авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Исследование и разработка высокоэффективныхимпульсных преобразователей напряжения с шим исистем электропитания на их основе

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кобелянский Алексей Евгеньевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ
ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ С ШИМ И
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 05.12.04
Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Санкт – Петербург

2010

Работа выполнена на кафедре «Теория электрических цепей» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор В.Ф. Дмитриков

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор М.А. Сиверс

Доктор технических наук, профессор Б.Ф. Дмитриев

Ведущее предприятие: ОАО «Концерн «Океанприбор»

Защита диссертации состоится « » 2010 г. в часов в ____ауд. на заседании диссертационного совета Д219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, СПб, наб. реки Мойки, д.61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.004.01

доктор технических наук, профессор В.В.Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Импульсные источники питания являются одними из наиболее распространенных радиоэлектронных устройств, и они используются в многомиллионном количестве в различных областях техники, промышленности и сферах обслуживания. Постоянное возрастание требований к характеристикам импульсных источников питания вследствие непрерывного расширения областей их применения ставит перед разработчиками новые, всё усложняющиеся задачи, выявляет недостаточную проработку ряда важных теоретических проблем.

Предъявляемые к современным радиоэлектронным системам всё более жесткие требования к качеству вырабатываемой электроэнергии обуславливают необходимость исследования новых принципов построения импульсных источников питания, развития методов их анализа и синтеза.

Одним из основных направлений повышения качества выходного напряжения систем электропитания и разработки высокоэкономичных надежных источников электропитания является их унификация и модульный принцип построения систем.

На протяжении ряда последних лет в научно-технической литературе практически отсутствуют публикации, содержащие углубленный анализ состояния систем электропитания, построенных на основе модулей, особенно анализ их устойчивости и динамики. На многих предприятиях связи, судостроения, Газпрома, в радиоэлектронных системах специального назначения используются системы электропитания с двукратным преобразованием энергии, системы с нелинейными комплексными нагрузками, системы с последовательным и параллельным включением многочисленных модулей и т.д. При этом в подавляющем числе случаев применяются покупные модули. Очень часто в таких системах возникает генерация автоколебаний, так как не просчитано взаимовлияние таких стандартных модулей друг на друга.

Одна из основных причин возбуждения систем электропитания заключается в том, что все стабилизированные транзисторные преобразователи имеют комплексные входные и выходные сопротивления с отрицательной резистивной составляющей входного сопротивления. Поэтому при использовании модулей, устойчиво работающих в автономном режиме на резистивную нагрузку, происходит самовозбуждение системы при работе на сложные комплексные нагрузки или при работе в системах с двукратным преобразованием энергии, а также в системах с входными LC-фильтрами.

Сложность исследования устойчивости импульсных стабилизированных источников питания, являющихся дискретно-нелинейными устройствами, общеизвестна. Применение хорошо разработанного метода усреднения систем дифференциальных уравнений, описывающих процессы в ИПН на отдельных этапах работы, и линеаризации полученного нелинейного дифференциального уравнения для исследования устойчивости импульсных систем электропитания часто является проблематичным из-за большой погрешности.

Поэтому исследование устойчивости всех перечисленных систем целесообразно проводить с использованием частотных характеристик петлевого усиления импульсного преобразователя. Этот метод основан на введении возмущения в цепь отрицательной обратной связи (ООС) нормально функционирующего устройства, расчете реакции в установившемся процессе на данное возмущение, разложении реакции в ряд Фурье и построении частотных характеристик (АЧХ и ФЧХ). При данном методе расчета частотных характеристик учитываются паразитные сопротивления активных и пассивных элементов; инерционности транзисторов, диодов, схемы управления; паразитные связи.

Идея метода и методика расчёта была предложена B.H. Cho и F.C. Lee в 1986 г. Данная методика расчёта петлевого усиления, входного и выходного сопротивлений импульсного преобразователя была развита д.т.н., профессором Филиным В.А., и к.т.н. Смирновым В.С. и полностью автоматизирована ими в программе FASTMEAN.

