Budowa wysokosprawnych zasilaczy quasi-rezonansowych z prostownikiem synchronicznym w oparciu o sterowniki Renesas HA16163. Wszystko o zasilaczach impulsowych Zasilacze rezonansowe z obwodem o wysokiej wydajności

Artykuł powstał na podstawie materiałów nadesłanych przez Aleksander Germanowicz Semenow, dyrektor rosyjsko-mołdawskiego przedsiębiorstwa naukowo-produkcyjnego „Elkon”, Kiszyniów. W przygotowaniu artykułu brał także udział główny inżynier przedsiębiorstwa Aleksander Anatolijewicz Penin. Aleksander Germanowicz pisze:
„Specjalizując się w dziedzinie zasilaczy udało nam się stworzyć metodę konstruowania przetwornic rezonansowych z głęboką regulacją parametrów wyjściowych, która odbiega od znanych dotychczas. Na tę metodę uzyskano międzynarodowy patent. Zaletami metody są przede wszystkim w pełni manifestuje się przy konstruowaniu źródeł o dużej mocy - od 500 do kilkudziesięciu kilowatów.Przetwornica nie wymaga szybkich obwodów zabezpieczających przed zwarciami na wyjściu, ponieważ praktycznie nie ma przerwy w prądzie przełączania w żadnym trybie.Możliwość występowania prądów przelotowych Ponieważ fizycznie (bez sprzężenia zwrotnego) przetwornica jest źródłem prądu, możliwe jest teraz przeniesienie kondensatora filtrującego prostownika sieci zasilającej na wyjście przetwornicy, co pozwoliło uzyskać współczynnik mocy na poziomie 0,92-0,96 w zależności od obciążenia.Częstotliwość obwodu rezonansowego nie ulega zmianie, co pozwala skutecznie filtrować promieniowanie przetwornika we wszystkich kierunkach.Praktyczna realizacja odbywa się w postaci źródeł prądowych do ochrony elektrochemicznej - stacje ochrony katodowej marki Elkon. Moc 600, 1500, 3000 i 5000 watów. Sprawność w trybie nominalnym kształtuje się na poziomie 0,93-095. SKZ zdała testy certyfikacyjne w NPO „VZLET”. Wdrażanie jest powolne i przeciągające się. Wszystko to potwierdza realność pomysłu. Wydaje mi się jednak, że aby osiągnąć sukces komercyjny, trzeba spopularyzować ideę, aby zwrócić na nią uwagę.”
Cóż, zawsze miło jest pomagać kolegom, zwłaszcza że idea leżąca u podstaw produktów Elcon jest nowatorska.

Obecnie urządzenia energoelektroniki i urządzenia opracowane do użytku profesjonalnego są aktywnie optymalizowane według kryteriów takich jak waga, wymiary, wydajność, niezawodność i koszt. Wymagania te są coraz bardziej rygorystyczne, tzn. klient chce mieć urządzenie o minimalnych wymiarach i wadze, a jednocześnie charakteryzujące się dużą wydajnością, dużą niezawodnością i niskim kosztem.

Aby poprawić właściwości użytkowe produktów, należy zastosować dobrze znane środki: zwiększenie częstotliwości roboczych konwersji, zmniejszenie strat mocy na elementach mocy, zmniejszenie lub wyeliminowanie przeciążeń dynamicznych w części mocy obwodu. Często środki te są ze sobą sprzeczne i aby osiągnąć określone rezultaty, deweloper idzie na pewien, czasem bardzo trudny, kompromis. Dlatego dalsza optymalizacja parametrów technologii przekształtnikowej możliwa jest jedynie poprzez przejście na nowe zasady konstruowania tych urządzeń.

Aby zrozumieć, czym zasadniczo różni się metoda regulacji napięcia oferowana przez Elcon i jaka nowość się w niej kryje, porozmawiajmy najpierw o tradycyjnej konstrukcji regulatorów. Przetwornice DC-DC (przetwornice DC/DC), które stanowią znaczącą klasę urządzeń w dziedzinie energoelektroniki, budowane są tradycyjnie według następującego schematu: łącze pierwotne przetwarza napięcie stałe na napięcie przemienne o wysokiej częstotliwości; łącze wtórne przekształca napięcie przemienne na napięcie stałe. Przetwornica zawiera zazwyczaj regulator, który reguluje wyjściowe napięcie stałe lub utrzymuje je na wymaganym poziomie.

Konwersję wysokiej częstotliwości można przeprowadzić za pomocą różnych obwodów, ale jeśli mówimy o obwodach przeciwsobnych, to możemy wyróżnić dwa typy: obwody o prostokątnym kształcie prądu wyłącznika mocy i obwody rezonansowe o przebiegu sinusoidalnym (lub quasi-sinusoidalnym) ) kształt prądu przełączającego.

Sprawność pracy przekształtników w dużej mierze zależy od dynamicznych strat łączeniowych na elementach mocy przy przełączaniu wartości prądów roboczych. Doświadczenia w opracowywaniu przetwornic o mocy powyżej 100 W pokazują, że możliwe jest ograniczenie tych strat głównie poprzez zastosowanie elementów przełączających (tranzystorów) o krótkich czasach przełączania i ukształtowanie prawidłowej trajektorii przełączania. Obecna baza elementów ma oczywiście dość wysokie właściwości dynamiczne, ale mimo to nadal są dalekie od ideału. Dlatego ograniczenia technologiczne często prowadzą do znacznych przepięć na elementach obwodu mocy, co powoduje zmniejszenie ogólnej niezawodności przetwornicy.

Uformowanie prawidłowej ścieżki przełączania jest ważnym zadaniem, które może również znacznie zmniejszyć przepięcia przełączające. Metoda ta zapewnia tzw. „miękkie” przełączanie poprzez redystrybucję energii pomiędzy rzeczywistą częścią mocy elementu przełączającego (przełącznik tranzystorowy) a elementem formującym. Redukcja strat następuje poprzez zwrot zgromadzonej w nich energii. Przypomnijmy, że znanymi przedstawicielami elementów kształtujących są wszelkiego rodzaju obwody RCD, rezystory tłumiące, tłumiki itp.

Praktyka opracowywania rzeczywistych przetwornic pokazuje, że tworząc urządzenie o mocy znamionowej od setek do tysięcy watów, trzeba dosłownie „oddawać” na każdy wat mocy czynnej, aby maksymalnie ograniczyć straty ciepła, co zmniejsza całkowitą moc wydajność konwertera.

Inny problem wiąże się z koniecznością stosowania szybkich zabezpieczeń przed zwarciami (zwarciami) w obciążeniu. Problem polega głównie na tym, że zbyt szybkie zabezpieczenie staje się zbyt podatne na fałszywe alarmy, powodując wyłączenie przetwornicy nawet wtedy, gdy nie ma dla niej zagrożenia. Zbyt powolna ochrona jest odporna na fałszywe alarmy, ale jest mało prawdopodobne, że zabezpieczy urządzenie. Zaprojektowanie optymalnej ochrony wymaga wiele wysiłku.

W związku z powyższym klasyczny przetwornica wysokiej częstotliwości nie do końca spełnia współczesne wymagania dotyczące technologii konwersji mocy. Istnieje potrzeba znalezienia nowych sposobów konstruowania tych urządzeń.

