прямоходовых преобразователей был выделен класс двухтактных преобразователей. Их преимущества обусловлены способностью наиболее эффективно использовать магнитные материалы трансформаторов, а симметричный режим работы исключает необходимость наличия отдельного интервала размагничивания. И, наконец, было показано, что мостовой преобразователь, который относится к двухтактным прямоходовым преобразователям, обладает наилучшим показателем габаритной мощности и является оптимальным решением для мощных источников питания, работающих от сети. Таким образом, была выбрана базовая схема для последующего исследования и создания импульсных источников питания с выходной мощностью более 1кВт и улучшенными параметрами.
Во второй главе исследуются схемы управления силовыми транзисторами и решения, обеспечивающие снижение коммутационных потерь за счет уменьшения времени переключения силовых транзисторов. Влияние входных токов в момент переключения на интенсивность потерь обусловлено наличием относительно большой (до 10 нФ) входной емкости транзистора. Так, полевой транзистор с изолированным затвором включает в себя три паразитных конденсатора, CЗИ, CЗС и CСИ, включенных между выводами прибора.
Таким образом, процесс переключения сопряжен с перезарядом указанных емкостей.
При этом следует учитывать, что процесс переключения содержит четыре ярко выраженных интервала (рис.1).
Известно, что основная часть динамических потерь приходится на период 2, 3.
Мощность этих потерь определяется по формулам:
2 (1) 2 = СИ выкл ;
3 (2) 3 = СИ выкл.
Общие потери на переключение можно найти как сумму этих двух компонентов:
СИ выкл 2 + (3) переключ = 2 + 3 =.
2 Рис. 1. Временные диаграммы Аналитические выражения для 2 и 3:
процесса включения.
ЗИ Миллера - пор (4) 2 = ;
ЗСИ выкл (5) 3 = , Згде ЗИ Миллера - напряжение плато Миллера, Uпор - пороговое напряжение транзистора. Из приведенных соотношений очевидно, что коммутационные потери зависят от токов перезаряда входных емкостей, а их снижение может быть достигнуто путем увеличения токов перезаряда. Таким образом, актуальным остается вопрос поиска оптимальных схемотехнических решений для управления мощными полевыми транзисторами с изолированными затворами.
Анализ процессов, происходящих при переключении силовых транзисторов, а тем более подробный анализ электрических схем, не всегда может быть с достаточной точностью выполнен с помощью аналитических соотношений. С другой стороны, современные программные пакеты схемотехнического моделирования, такие как PSpice, содержат адекватные модели современных транзисторов и позволяют производить анализ временных рядов с необходимой точностью. Считается, что используемые в программных пакетах методы численного моделирования способны давать результаты, близкие к результатам натурного эксперимента. С учетом сказанного, программа PSpice была выбрана в качестве базового инструмента для исследования схем управления силовыми транзисторами, а также работы силовых контуров.
Известно, что в подавляющем большинстве практических случаев используется простейшая схема, когда затвор подключается к выходному буферу ШИМ-контроллера напрямую или через токоограничивающий резистор.
При этом выходной буфер должен обеспечивать требуемый ток для быстрого заряда и разряда емкости затвора (рис.2).
(б) (а) Рис. 2. (а) - Схема прямого управления затвором силового ключа, (б) - временные диаграммы процесса включения и выключения при прямом управлении затвором транзистора.
При этом имеется немного доступных схем, способных обеспечивать импульсный ток более 1А. Этот факт ограничивает ускорение процесса переключения и не позволяет снижать динамические потери. Так, в конкретном рассмотренном случае, динамические потери на каждом из ключей составляли не менее 3.5% от выходной мощности преобразователя.
В работе был исследован ряд схем, позволяющих добиться снижения динамических потерь. Один из способов снижения потерь основан на применении вспомогательных транзисторов, через которые происходит разряд входной емкости ключа. При этом не только обеспечиваются большие токи перезаряда, но и снижается нагрузка на выходные буферы ШИМ-контроллеров (рис.3).