Устойчивость работы ИПН типа DC/DC (преобразующих постоянное напряжение одного уровня в постоянное напряжение другого) существенно зависит от величины пульсаций выходного напряжения. Величина и форма пульсаций существенно влияет не только на устойчивость работы, но и на стабильность выходного напряжения под действием возмущающих факторов. Поэтому необходимо исследовать изменение величины и формы пульсаций от параметров сглаживающего фильтра (СФ), от коэффициента заполнения импульсов напряжения на входе СФ, величины сопротивления нагрузки, паразитных резистивных потерь в дросселях и конденсаторах СФ.

При расчете пульсаций выходного напряжения в литературе обычно принимают допущение о малости резистивного сопротивления электролитических конденсаторов сглаживающих фильтров по сравнению с их емкостным сопротивлением на тактовой частоте работы силового транзистора ИПН и о малом влиянии на величину пульсаций выходного напряжения, что очень часто не соответствует действительности. Поэтому необходимо произвести измерения модуля и фазы полного (комплексного) сопротивления алюминиевых оксидно-электролитических, танталовых объёмно-пористых и танталовых полупроводниковых отечественных и зарубежных конденсаторов в широком диапазоне частот, эквивалентного резистивного сопротивления потерь (ESR) rC, паразитную индуктивность lC; найти эквивалентные схемы замещения конденсаторов и исследовать их фильтрующие свойства с учетом паразитных параметров.

Влияние паразитных резистивных потерь в конденсаторах СФ при малом сопротивлении нагрузки (единицы Ом и меньше), которое имеет место в современных низковольтных источниках питания (5 В, 3 В, 1,5 В), может так значительно сказываться на увеличении пульсаций, что достичь требуемых значений пульсаций в обычных импульсных преобразователях напряжения понижающего, повышающего или инвертирующего типов невозможно.

В таких случаях представляется целесообразным использовать преобразователи с непрерывной передачей энергии в нагрузку во время включенного и выключенного состояния силового транзистора. У импульсных преобразователей напряжения с непрерывной передачей энергии в нагрузку уменьшается переменная составляющая напряжения на входе СФ. Это позволяет существенно снизить пульсации выходного напряжения при заданной избирательности фильтра.

В литературе с учетом ряда допущений проведен анализ энергетических характеристик таких ИПН, однако полностью отсутствуют исследования данных ИПН в режиме стабилизации, исследование устойчивости таких преобразователей, предельной глубины стабилизации выходного напряжения; отсутствуют исследования входного и выходного сопротивлений, которые необходимы при проектировании устойчивых систем электропитания с входными фильтрами, с двукратным преобразованием энергии, при работе на комплексную нагрузку и т.д.; не исследованы модуляционные характеристики таких ИПН; не оценивалась погрешность полученных приближенных формул.

При исследовании устойчивости системы входной фильтр – ИПН следует учитывать, что входной фильтр рассчитывается из условия обеспечения фильтрации ВЧ пульсаций с частотой коммутации силового ключа в первичную цепь электропитания не менее 40–60 дБ. Снижение значения выходного сопротивления входного фильтра, необходимое для обеспечения устойчивости системы, должно сочетаться с высоким уровнем подавления высокочастотных пульсаций.

Одновременное снижение сопротивления входного фильтра (меньше отрицательной резистивной составляющей комплексного входного сопротивления ИПН) и увеличение фильтрации высокочастотных пульсаций являются противоречивыми требованиями. Поэтому необходимо решить проблему выполнения этих противоречивых требований.

Цель и основные задачи работы. Целью работы является развитие методов анализа и разработка энергетически эффективных транзисторных преобразователей постоянного напряжения с ШИМ и систем электропитания на их основе с улучшенными массогабаритными, динамическими, статическими характеристиками при обеспечении устойчивости их работы.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:

  1. Проведение анализа процессов в транзисторных преобразователях напряжения, вывод математических выражений для пульсаций выходного напряжения с учетом резистивных потерь в конденсаторе и дросселе выходного фильтра.
  2. Исследование величины и формы пульсаций выходного напряжения в зависимости от величины потерь в конденсаторе и дросселе выходного фильтра и коэффициента заполнения импульсов на входе СФ.
  3. Исследование влияния пульсаций выходного напряжения на стабильность выходных характеристик и устойчивость работы ИПН.
  4. Исследование частотных характеристик петлевого усиления, комплексных входного и выходного сопротивления ИПН с непрерывной передачей энергии в нагрузку, позволяющих определить стабильность выходного напряжения, запасы устойчивости работы ИПН с ООС по амплитуде и фазе и возможность устойчивой работы ИПН с непрерывной передачей энергии в нагрузку, в системах электропитания с входными фильтрами, в системах электропитания, работающих на комплексные линейные и нелинейные нагрузки.
  5. Исследование устойчивости системы электропитания входной фильтр – импульсный преобразователь напряжения.
  6. Исследование возможности увеличения степени подавления входным фильтром ИПН низкочастотных пульсаций первичной сети электропитания и высокочастотных пульсаций ИПН в первичную сеть электропитания при одновременном снижении сопротивлении входного фильтра.

Основные методы исследования. Теоретические исследования базируются на использовании фундаментальных положений теории электрических цепей, в частности, современного синтеза электрических цепей, теории функций комплексного переменного. Результаты моделирования импульсных стабилизаторов напряжения, импульсных систем электропитания с входным фильтром – ИПН, получены с применением программы FASTMEAN, разработанной на кафедре ТЭЦ СПбГУТ.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Наиболее значимые новые научные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

  • проведен анализ переходных и установившихся процессов в транзисторном преобразователе напряжения, получены аналитические выражения для пульсаций выходного напряжения с учетом резистивных потерь в дросселе и конденсаторе СФ;
  • проведено исследование величины и формы пульсаций выходного напряжения в зависимости от коэффициента заполнения импульсов на входе СФ, величины резистивных потерь в конденсаторе и дросселе выходного фильтра и показано, что, в отличие от существующего мнения, резистивные потери в современных электролитических конденсаторах как отечественных, так и зарубежных при нагрузках в единицы Ом и меньше могут привести к существенному росту пульсаций;
  • проведено исследование влияния пульсаций выходного напряжения на устойчивость работы ИПН и стабильность выходных характеристик; показано, что увеличение пульсаций выходного напряжения ухудшает стабильность выходных характеристик, ухудшает устойчивость работы ИПН с ООС;
  • с использованием отечественного измерителя частотных характеристик, разработанного на кафедре ТЭЦ СПбГУТ., проведены измерения модуля и фазы комплексного сопротивления в диапазоне от 10 Гц до 1 МГц, рассчитаны эквивалентные резистивные сопротивления rC и паразитные индуктивности lC отечественных электролитических конденсаторов ОАО «Элеконд» и зарубежных и проведен структурно-параметрический синтез схем замещения этих конденсаторов. Измеренные rC и lC, найденные схемы замещения необходимы при расчете таких важных параметров как пульсации и стабильность выходного напряжения, величины перенапряжений на транзисторах, диодах и конденсаторах при коммутации транзисторов, величины электромагнитных помех, генерируемых ИПН и т.д.;
  • проведено исследование частотных характеристик петлевого усиления, комплексных входного и выходного сопротивлений ИПН с непрерывной передачей энергии в нагрузку; полученные частотные характеристики позволяют определить стабильность выходных параметров, устойчивость работы и возможность использования их в различных системах электропитания;
  • показана возможность и определён механизм возбуждения различных систем электропитания при использовании в них транзисторных модулей, устойчиво работающих на резистивные нагрузки;
  • проведено сравнение устойчивости работы, массогабаритных показателей и динамических характеристик ИПН с однозвенным и двухзвенным входным фильтром.