W ostatnim czasie inżynierowie zwrócili uwagę na przetworniki rezonansowe jako urządzenia o dużym potencjale możliwości. W przetwornikach rezonansowych straty dynamiczne są zasadniczo mniejsze, powodują znacznie mniej zakłóceń, ponieważ przełączanie nie następuje przy prostych krawędziach bogatych w harmoniczne, ale przy gładkim kształcie sygnału zbliżonym do sinusoidalnego. Przetwornice rezonansowe są bardziej niezawodne, nie wymagają szybkiego zabezpieczenia przed zwarciami (zwarciami) w obciążeniu, ponieważ prąd zwarciowy jest ograniczany w sposób naturalny. To prawda, że ​​\u200b\u200bze względu na sinusoidalny kształt prądu straty statyczne w elementach mocy nieco rosną, ale ponieważ przetwornice rezonansowe nie są tak wymagające pod względem dynamiki przełączania elementów mocy, można zastosować standardowe tranzystory IGBT, których napięcie nasycenia jest niższe niż tranzystory IGBT o prędkości warp. Można też pomyśleć o tranzystorach SIT, a nawet bipolarnych, choć zdaniem autora serwisu o tych ostatnich lepiej w tym kontekście nie pamiętać.

Z punktu widzenia budowy obwodu mocy przetwornice rezonansowe są proste i niezawodne. Jednak dotychczas nie były one w stanie wyprzeć konwencjonalnych przekształtników półmostkowych i pełnomostkowych ze względu na zasadnicze problemy z regulacją napięcia wyjściowego. Konwencjonalne przetworniki wykorzystują zasadę sterowania opartą na modulacji szerokości impulsu (PWM) i nie ma tu żadnych trudności. W przetwornicach rezonansowych zastosowanie PWM i innych specjalnych metod (np. regulacja częstotliwości poprzez zmianę częstotliwości przełączania) prowadzi do wzrostu strat dynamicznych, które w niektórych przypadkach stają się porównywalne lub nawet przewyższają straty w klasycznych przetwornicach. Zastosowanie obwodów formujących uzasadnia się ograniczonym zakresem częstotliwości i bardzo małą głębokością regulacji. Istnieje nieco skuteczniejsza metoda, polegająca na znacznym zmniejszeniu częstotliwości przełączania, prowadząca do zmniejszenia średniego prądu obciążenia, a co za tym idzie, mocy wyjściowej. Ale tę metodę regulacji częstotliwości można również nazwać kompromisem i dlatego nie spełnia ona w wystarczającym stopniu współczesnych wymagań.

A jednak przetworniki rezonansowe okazały się na tyle kuszące, że wymyślono jeszcze kilka sposobów na zwiększenie ich wydajności i głębokości regulacji. Niestety i te pomysły okazały się niewystarczająco skuteczne. Zastosowanie dodatkowego regulatora impulsów instalowanego na wyjściu powoduje konieczność zastosowania kolejnego łącza konwertującego, a co za tym idzie zmniejsza wydajność. Konstrukcja z przełączającymi zwojami transformatora ponownie znacznie komplikuje konwerter, zwiększa jego koszt i uniemożliwia zastosowanie w obszarach konsumenckich.

Z powyższego można wywnioskować, że głównym problemem uniemożliwiającym powszechne zastosowanie przekształtników rezonansowych jest stworzenie skutecznej metody głębokiej regulacji napięcia wyjściowego. Rozwiązanie tego problemu umożliwi znaczną poprawę właściwości urządzeń energoelektroniki i ich dalszą dystrybucję na już rozwinięte i nowe obszary zastosowań technologii przekształtnikowej.

Specjaliści firmy Elkon poczynili znaczny postęp w badaniach nad sposobami sterowania poprzez zmniejszenie częstotliwości przełączania. To właśnie ta metoda została przyjęta jako podstawa, ponieważ zachowuje główną zaletę obwodu rezonansowego - przełączanie przy zerowym prądzie. Badanie procesów zachodzących w konwencjonalnym przetworniku rezonansowym pozwoliło udoskonalić jego obwód i znaleźć skuteczniejszy mechanizm sterowania w szerokim zakresie obciążeń i akceptowalnym zakresie częstotliwości, co stało się podstawą międzynarodowego patentu. Ponadto możliwe było osiągnięcie tej samej amplitudy prądów tranzystorów mocy zarówno w trybie obciążenia znamionowego, jak i w trybie zwarcia, braku prądów przelotowych przez tranzystory mocy nawet przy maksymalnej częstotliwości przełączania oraz „miękkiej” charakterystyki obciążenia ( znacznie lepiej niż w przypadku konwencjonalnego przetwornika rezonansowego).

Kompletny obwód zmodernizowanej przetwornicy rezonansowej jest przedmiotem know-how firmy Elcon, jednak aby czytelnik mógł zrozumieć na czym polega ulepszenie, poniżej podano informacje z patentu „Metoda kontrolowanej rezonansowej konwersji napięcia stałego”.

Wynalazek przeznaczony jest do realizacji wydajnych, tanich i wydajnych, regulowanych, tranzystorowych, rezonansowych przetworników napięcia wysokiej częstotliwości do różnych zastosowań. Mogą to być konwertery spawalnicze, instalacje ogrzewania indukcyjnego, urządzenia nadawcze radiowe i inne.

Istnieje prototyp regulowanego rezonansowego przetwornika napięcia opublikowany w. W prototypie: tworzona jest oscylacja z własnym okresem To i okresem przełączania wyłączników mocy Tk; Stosowane są pojemnościowe i indukcyjne urządzenia magazynujące energię, pobierające energię ze źródła stałego napięcia i przekazujące część energii do obciążenia za pomocą prostownika; Regulacja napięcia odbywa się poprzez odstrojenie od rezonansu okresem drgań własnych To częstotliwości przełączania Tk bliskiej To.

Jak wspomniano powyżej, odstrojenie prowadzi do znacznego wzrostu strat dynamicznych i ogólnie zmniejsza niezawodność przetwornicy, ponieważ odstrojenie traci główną zaletę przetwornicy rezonansowej - przełączanie przy zerowych prądach. Wszystko to powoduje, że metodę tę zaleca się stosować wyłącznie w przetwornicach małej mocy.

Istnieje bliższy prototyp, opublikowany w pracy. Prototyp ten tworzy również oscylację z własnym okresem To i okresem przełączania klawiszy Tk, ale Tk>To; Stosowane są pojemnościowe i indukcyjne urządzenia magazynujące energię, pobierające energię ze źródła stałego napięcia i przekazujące część energii do obciążenia za pomocą prostownika; napięcie wyjściowe jest regulowane poprzez zmianę okresu przełączania Tk. Jednakże tutaj nadwyżka energii akumulatora pojemnościowego jest zwracana z powrotem do źródła zasilania w wyniku rozładowania akumulatora pojemnościowego przez obciążenie, a czoło impulsów prądowych przełączników mocy jest ograniczane za pomocą dodatkowego akumulatora indukcyjnego. Ta metoda zachowuje główną zaletę przetwornika rezonansowego - możliwość przełączania przełączników mocy przy zerowym prądzie.