(а) (б) (в) (г) Рис. 3 (а) - схема управления затвором на биполярном pnp-транзисторе; (б) - ток через выход схемы-драйвера или ШИМ-контроллера во время переключения при прямом управлении затвором транзистора (кривая а) и при использовании схемы на биполярном pnp-транзисторе (кривая б); (в) - схема управления на полевом транзисторе; (г) - временные диаграммы процесса переключения схемы на биполярном и полевом транзисторах.
При этом наилучший эффект достигается при использовании полевых транзисторов в качестве вспомогательных ключей. К сожалению, в этом случае для управления вспомогательным ключом требуется дополнительный инвертированный выход ШИМ-контроллера, что на практике усложняет схему управления. Тем не менее, применение вспомогательного ключа позволяет снизить динамические потери в 4 - 6 раз.
Для уменьшения времени включения в работе было предложено заменить токоограничивающий резистор дросселем, который в совокупности с паразитной входной емкостью транзистора образует резонансный LC-контур.
Указанный контур позволяет снижать в 2 раза время заряда входной емкости, что значительно уменьшает время включения.
При этом среднее значение тока при резонансном способе переключения оказывается большим при одинаковых пиковых значениях тока. Рис.4 иллюстрирует описанный эффект.
Как показали результаты схемотехнического моделирования, одновременное Рис. 4. Временные диаграммы токов заряда емкости через резистор и применение дросселя и вспомогательного дроссель.
полевого транзистора позволяет снизить динамические потери на ключе вплоть до 0,5% от выходной мощности преобразователя (рис.5).
(а) (б) Рис. 5. (а) - комбинированная резонансная схема с ускоряющим n-канальным МОП транзистором; (б) - временные диаграммы напряжений на затворах транзисторов для резонансной и нерезонансной схем.
Исходя из особенностей мостовой схемы, выбранной в качестве базовой, необходимо добиться не только снижения динамических потерь, но и обеспечить гальваническую развязку в цепях управления. Это требование может быть достигнуто применением импульсных трансформаторов в схемах управления затворами ключей. Кроме того, в ходе исследования было предложено использовать энергию, запасаемую трансформатором и связанную с индуктивностями рассеяния и намагничивания, для управления вспомогательным ключом. Так, для открытия полевого транзистора с изолированным затвором требуется зарядить его входную емкость, затратив при этом энергию, равную CвхUз, где Cвх - эквивалентная входная емкость вспомогательного ключа, UЗ - напряжение на затворе вспомогательного ключа. Расчеты показывают, что необходимая энергия накапливается в индуктивности намагничивания в конце интервала проводимости ключа. В то же время, во время паузы выходные драйверы фактически замыкают выводы первичной обмотки трансформатора, обеспечивая тем самым напряжение на вторичных обмотках, близкое к нулю. Ток намагничивания при этом циркулирует по замкнутому контуру, что затрудняет отбор необходимой энергии. Для того чтобы использовать энергию индуктивности намагничивания для заряда входной емкости вспомогательного ключа во время паузы, была предложена схема, изображенная на рис. 6 (а).
Рис. 6. (а) - схема управления затвором транзистора со сниженной нагрузкой на схемудрайвер; (б) - временная диаграмма напряжения на затворе в процессе выключения.
В данной схеме управляющий трансформатор представлен своей схемой замещения. Дроссель L обозначает индуктивность намагничивания, а Ls - индуктивность рассеяния трансформатора. Сам трансформатор работает в однотактном режиме, а для его управления используется единственный выход ШИМ-контроллера, усиленный n-канальным MOSFET. Такое решение позволяет снизить нагрузку на выходные буферы, что особенно важно для высокочастотных преобразователей. В течение времени, когда силовой ключ T3 открыт, к L приложено напряжение, которое в зависимости от используемых типов транзисторов составляет 10-15В. Под действием этого напряжения происходит возрастание тока намагничивания L. При закрытии транзистора T1 происходит размыкание первичной обмотки трансформатора, под воздействием ЭДС самоиндукции полярность напряжения на L изменяется, что приводит к открыванию вспомогательного ключа T2. Другими словами, заряд входной емкости T2 происходит за счет энергии, накопленной индуктивностью намагничивания. В то же время, индуктивность рассеяния Ls позволяет организовать рассмотренный ранее способ резонансного включения. Результат моделирования схемы приведен на рис. 6 (б). Как видно из приведенной временной диаграммы, время выключения составляет 166 нс, а динамические потери так же составляют 0,5% от выходной мощности преобразователя. В то же время, приведенная схема не требует наличия дополнительных выходных буферов ШИМконтроллера. Условие постоянства рабочей частоты и коэффициента заполнения дает возможность оптимизировать значение индуктивности намагничивания L, которая должна накопить энергию, достаточную для последующего переключения транзистора T2.