В диссертации защищаются следующие основные научные положения:

    1. Полученные аналитические выражения для пульсаций выходного напряжения ИПН в переходном и установившемся режимах. Полученные результаты по исследованию величины и формы пульсаций выходного напряжения в зависимости от коэффициента заполнения импульсов на входе СФ, резистивных потерь в конденсаторе СФ выявили, что с ростом потерь в конденсаторе СФ возрастает величина и изменяется форма пульсаций и увеличивается частотный диапазон спектральных составляющих выходного напряжения.
    2. Полученные в работе выражения для коэффициента стабилизации выходного напряжения с учетом пульсаций выходного напряжения позволили установить, что с ростом потерь конденсатора фильтра rC существенно (в разы) повышается величина пульсаций выходного напряжения, уменьшается коэффициент стабилизации выходного напряжения, и уменьшаются запасы устойчивости по амплитуде и фазе работы преобразователя.
    3. Измеренные в диапазоне частот от 10 Гц до 1 МГц частотные характеристики модуля и фазы комплексного сопротивления алюминиевых оксидно-электролитических, танталовых объёмно-пористых и танталовых полупроводниковых отечественных и зарубежных электролитических конденсаторов, эквивалентные последовательные сопротивления потерь rC, паразитные индуктивности конденсаторов и проведенный структурно-параметрический синтез их схем замещения позволяют рассчитать величину перенапряжений на транзисторах, диодах и конденсаторах при коммутации транзисторов, величину электромагнитных помех, генерируемых преобразователем, и КПД преобразователя, а также определить границы частотного диапазона, где rC становится больше емкостного сопротивления, и конденсатор теряет свои фильтрующие свойства.
    4. Проведенные исследования и полученные результаты расчета частотных характеристик петлевого усиления, комплексных входных и выходных сопротивлений ИПН с непрерывной передачей энергии в нагрузку. Полученные характеристики позволяют оценить устойчивость работы ИПН в автономном режиме и в различных системах электропитания.
    5. Проведенные исследования устойчивости системы входной фильтр – ИПН.

Найденные в работе частотные зависимости входных и выходных сопротивлений ИПН позволяют предсказывать неустойчивость распределенных систем электропитания и, таким образом, открывают возможность их рационального проектирования.

    1. Проведенный сравнительный анализ массогабаритных показателей, динамических характеристик и устойчивости систем электропитания, содержащих входной однозвенный и двухзвенных фильтр.

Теоретическая значимость работы. Диссертационная работа является логическим продолжением комплекса исследований по развитию теории импульсных преобразователей напряжения с ШИМ, сводящихся к дискретно-нелинейным устройствам, и системам электропитания на их основе – в трудах Цыпкина Я.З., Бессекерского В.А., Попова Е.П., Дмитрикова В.Ф., Белова Г.А., Лукина А.В., Поликарпова А.Г., Сергиенко Е.Ф., Мелешина В.И., Александрова В.А., Ромаша Э.М., Коржавина О.А., Колосова В.А., Никитина К.К., Сиверса М.А., Филина В.А., Самылина И.Н., Шушпанова Д.В., Смирнова В.С., Middlebrook R.D., Cuk S.A., Redly R.B., Mitchel D.M., Lee F.C., Чети П. и многих других.

Практическая ценность работы. Проведенные исследования пульсаций и стабильности выходного напряжения от потерь в конденсаторе и дросселе выходного фильтра, устойчивости ИПН от величины пульсаций, измеренные сопротивления потерь и паразитные индуктивности в отечественных и зарубежных электролитических конденсаторах позволяют выбрать тип конденсаторов выходного фильтра, обеспечивающих требуемые пульсации, стабильность выходного напряжения и устойчивость работы ИПН с ООС.

Показано, что ИПН с непрерывной передачей энергии в нагрузку позволяют существенно улучшить массогабаритные характеристики выходного фильтра при заданном коэффициенте пульсаций.

Найденные частотные зависимости входных и выходных сопротивлений ИПН с непрерывной передачей энергии в нагрузку позволяют предсказывать неустойчивость системы электропитания с двукратным преобразованием энергии, с входными фильтрами, с комплексной линейной или нелинейной нагрузками.

Основные научные положения диссертации служат методической базой для создания новых учебных курсов радиотехнического профиля, а также для дипломного проектирования и аспирантских исследований на кафедре ТЭЦ СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Внедрение результатов диссертационной работы. Теоретические и практические результаты диссертации использовались в научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре ТЭЦ СПб ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по программе МО РФ НИОКР «Медуница».



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.