Niestety ten prototyp ma też sporo wad. Jedną z podstawowych wad jest wzrost prądu przełączników w przypadku przeciążeń lub zwarć w obwodzie obciążenia przy częstotliwości znamionowej lub maksymalnej. Ponieważ w tym przypadku elementy indukcyjne magazynują dużą ilość energii, nie ma czasu na całkowity powrót do źródła zasilania w krótkim czasie (Tk-To)/2. Kolejną wadą jest wymuszone przerywanie prądu przez przełączniki pomimo ustawionego zbocza komutacyjnego. Istnieje tu potrzeba kompleksowego zabezpieczenia kluczowych elementów, co zawęża całkowity zakres regulacji napięcia, co prowadzi do zawężenia zakresu zastosowań przetwornicy.

Urządzeniem, za pomocą którego można zrealizować tę metodę, jest konwencjonalna rezonansowa przetwornica półmostkowa z pojemnościowym dzielnikiem napięcia (magazynem pojemnościowym) i magazynem indukcyjnym, połączona z obciążeniem pomiędzy zębatką tranzystora półmostkowego a zaciskiem środkowym dzielnika pojemnościowego . Dodatkowe akumulatory indukcyjne znajdują się w odgałęzieniach lub obwodach każdego kluczowego elementu.

Urządzenie zaproponowane przez firmę Elcon rozwiązuje problem zapewnienia szerokiego zakresu regulacji napięcia obciążenia, a tym samym rozszerza zakres jego zastosowania. W nowej metodzie można znaleźć pewne analogie z prototypami oraz: powstają oscylacje z okresem naturalnym To i okresem przełączania Tk, przy Tk>To, stosuje się także zasobnik pojemnościowo-indukcyjny przy poborze ze źródła stałego napięcia a część energii przekazywana jest do obciążenia za pomocą prostownika, realizowany jest także zwrot nadmiaru energii z zasobnika pojemnościowego z powrotem do źródła, regulacja napięcia odbywa się poprzez zmianę Tk. Nowatorstwo metody polega na tym, że jednocześnie z pierwszymi oscylacjami powstają drugie oscylacje z własnym okresem To i okresem przełączania Tk, wykorzystując ten sam magazyn pojemnościowy i drugi magazyn indukcyjny, pobierając energię z magazynu pojemnościowego i przekazując energię do obciążenia za pomocą prostownika.

Główną cechą proponowanej metody jest równoczesny przepływ prądów pierwszego i drugiego oscylacji przez kluczowe elementy w taki sposób, aby całkowity prąd przez nie nie uległ przerwaniu, co pozwala na zwrot energii z indukcyjnych urządzeń magazynujących przy maksymalnej częstotliwości, nawet w przypadku wystąpienia zwarcia. Jednocześnie amplituda prądu kluczowych elementów utrzymuje się na poziomie wartości nominalnych. Metoda ta „działa” w całym zakresie okresów przełączania Tk, co skutecznie rozwiązuje problem przetwornika rezonansowego.

Urządzenie pokazane w Rysunek 1, zawiera sterowany generator impulsów głównych (1), którego wyjścia są połączone z bramkami tranzystorów (2) i (3), tworząc zębatkę półmostkową (ramię półmostkowe). Wspólny punkt połączenia tranzystorów (2) i (3) poprzez magazyn pojemnościowy (kondensator rezonansowy), oznaczony (5), jest podłączony do jednego z zacisków obciążenia transformatora-prostownika (6). Akumulatory indukcyjne (dławiki rezonansowe), oznaczone (7) i (8), łączy się szeregowo. Ich wspólny punkt podłączenia jest podłączony do innego zacisku obciążenia (6). Źródło napięcia zasilania (9) podłącza się do dolnych zacisków cewki indukcyjnej (7) i emitera tranzystora (2). Górny zacisk cewki (8) jest podłączony do kolektora tranzystora (3).

NA Rysunek 2 pokazane są wykresy obrazujące działanie tego przetwornika rezonansowego. Oscylator główny (1) wytwarza impulsy sterujące parafazą pokazane na rysunku Ryc.2 a-b, czas trwania To/2 i regulowany okres przełączania Tk, które z kolei otwierają tranzystory (2) i (3). W stanie ustalonym przetwornicy w chwili t1 na tranzystor (2) zostaje podany impuls sterujący i zaczyna przez niego płynąć sinusoidalny impuls prądu I1, co pokazano na rysunku Ryc. 2c, - tzw. „pierwsze wibracje”. Jednocześnie prąd I2 nadal przepływa przez antyrównoległą (przeciwną) diodę (4) tranzystora (3) - „drugie oscylacje”.

rysunek 3 Pierwszy cykl obwodu

NA Rysunek 3 pokazany jest pierwszy cykl pracy obwodu odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t1…t2). Kondensator rezonansowy (5) o napięciu U5, którego wykres pokazano na Ryc.2 d., jest ładowany przez obciążenie transformatorowo-prostownikowe (6), w tym transformator (6.1), prostownik (6.2) i samo obciążenie (6.3). Pierwszy dławik rezonansowy (7) magazynuje energię. Jednocześnie kondensator rezonansowy (5) jest rozładowywany przez drugi dławik rezonansowy (8) napięciem U8, którego wykres pokazano na rysunku Ryc.2 d. Cewka indukcyjna (8) magazynuje energię zgodnie z polaryzacją pokazaną na wykresie.

rysunek 4 Drugi cykl obwodu

NA Rysunek 4 pokazany jest drugi cykl pracy obwodu odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t2…t3). Kondensator rezonansowy (5) jest nadal ładowany poprzez obciążenie transformatorowo-prostownikowe (6) i pierwszy dławik rezonansowy (7). Również kondensator rezonansowy (5) jest ładowany przez drugi dławik rezonansowy (8), który już uwalnia energię zgodnie z określoną polaryzacją.

Rysunek 5 Trzeci cykl obwodu

NA Rysunek 5 pokazany jest trzeci cykl pracy obwodu odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t3…t4). Kondensator rezonansowy (5) kontynuuje ładowanie poprzez obciążenie transformatorowo-prostownikowe (6) i pierwszy dławik rezonansowy (7) napięciem U7 pokazanym na wykresie Ryc.2 e. Jednocześnie kondensator rezonansowy (5) jest już naładowany z drugiej cewki rezonansowej (8), która w dalszym ciągu uwalnia energię zgodnie z określoną polaryzacją.

Rysunek 6 Czwarty cykl obwodu

NA Rysunek 6 pokazany jest czwarty cykl pracy obwodu odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t4…t5). Kondensator rezonansowy (5) kontynuuje ładowanie poprzez obciążenie transformatora-prostownika (6) i pierwszą cewkę rezonansową (7), która już uwalnia energię zgodnie z polaryzacją pokazaną na rysunku. W tym samym czasie kondensator rezonansowy (5) jest nadal ładowany przez drugą cewkę rezonansową (8).

NA Cyfra 8 pokazany jest szósty cykl zegara obwodu, odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t6…t7). Kondensator rezonansowy (5) przekazuje już energię poprzez obciążenie transformatorowo-prostownikowe (6) i pierwszą cewkę rezonansową (7) do źródła zasilania (9). Prąd I1 zmienia swój kierunek.

rysunek 9 Siódmy cykl obwodu

NA Rysunek 9 pokazany jest siódmy cykl zegara obwodu, odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t7...t8). Impuls sterujący jest dostarczany do tranzystora (3) i zgodnie z nim zaczyna płynąć sinusoidalny impuls prądowy I2 Ryc. 2c, przez ten tranzystor („druga oscylacja”). Prąd I1 również nadal przepływa przez diodę antyrównoległą (10) tranzystora (2) - „pierwsze oscylacje”. Kondensator rezonansowy (5) dostarcza energię poprzez obciążenie transformatorowo-prostownikowe (6) i pierwszą cewkę rezonansową (7) do źródła napięcia zasilania (9) i do drugiej cewki rezonansowej (8).