Третья глава диссертационной работы посвящена исследованию мостовой схемы с фазовым сдвигом и путей улучшения ее параметров.
(а) (б) Рис. 7. (а) - мостовая схема импульсного преобразователя; (б) - алгоритм фазового управления.
В мостовой схеме, мягкое переключение может быть достигнуто изменением алгоритма управления силовыми транзисторами (Рис. 7), при котором переключение всех транзисторов происходит поочередно в определенной последовательности. Предположим, что во время интервала проводимости открыты Т1 и Т4, то во время паузы закрываются только Т4. В точке Б напряжение меняется на Uвх. Выходная емкость транзистора Т3 разряжается до нуля благодаря току, который поддерживается в первичной обмотке благодаря индуктивности рассеяния, после чего Т3 открывается при нулевом напряжении. Продолжение работы алгоритма обеспечивает открывание всех ключей схемы с нулевыми потерями.
Рассмотренная схема называется мостовой схемой с фазовым сдвигом. В этой схеме, сдвиг между переключениями Т1,Т2 и Т3,Т4 определяет время паузы.
Рис. 8. Напряжения сток-исток на одном из ключей при выходной мощности 3 кВт, и 300 Вт.
В работе была построена и исследована численная компьютерная модель мостового преобразователя с фазовым сдвигом.
На рис. 8 приведены результаты численного моделирования диаграмм тока стока и напряжения сток-исток на одном из ключей при выходной мощности 3 кВт (рис. 8 а), и 300 Вт (рис. 8 б). Видно, что в режиме максимальной нагрузки схема обеспечивает мягкий режим работы. При малой мощности ключ работает в жестком режиме, что приводит к значительному ухудшению параметров - росту потерь и создаваемых помех. Анализ показывает, что основной причиной перехода в жесткий режим работы является недостаточное количество энергии, запасенной индуктивностью рассеяния.
Стремясь преодолеть указанный недостаток, мы в процессе исследования увеличили индуктивность рассеяния в 10 раз. Как следует из результатов моделирования (Рис.9), полученная схема обеспечивает мягкий режим при выходной мощности 300Вт. Однако, с увеличением мощности наблюдается снижение выходного напряжения. Связано это с тем, что напряжение на первичной обмотке разделяется на две составляющие. Одна из указанных составляющих падает на индуктивности рассеяния и не может быть трансформирована в нагрузку. Так, в рассмотренном случае увеличение нагрузки до 3кВт приводит к снижению выходного напряжения в 2 раза (Рис. 13 кривая б), то есть с 30 В до 15 В.
Следовательно, для того, чтобы сохранить выходное напряжение 30В при выходной мощности 3кВт, требуется увеличить значение коэффициента трансформации также в 2 раза. Однако при снижении нагрузки влияние индуктивности рассеяния на выходное напряжение также снижается, поРис.9. Напряжения сток-исток на одном из ключей при выходной мощности 300 Вт этому стабилизация выходного напряжения при увеличенном коэффициенте трансформации достигается благодаря увеличению длительности паузы. Поскольку во время паузы индуктивность рассеяния теряет запасенную энергию, мы наблюдаем переход ключей в жесткий режим работы уже при выходной мощности 600 Вт (Рис.
Рис.10. Диаграмма напряжений сток-исток на 10).
одном из ключей, при выходной мощности Таким образом, увеличение 600Вт для схемы с увеличенной индуктивностью индуктивности рассеяния, примерассеяния.
няемое зачастую на практике, в общем случае не обеспечивает ожидаемого результата, и требуется поиск других механизмов, обеспечивающих мягкий режим работы при малой нагрузке.