NA Rysunek 11 pokazany jest dziewiąty cykl pracy obwodu odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t9…t10). Wszystkie urządzenia magazynujące oddają swoją energię.

NA Rysunek 13 pokazany jest końcowy cykl pracy obwodu odzwierciedlający jego zachowanie w przedziale (t11…t1). Kondensator rezonansowy (5) zostaje rozładowany, po czym procesy się powtarzają.

Uwaga: w przedziale czasu t6-t7 energia jest zwracana do źródła, ponieważ prąd I1 zmienia swój kierunek. Ujemna amplituda prądu I1 jest określona przez obciążenie przetwornika. Fakt ten determinuje dodatkowe zalety tej metody - amplituda prądu płynącego przez przełączniki nie wzrasta, dopóki w obciążeniu nie nastąpi zwarcie. Całkowicie nie ma również problemu prądów przelotowych, co upraszcza i sprawia, że ​​sterowanie tranzystorami jest niezawodne. Znika także problem tworzenia szybkich zabezpieczeń zapobiegających powstawaniu stanu zwarciowego.

Pomysł ten stał się podstawą prototypów, a także produktów seryjnych, które Elcon obecnie produkuje. Przykładowo przetwornica napięcia o mocy 1,8 kW przeznaczona dla stacji ochrony katodowej rurociągów podziemnych pobiera energię z jednofazowej sieci prądu przemiennego o napięciu 220 V 50 Hz. Wykorzystuje tranzystory mocy IGBT ultraszybkiej klasy IRG4PC30UD z wbudowaną przeciwstawną diodą, pojemność kondensatora rezonansowego (5) wynosi 0,15 μF, indukcyjność dławików rezonansowych (7) i (8) wynosi 25 μH każdy . Okres drgań własnych To wynosi 12 μs, przekładnia transformatora (6,1) wynosi 0,5, co określa zakres obciążenia znamionowego (0,8…2,0) Ohm. Dla minimalnej wartości okresu przełączania Tk równej 13 μs (przy częstotliwości przełączania fk równej 77 kHz) i obciążenia 1 oma amplitudy prądów I1 i I2 wynoszą odpowiednio plus 29 A i minus 7 A Dla obciążenia 0,5 oma amplitudy prądów I1 i I2 wynosiły odpowiednio plus 29 A i minus 14 A. W przypadku zwarcia wartości te wynoszą plus 29 A i minus 21 A, średnia prąd przez obciążenie wynosi 50 A, co oznacza efekt ograniczenia prądu zwarciowego.

NA Rysunek 14 pokazuje rodzinę charakterystyk regulacyjnych przekształtnika. Należy zauważyć, że w całym zakresie częstotliwości przełączania impulsy przełączające podawane są przy zerowym prądzie. Wyniki te uzyskano w systemie modelowania obwodów OrCAD 9.1, a następnie przetestowano na modelu w pełnej skali.

Dla porównania wł Rysunek 15 przedstawiono rodzinę charakterystyk regulacyjnych klasycznego przetwornika rezonansowego o podobnej mocy. Minimalny okres przełączania Tk zwiększa się ze względu na występowanie prądów przelotowych i wynosi 14 μs (przy częstotliwości przełączania fk równej 72 kHz). Dla tej częstotliwości znamionowej wykonywany jest tryb przełączania prądu zerowego. Dla rezystancji obciążenia 1 oma amplituda prądu obciążenia wynosi 30 A, dla rezystancji 0,5 oma amplituda wynosi już 58 A. W przypadku zwarcia amplituda prądu płynącego przez tranzystory staje się większa niż 100 A, a przełączanie tranzystorów mocy nie następuje już przy zerowych prądach, a średni prąd obciążenia przekracza 180 A. Zatem, jak stwierdzono wcześniej istnieje potrzeba szybkiego zabezpieczenia przed zwarciem, aby uniknąć wypadku.

Sekcja sterująca „A” (cienkie linie) charakteryzuje tryb przełączania nie przy prądzie zerowym. Interesujący z punktu widzenia praktycznego jest odcinek regulacji „B”, gdy częstotliwość przełączania jest dwa lub więcej razy mniejsza niż częstotliwość znamionowa. Można zauważyć, że głębokość takiej regulacji dla przetwornicy klasycznej jest znacznie mniejsza niż w przetwornicy Elkon, a konieczność pracy przy niższej częstotliwości przełączania pogarsza charakterystykę energetyczną przetwornicy klasycznej. Proponowany przekształtnik Elkon posiada praktycznie akceptowalne charakterystyki sterowania oraz zakres zmian częstotliwości przełączania.

Uwzględniając charakterystykę miękkiego obciążenia, możliwa jest regulacja napięcia wyjściowego przy stałej częstotliwości dzięki regulacji fazowej dwóch przekształtników połączonych równolegle przy napięciu przemiennym. Opcja ta została przetestowana na prototypie o mocy 1,2 kW. Napięcie wyjściowe zmienia się od zera do maksimum.

Uzyskane wyniki sugerują, że przetwornice napięcia wykorzystujące nową metodę konwersji rezonansowej znajdą szersze zastosowanie we wszystkich obszarach zastosowań konwencjonalnych przekształtników z regulacją PWM dla kilkudziesięciu kW i więcej.

A teraz - trochę o produktach seryjnych. Przedsiębiorstwo Elkon produkuje:
- stacje ochrony katodowej o mocach 0,6, 1,5, 3,0 i 5,0 kW, o sprawności w trybie nominalnym nie gorszej niż 93%;
- źródła do ręcznego spawania łukowego o mocy 5,0 i 8,0 kW, zasilane z sieci 220 woltów 50 Hz;
- źródła do ręcznego spawania łukowego o mocy 12 kW zasilane z sieci trójfazowej 380 woltów 50 Hz;
- źródła do ogrzewania półfabrykatów kuźniczych o mocy 7,0 kW zasilane z sieci 220 V 50 Hz;
- przetwornice do baterii słonecznej wysokiego napięcia o mocy 5,0 kW o napięciu wejściowym od 200 do 650 V i napięciu wyjściowym 400 V; Modulując napięcie wyjściowe przetwornicy zgodnie z prawem sinusoidalnym z częstotliwością 100 Hz, a następnie rozprowadzając półfale, energia elektryczna przekazywana jest z baterii słonecznej do sieci 220 V 50 Hz.
Pracownicy firmy mają nadzieję, że pomysł ten zainspiruje także doświadczonych radioamatorów zajmujących się projektowaniem sprzętu spawalniczego.