Для решения указанной выше проблемы в работе предложено использовать силовой контур с двумя трансформаторами (Рис. 11). Поскольку каждый из трансформаторов работает в несимметричном режиме, ток намагничивания имеет выраженную постоянную составляющую. А поскольку индуктивность намагничивания имеет в десятки раз больший номинал, чем индуктивность рассеяния, то непрерывность тока в цепи первичной обмотки обеспечивается даже при малой нагрузке.
В работе была построена и исследована численная компьютерная модель мостового двухтрансформаторного преобразователя.
Полученные результаты представлены на рис.12 (а) (нагрузка 3 кВт) и рис. 12 (б) (нагрузка 300 Вт). Как видно из рис. 12, двухтрансформаторная мостовая схема функционирует в мягком режиме как при номинальной, так и при малой нагрузке.
Рис. 11. Мостовая двухтрансформаторная схема.
Рис.12. Напряжения сток-исток на одном из ключей при выходной мощности 3 кВт, и 300 Вт для двухтрансформаторной схемы.
Рис.13. Экспериментальные зависимости выходного напряжения от мощности преобразователя (а) - двухтрансформаторная схема; (б) - мостовая схема с фазовым сдвигом.
На рис. 13 приведена зависимость выходного напряжения от нагрузки при одинаковом значении коэффициента заполнения, близком к 1. При этом двухтрансформаторный преобразователь (кривая а) оказывается практически не подверженным эффекту снижения выходного напряжения, в отличие от стандартной схемы с увеличенной индуктивностью рассеяния (кривая б). Это объясняется тем, что индуктивность намагничивания, как следует из стандартной схемы замещения трансформатора, включена параллельно первичной обмотке.
Соответственно, напряжение, приложенное к индуктивности намагничивания, может быть полностью трансформировано в нагрузку.
Заключение 1. Показано, что оптимальными для построения мощных импульсных преобразователей являются мостовые схемы.
2. Предложено использовать резонансный контур в схемах управления затворами, что позволяет уменьшить время включения и снизить при этом пиковые нагрузки на драйвер.
3. Предложено схемотехническое решение, обеспечивающее минимальное время перезаряда входной емкости силовых ключей, а также гальваническую развязку управляющей логики и управляемых затворов. Особенностью решения является способность использовать энергию, накопленную управляющим трансформатором, для включения вспомогательного транзистора и обеспечения резонансного включения силового ключа.
4. Построена компьютерная модель мостового преобразователя с фазовым сдвигом.
5. Показано, что применение силового контура с двумя трансформаторами позволяет обеспечить мягкий режим работы силовых ключей в широком диапазоне изменения нагрузки, а также при увеличении длительности паузы переключения. Отмеченное свойство способно расширить область применения мостовых преобразователей с фазовым сдвигом.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1. Бобрешов А.М. Схемы управления затворами силовых транзисторов / А.М. Бобрешов, А.В. Дыбой, В.Ю. Мохаммед Салех, М.С. Куропал // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Физика. Математика. Воронеж, 2010. №2. С. 189-197.
2. Бобрешов А.М. Управление полевыми транзисторами в мостовой схеме с фазовым сдвигом без применения нелинейных оптопар в контуре обратной связи/ А.М. Бобрешов, А.В. Дыбой, В.Ю. Мохаммед Салех, С.В. Бабенко // Нелинейный мир. 2012. Т. 10. № 6. С. 395-399.
3. Бобрешов А.М. Исследование мощного импульсного преобразователя на основе двухтрансформаторной мостовой схемы с фазовым сдвигом / А.М.Бобрешов, А.В. Дыбой, В.Ю. Мохаммед Салех // Радиолокация, навигация, связь : XVIII Междунар. науч.-техн. конф., г. Воронеж, 12-14 апр.
2012 г. Воронеж, 2012. Т. 2. С. 1376-1383.
4. Бобрешов А.М. Применение двухтрансформаторной мостовой схемы с фазовым сдвигом для построения мощного импульсного преобразователя с уменьшеными потерями и улучшенными параметрами ЭМС / А.М. Бобрешов, В.Ю. Мохаммед Салех, А.В. Дыбой, С.В. Бабенко // 9-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: тр. симп., 13-16 сент. 2011 г. СПб., 2011. С.
49-51.
Работы [1, 2] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций основных результатов диссертаций.