LITERATURA
Meshcheryakov V.M. Energoelektronika to skuteczny sposób rozwiązywania problemów regionalnego programu „Oszczędzanie energii i zasobów” // Elektrotechnika. 1996. 12.s.1.
Przetwornice tranzystorowe wysokiej częstotliwości./E.M.Romash, Yu.I.Drabovich, N.N.Yurchenko, P.N.Szewczenko - M.: Radio i komunikacja, 1988.-288p.
Goncharov A.Yu. Produkowane seryjnie tranzystorowe przetwornice mocy // Elektronika: Nauka, Technologia, Biznes. 1998. 2.s.50.
Kovalev F.I., Florentsev S.N. Energoelektronika: wczoraj, dziś, jutro // Elektrotechnika. 1997. 11.s.2.
Dmitrikov V.F. i inne Nowe wysokosprawne domowe źródła prądu z wejściem beztransformatorowym // http//:www.add.ru/r/konkurs/st.18.html
Patanow D.A. Ogólne problemy zmniejszania strat przełączania w falownikach napięcia // http://www.add.ru/r/konkurs/avtst8.html
Żdankin V.K. Urządzenia energoelektroniki firmy Zicon Electronics // Nowoczesne technologie automatyki. 2001.N1.s.6.
Belov G.A. Przetwornice napięcia prądu stałego tyrystorowo-tranzystorowe wysokiej częstotliwości. -M.: Energoatomizdat, 1987.-120 s.
Patent PCT, WO94/14230, 23.06.94, H02M 3/335.
Patent PCT/MD 03/00001. 16.05.2002, H02M3/337 Co piszą

Zastosowanie: rozwój zasilaczy impulsowych wysokiej częstotliwości. Istota wynalazku: w źródle zasilania znajduje się kluczowy tranzystorowy przetwornik napięcia 1, wykonany w postaci obwodu półmostkowego na tranzystorach 4,5 i kondensatorach 6,7 oraz zespół regulacji częstotliwości 25, wykonany w postaci połączonego szeregowo węzeł 26 do przetwarzania napięcia na rezystancję i węzeł 27 do przetwarzania rezystancji na częstotliwość Obwód wyjściowy przetwornicy 1 zawiera obwód rezonansowy złożony z cewki indukcyjnej 8 i kondensatorów 9, 10. Stabilizacja zmian częstotliwości pracy przetwornicy 1 w zależności od zmian napięcia wyjściowego. Utworzenie specjalnej formy prądu bazowego tranzystorów 4, 5 za pomocą bloku 25 i łańcuchów wykonanych na elementach 15-22 zmniejsza straty zarówno po włączeniu prądu, jak i przy wyłączeniu tranzystorów 4, 5. f-ly, 3 chory.

Wynalazek dotyczy elektrotechniki i może zostać wykorzystany przy opracowywaniu wysokiej jakości zasilaczy impulsowych. Znany impulsowy stabilizator napięcia zawiera półmostkowy przetwornik napięcia typu push-pull, wejście jest podłączone do zacisków wejściowych, a wyjście jest podłączone przez prostownik i filtr do zacisków wyjściowych, modulator szerokości impulsu, wyjścia które są podłączone do wejść sterujących półmostkowego przetwornika napięcia przeciwsobnego, generatora fali prostokątnej, sterownika napięcia piłokształtnego, źródła napięcia odniesienia i dwóch tranzystorów (1). Znane urządzenie rozwiązuje techniczny problem zwiększania sprawności poprzez wykorzystanie do porównania w modulatorze szerokości impulsu zmiennych napięć: odniesienia prostokątnego i zęba piłokształtnego, proporcjonalnego do napięcia wejściowego. Uzyskanie takich napięć i porównanie ich wymaga mniejszych nakładów energii. Wykorzystanie prądu źródła napięcia odniesienia do jednoczesnego sterowania tranzystorami półmostkowego przetwornika napięcia przeciwsobnego i pasywnego PWM dodatkowo zwiększa wydajność. Obecnie popularne są zasilacze PWM. Charakteryzują się jednak zbyt dużymi stratami, gdyż należą do tzw. twardych obwodów przełączających. Przy twardym przełączaniu włączony przełącznik tranzystorowy wyłącza się w momencie przepływu przez niego prądu, a wyłączony przełącznik tranzystorowy włącza się, gdy jest na nim napięcie, a zatem im częściej ten przełącznik jest włączany i wyłączany , tym większe straty. W takim przypadku czas przełączania tranzystora (czas włączania lub wyłączania) powinien być jak najkrótszy. Zatem wadą znanego urządzenia są duże straty, tj. słaba efektywność. Idealnie, aby straty były minimalne, przełącznik tranzystorowy powinien wyłączać się, gdy przepływający przez niego prąd wynosi zero (przełączanie przy zerowym prądzie) i włączać, gdy napięcie na nim wynosi zero (przełączanie przy zerowym napięciu). Obecnie najlepszym rozwiązaniem w przypadku zasilaczy impulsowych wysokiej częstotliwości jest zastosowanie obwodów rezonansowych. W przeciwieństwie do zasilaczy z PWM, obwody rezonansowe „łagodzą” tryb przełączania, pomagając w ten sposób zmniejszyć straty przełączania. W rezultacie zasilacze rezonansowe zapewniają wyższą wydajność przy tej samej częstotliwości roboczej. Znany zasilacz rezonansowy zawierający kluczowy tranzystorowy przetwornik napięcia, połączenia wejściowe z zaciskami wejściowymi i wykonany w postaci obwodu półmostkowego, w którego obwodzie wyjściowym znajduje się obwód rezonansowy, składający się z obwodu szeregowego połączonego równolegle na cewka indukcyjna i pierwszy kondensator oraz drugi kondensator i równolegle do pierwszego kondensatora włączane jest uzwojenie pierwotne transformatora wyjściowego, którego uzwojenie wtórne jest połączone z zaciskami wyjściowymi poprzez prostownik i filtr oraz jednostkę kontroli częstotliwości , którego wyjścia są podłączone do wejść sterujących kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, którego zaciski mocy tranzystorów są bocznikowane diodami blokującymi (2). Znane źródło prądu jest analogiem najbliższym proponowanemu wynalazkowi pod względem zestawu istotnych cech. Jednak znane źródło prądu ma również znaczne straty przełączania, ponieważ jednostka kontroli częstotliwości wytwarza oscylacje prostokątne i dlatego prąd sterujący tranzystora przetwornicy ma również kształt prostokątny. Celem technicznym niniejszego wynalazku jest zmniejszenie strat przy przełączaniu tranzystorów kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia i zmniejszenie mocy pobieranej przez przetwornicę częstotliwości. Efektem technicznym, jaki można uzyskać stosując wynalazek, jest zwiększenie sprawności rezonansowego źródła zasilania. Postawione zadanie techniczne osiąga się przez to, że w zasilaczu rezonansowym zawierającym kluczowy tranzystor, przetwornicę napięcia, połączenia wejściowe z zaciskami wyjściowymi i wykonanym w postaci obwodu półmostkowego, w którego obwodzie wyjściowym znajduje się obwód rezonansowy jest zawarty, składający się z obwodu szeregowego połączonego równolegle na cewce i pierwszym kondensatorze oraz drugiego kondensatora i równolegle z pierwszym kondensatorem połączone jest uzwojenie pierwotne transformatora wyjściowego, którego uzwojenie wtórne jest podłączone do wyjścia zaciski przez prostownik i filtr oraz jednostkę kontroli częstotliwości, której wyjścia są podłączone do wejść sterujących kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, którego zaciski mocy tranzystorów są bocznikowane przez diody blokujące, kontrola częstotliwości bloku jest wykonywana w postaci dwóch rezystorów bazowych i diody połączonych szeregowo oraz na dodatkowym kondensatorze podłączonym pomiędzy punktem wspólnym rezystorów a wolnym wyjściem diody, przy czym wejścia sterujące tranzystorów poprzez odpowiednie tory generowania prądu bazy są połączone do odpowiednich wejść sterujących kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, a węzeł przetwarzający rezystancję na częstotliwość wykonany jest w postaci multiwibratora parafazowego na czterech falownikach logicznych, trzecim i czwartym kondensatorze, dodatkowym tranzystorze i trzech rezystorach oraz falownikach logicznych są połączone parami szeregowo, odpowiednio pierwszy z drugim i trzeci z czwartym, trzeci kondensator jest podłączony między wyjściem pierwszego i wejściem trzeciego falownika logicznego, a czwarty kondensator jest podłączony między wyjściem trzeciego i wyjście pierwszego falownika logicznego, pierwszy rezystor jest podłączony równolegle z wyjściem zespołu przetwornika napięcie-rezystancja, podłączonego przez drugi i trzeci rezystor do wyjść odpowiednio pierwszego i trzeciego falowniki logiczne, wyjścia drugiego i trzeciego falownika logicznego, czwarte falowniki logiczne podłączone są do uzwojenia pierwotnego dodatkowego transformatora, którego dwa uzwojenia wtórne służą jako wyjścia przetwornika rezystancji na częstotliwość oraz wyjścia częstotliwości jednostka sterująca, której wejście jest wejściem modułu konwersji napięcia na rezystancję podłączonego do pinów wyjściowych. Dodatkowo przetwornica napięcia na rezystancję składa się z dodatkowego tranzystora, którego wyjście jest wykorzystywane jako wyjście przetwornika napięcia na rezystancję, rezystor zmienny pełni rolę wejścia przetwornicy napięcia na rezystancję. moduł konwersji rezystancji, czwarty rezystor podłączony pomiędzy wejściem i wyjściem modułu konwersji napięcia na rezystancję, rezystancja, a zacisk regulacyjny rezystora zmiennego jest podłączony do bazy dodatkowego tranzystora. Falowniki logiczne można wykonać przy użyciu elementów 2I-NOT. Aby zapewnić rozruch przetwornicy napięcia, dodatkowy transformator wyposażony jest w uzwojenie rozruchowe połączone szeregowo z obwodem rezonansowym z obwodem wyjściowym kluczowego tranzystorowego przetwornicy napięcia. Wynalazek ilustrują rysunki, gdzie na FIG. 1 przedstawia schemat zasilacza rezonansowego; rys. 2 postać prądu bazowego tranzystorów kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, na ryc. 3 jego charakterystyka regulacji. Zasilacz rezonansowy (rys. 1) zawiera kluczowy tranzystorowy przetwornik napięcia 1, podłączony wejściem do zacisków wyjściowych 2, 3 i wykonany w postaci obwodu półmostkowego na tranzystorach 4, 5 i kondensatorach 6, 7, w obwodzie wyjściowym, w którym znajduje się obwód rezonansowy, składający się z połączonego równolegle z obwodem szeregowym cewki 8 i pierwszego kondensatora 9 oraz drugiego kondensatora 10, transformatora wyjściowego 11, uzwojenia pierwotnego, które jest połączone równolegle z kondensator 9, a uzwojenie wtórne poprzez prostownik 12 i filtr 13 jest podłączony do wyjścia kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia podłączonego do zacisków wyjściowych, do którego podłączone jest obciążenie 14, łańcuchy wytwarzania prądu bazowego wykonane w postaci szeregowej -podłączone rezystory bazowe 15 i 16, 17, 18 oraz diody 19 i 20, a na dodatkowych kondensatorach 21 i 22 podłączonych pomiędzy punktem wspólnym rezystorów 15, 16 i 17, 18 oraz wolnymi zaciskami diod odpowiednio 19 i 20, blokując diody 23 i 24, zaciski mocy bocznikowej tranzystorów 4 i 5, przetwornica częstotliwości 25, wykonana w postaci połączonych szeregowo węzłów do przetwarzania napięcia na rezystancję 26 oraz węzeł do przetwarzania rezystancji na częstotliwość 27. Węzeł 27 przetwarzający rezystancję na częstotliwość zawiera multiwibrator parafazowy na czterech falownikach logicznych 28, 29, 30, 31, trzeci kondensator 32, czwarty kondensator 33, dodatkowy transformator 34 i trzy rezystory 35, 36, 37, a falowniki logiczne są połączone parami szeregowo, 28 z 29 i 30 z 31, trzeci kondensator 32 jest podłączony pomiędzy wyjściem falownika logicznego 28 i wejściem falownika logicznego 30, czwarty kondensator 33 jest podłączony pomiędzy wyjściem falownika logicznego 30 i wejściem falownika logicznego falownik logiczny 28, pierwszy rezystor 35 jest podłączony równolegle z wyjściem węzła konwersji napięcia na rezystancję 26, poprzez drugi rezystor 36 i trzeci rezystor 37 podłączone odpowiednio do wejść falownika logicznego 28 i falownika logicznego 30 , wyjścia falownika logicznego 29 i falownika logicznego 31 są podłączone do uzwojenia pierwotnego 38 dodatkowego transformatora 34, którego uzwojenia wtórne 39 i 40 służą jako wyjścia węzła 27 przetwarzającego rezystancję na częstotliwość i wyjścia jednostki sterującej częstotliwością 25 . Falowniki logiczne 28, 29, 30, 31 można wykonać np. na elementach 2I-NOT. Jako wejście modułu sterującego częstotliwością 25 wykorzystywane jest wejście modułu konwersji napięcia na rezystancję 26, wykonane na dodatkowym tranzystorze 41, którego wyjście jest wykorzystywane jako wyjście modułu konwersji napięcia na rezystancję 26, na rezystorze zmiennym 42, używanym jako wejście modułu konwersji napięcia na rezystancję 26, i czwartym rezystorze 43, podłączonym pomiędzy wejściem i wyjściem modułu konwersji napięcia na rezystancję 26 i zaciskiem regulacyjnym rezystora zmiennego 42 jest podłączony do bazy dodatkowego tranzystora 41. Wejście przetwornicy częstotliwości 25 jest podłączone do obciążenia 14. Aby zapewnić rozruch kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, 1 dodatkowy transformator 34 jest wyposażony w uzwojenie początkowe 44, połączone szeregowo z obwodem rezonansowym z obwodem wyjściowym kluczowego przetwornika tranzystorowego 1. Multiwibrator parafazowy zasilany jest z osobnego źródła zasilania i ze źródła napięcia odniesienia (elementy 45, 46) poprzez przyłożenie do niego napięcia z wyjścia prostownika 12 kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia 1 przez filtr pojemnościowy 47. Rezystory 48, 49, 50, 51 ustawiają wymagany tryb pracy tranzystorów 4 i 5. Zasilanie rezonansowe działa w następujący sposób. Po włączeniu źródła zasilania kluczowy tranzystorowy przetwornik napięcia 1 jest wzbudzany w wyniku dodatniego sprzężenia zwrotnego uzwojenia początkowego 44 dodatkowego transformatora 34 i zaczyna generować impulsy o niskiej częstotliwości. Na uzwojeniu wtórnym transformatora wyjściowego 11 pojawia się napięcie, które poprzez prostownik 12 zasila mikroukład na falownikach logicznych 28.31 multiwibratora parafazowego. Multiwibrator zaczyna generować impulsy o wysokiej częstotliwości, które wchodzą przez transformator 34 do łańcucha generowania prądu bazy tranzystorów 4 i 5. Dzięki formowaniu prądu bazy przez tranzystory 4 i 5 konwertera 1 za pomocą modułu sterującego częstotliwością 25 i łańcuchów generowania prądu bazy (elementy 15.22), zmniejszenie strat osiąga się na tranzystorach 4 i 5, gdy są one przełączane. W chwili t 1 (ryc. 2) tranzystor 4 jest włączony (włączony przy zerowym napięciu). Przy tak gwałtownym skoku prądu bazowego straty po włączeniu tranzystora są zmniejszone. Tranzystor jest włączany i nasycany przez czas t 1 t 2 . W tym przypadku prąd bazy maleje liniowo do wartości ibmin. przy którym tranzystor jest jeszcze nasycony. Przy wartości ib czas absorpcji t tranzystora po jego wyłączeniu będzie minimalny, co prowadzi do zmniejszenia strat po wyłączeniu tranzystora. W czasie t 2 t 3, gdy prąd bazowy przyjmuje wartości ujemne, czas wyłączenia tranzystora z powodu dodatkowego zmniejszenia t biegnie. maleje, zmniejszając w ten sposób straty ciepła, gdy tranzystor jest wyłączony. Zatem ze względu na powstawanie prądu bazowego tranzystorów 4 i 5 o specjalnym kształcie (ryc. 2) straty są zmniejszone zarówno podczas włączania, jak i wyłączania tranzystorów konwertera 1. Po włączeniu tranzystora 4 prąd w cewce 8 zaczyna stopniowo rosnąć. Prąd ten jest równy sumie prądu w uzwojeniu pierwotnym transformatora 11 i prądu ładowania kondensatora 9. Kiedy napięcie na kondensatorze 9 i uzwojeniu pierwotnym transformatora 11 zrówna się z napięciem wejściowym, spadek napięcia na cewce 8 będzie osiągnie zero, po czym energia zgromadzona w cewce 8 zacznie ładować kondensator 9. Po upływie czasu ustalonego przez własną częstotliwość rezonansową obwodu prąd w cewce 8, a co za tym idzie, w tranzystorze 4 wyniesie zero. Następnie prąd płynący przez cewkę indukcyjną 8 zmieni kierunek, a kondensator 9 zacznie się rozładowywać, utrzymując przepływ prądu przez diodę 23. W tym przypadku tranzystor 4 wyłącza się (przełączanie przy zerowym prądzie). Półcykl rezonansowy ładowania kondensatora 10 rozpoczyna się po wyłączeniu tranzystora 4 i kończy przed włączeniem tranzystora 5. Kiedy oba tranzystory są wyłączone, energia jest przekazywana z cewki indukcyjnej 8 do kondensatora 10. W miarę ładowania kondensatora 10 napięcie na tranzystor 4 wzrasta, a na tranzystorze 5 maleje. Kiedy napięcie na tranzystorze 5 spadnie do zera, zostaje on włączony bez strat, a dioda 24 zapewnia powrót energii pozostałej w cewce 8 na wejście rezonansowego źródła zasilania. Następny półcykl jest identyczny jak pierwszy i rozpoczyna się w momencie wyłączenia tranzystora 5. Teraz napięcie na tranzystorze 5 wzrośnie, a napięcie na tranzystorze 4 spadnie, a gdy spadnie do zera, tranzystor 4 włączy się bez strat. Podobnie jak w innych zasilaczach rezonansowych, zmiana częstotliwości pracy przetwornicy 1 powoduje zmianę napięcia wyjściowego, a częstotliwość pracy przetwornicy 1 jest wyższa od jej częstotliwości rezonansowej, a punkt pracy konwersji znajduje się na prawe nachylenie krzywej rezonansowej obwodu (rys. 3) w jego prostym odcinku. Stabilizacja napięcia wyjściowego odbywa się poprzez podanie ujemnego napięcia sprzężenia zwrotnego z obciążenia 14 do bloku regulacji częstotliwości 25 i wygenerowanie w tym bloku impulsów sterujących dla tranzystorów 4 i 5 przetwornicy 17. W bloku regulacji częstotliwości 25 napięcie jest przetwarzany na rezystancję w węźle 26, a następnie rezystancję na częstotliwość w węźle 27. Modulacja częstotliwości następuje poprzez zmianę rezystancji rezystora 35, bocznikowanego przez tranzystor 41. Rezystor 35 i kondensatory 32, 33 oraz rezystory 36, 37 pełnią funkcję elementy rozrządu multiwibratora parafazowego. Gdy napięcie wyjściowe maleje od wartości U 0 do U 2 na skutek wzrostu prądu obciążenia, częstotliwość multiwibratora parafazowego maleje od wartości f 1 do wartości f 3 (rys. 3), natomiast napięcie wyjściowe przetwornik 1 wzrasta do wartości U 1, a spadek napięcia wyjściowego jest źródłem kompensowanym. Zatem napięcie wyjściowe zasilacza rezonansowego pozostanie niezmienione. Podobnie napięcie wyjściowe jest stabilizowane poprzez zmniejszenie prądu obciążenia. Na charakterystyce rezonansowej (regulacyjnej) (ryc. 3) punkt pracy konwersji przesuwa się wzdłuż linii f 1, f 2, f 3: im większy prąd w obciążeniu, tym bliżej punktu pracy do częstotliwości i odwrotnie odwrotnie, im niższy prąd w obciążeniu, tym punkt pracy jest bliżej częstotliwości f 2 . Przy bardzo dużych punktach obciążenia lub zwarciach w obciążeniu punkt pracy konwersji przesuwa się w lewo poza częstotliwość rezonansową fp, redukując napięcie prawie do zera (punkt f 4, rys. 3). W takim przypadku zabezpieczenie źródła zasilania przed zwarciem realizowane jest bez użycia jakichkolwiek dodatkowych elementów. Zaproponowana konstrukcja przetwornicy częstotliwości, w szczególności jej przetwornicy rezystancji na częstotliwość, jest bardzo ekonomiczna, ponieważ charakteryzują się niskim zużyciem energii. Zatem niniejszy wynalazek umożliwia zwiększenie wydajności rezonansowego źródła zasilania.

PRAWO

1. Zasilacz rezonansowy zawierający kluczowy tranzystorowy przetwornik napięcia, którego wejście jest podłączone do zacisków wejściowych i wykonane w postaci obwodu półmostkowego, w obwodzie wyjściowym którego podłączony jest obwód rezonansowy, składający się z obwodu połączonego szeregowo równolegle na cewce i pierwszym kondensatorze oraz drugim kondensatorze i równolegle do pierwszego Kondensator jest podłączony do uzwojenia pierwotnego transformatora wyjściowego, którego uzwojenie wtórne jest połączone przez prostownik i filtr z wyjściem klucza tranzystorowy przetwornik napięcia, podłączony do zacisków wyjściowych, oraz układ regulacji częstotliwości, którego wyjścia są podłączone do wejść sterujących kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, którego zaciski mocy tranzystorów są zbocznikowane diodami blokującymi, charakteryzujące się tym, że przetwornica częstotliwości wykonana jest w postaci połączonego szeregowo modułu przetwarzającego napięcie na rezystancję i modułu przetwarzającego rezystancję na częstotliwość; jako tranzystory kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia zastosowano tranzystory bipolarne, których obwody bazowe są wyposażone w tory wytwarzania prądu bazy wykonane w postaci połączonych szeregowo dwóch rezystorów bazowych i diody oraz na dodatkowym kondensatorze podłączonym pomiędzy punktem wspólnym rezystorów bazowych a wolnymi zaciskami diody, natomiast wejścia sterujące tranzystorów poprzez odpowiednie tory wytwarzania prądu bazowego są podłączone do odpowiednich wejść sterujących kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia, a zespół przetwarzania rezystancji na częstotliwość wykonany jest w postaci multiwibratora parafazowego na czterech falownikach logicznych, trzecim i czwartym kondensatorze, na dodatkowym transformatorze i trzech rezystorach, a falowniki logiczne łączy się parami szeregowo, odpowiednio pierwszy z drugim i trzeci z czwartym, trzeci kondensator jest podłączony między wyjściem pierwszego i wejściem trzeciego falowniki logiczne, a czwarty kondensator jest podłączony pomiędzy wyjściem trzeciego a wejściem pierwszego falownika logicznego, pierwszy rezystor jest podłączony równolegle do wyjścia przetwornika napięcia na rezystancję, poprzez drugi i trzeci rezystor podłączone do wejść odpowiednio pierwszego i trzeciego falownika logicznego, wyjścia drugiego i czwartego falownika logicznego są podłączone do uzwojenia pierwotnego dodatkowego transformatora, którego dwa uzwojenia wtórne służą jako wyjścia rezystancji - przetwornicy częstotliwości i wyjścia przetwornicy częstotliwości, przy czym wejście dla którego wykorzystywane jest wejście przetwornicy napięcia na rezystancję podłączone do zacisków wyjściowych. 2. Źródło prądu według zastrz. 1, znamienne tym, że przetwornica napięcia na rezystancję składa się z dodatkowego tranzystora, którego wyjście wykorzystywane jest jako wyjście przetwornicy napięcia na rezystancję, rezystora zmiennego używany jako wejście modułu konwersji napięcia na rezystancję, czwarty to rezystor podłączony pomiędzy wejściem i wyjściem modułu konwersji napięcia na rezystancję, a zacisk regulacyjny rezystora zmiennego jest podłączony do podstawy dodatkowy tranzystor. 3. Zasilacz według zastrzeżeń 1 i 2, znamienny tym, że falowniki logiczne wykonane są na elementach 2I-NOT. 4. Źródło prądu według zastrzeżenia 1 3, znamienne tym, że dodatkowy transformator jest wyposażony w uzwojenie rozruchowe połączone szeregowo z obwodem rezonansowym z obwodem wyjściowym kluczowego tranzystorowego przetwornika napięcia.

65 nanometrów to kolejny cel fabryki Angstrem-T w Zelenogradzie, która będzie kosztować 300-350 mln euro. Firma złożyła już wniosek o preferencyjny kredyt na modernizację technologii produkcyjnych do Wnieszekonombanku (VEB), poinformował w tym tygodniu Wiedomosti, powołując się na prezesa zarządu zakładu Leonida Reimana. Teraz Angstrem-T przygotowuje się do uruchomienia linii produkcyjnej mikroukładów o topologii 90 nm. Spłaty poprzedniego kredytu VEB, za który został zakupiony, rozpoczną się w połowie 2017 roku.

Pekin rujnuje Wall Street

Kluczowe amerykańskie indeksy pierwsze dni Nowego Roku zanotowały rekordowy spadek, a miliarder George Soros już ostrzegł, że świat stoi w obliczu powtórki kryzysu z 2008 roku.

Do masowej produkcji wprowadzany jest pierwszy rosyjski procesor konsumencki Baikal-T1 w cenie 60 dolarów

Firma Baikal Electronics obiecuje wprowadzić do produkcji przemysłowej rosyjski procesor Baikal-T1 kosztujący około 60 dolarów na początku 2016 roku. Uczestnicy rynku twierdzą, że na urządzenia będzie popyt, jeśli rząd stworzy taki popyt.

MTS i Ericsson wspólnie opracują i wdrożą 5G w Rosji

Mobile TeleSystems PJSC i Ericsson zawarły umowy o współpracy w zakresie rozwoju i wdrażania technologii 5G w Rosji. W projektach pilotażowych, m.in. podczas Pucharu Świata 2018, MTS zamierza przetestować rozwiązania szwedzkiego dostawcy. Na początku przyszłego roku operator rozpocznie dialog z Ministerstwem Telekomunikacji i Komunikacji Masowej w sprawie opracowania wymagań technicznych dla telefonii komórkowej piątej generacji.

Sergey Chemezov: Rostec jest już jedną z dziesięciu największych korporacji inżynieryjnych na świecie

Szef Rostec Siergiej Chemezow w rozmowie z RBC odpowiedział na palące pytania: o systemie Platon, problemach i perspektywach AVTOVAZ, interesach Korporacji Państwowej w branży farmaceutycznej, mówił o współpracy międzynarodowej w kontekście sankcji presja, substytucja importu, reorganizacja, strategia rozwoju i nowe możliwości w trudnych czasach.

Rostec „ogrodzi się” i wkracza na laury Samsunga i General Electric

Rada Nadzorcza Rostec zatwierdziła „Strategię rozwoju do 2025 roku”. Główne cele to zwiększenie udziału zaawansowanych technologicznie produktów cywilnych oraz dogonienie General Electric i Samsunga pod względem kluczowych wskaźników finansowych.

Opisywane urządzenie zapewnia wyjątkowo wysoką sprawność konwersji, umożliwia regulację napięcia wyjściowego i jego stabilizację oraz pracuje stabilnie przy wahaniach mocy obciążenia. Przetwornik tego typu jest ciekawy i niezasłużenie mało rozpowszechniony - quasi-rezonansowy, w dużej mierze pozbawiony wad innych popularnych układów. Pomysł stworzenia takiego konwertera nie jest nowy, ale praktyczne wdrożenie stało się możliwe stosunkowo niedawno, po pojawieniu się potężnych tranzystorów wysokiego napięcia, które pozwalają na znaczny prąd kolektora impulsów przy napięciu nasycenia około 1,5 V. Główną cechą wyróżniającą Cechą i główną zaletą tego typu źródła zasilania jest wysoka sprawność przetwornicy napięcia, sięgająca 97...98% bez uwzględnienia strat na prostowniku obwodu wtórnego, które w głównej mierze zależą od prądu obciążenia.

Przetwornica quasi-rezonansowa różni się od konwencjonalnej przetwornicy impulsów, w której w momencie zamknięcia tranzystorów przełączających prąd przepływający przez nie jest maksymalny, quasi-rezonansowy tym, że w momencie zamknięcia tranzystorów prąd ich kolektora jest bliski zeru. Ponadto redukcję prądu w momencie zamknięcia zapewniają elementy reaktywne urządzenia. Różni się od rezonansowej tym, że częstotliwość konwersji nie jest określona przez częstotliwość rezonansową obciążenia kolektora. Dzięki temu możliwa jest regulacja napięcia wyjściowego poprzez zmianę częstotliwości przetwarzania i realizacja stabilizacji tego napięcia. Ponieważ do czasu zamknięcia tranzystora elementy reaktywne redukują prąd kolektora do minimum, prąd bazy również będzie minimalny, a zatem czas zamykania tranzystora zostanie skrócony do wartości czasu jego otwarcia. W ten sposób całkowicie eliminuje się problem prądu przelotowego występującego podczas przełączania. Na ryc. Rysunek 4.22 przedstawia schemat ideowy samooscylującego, niestabilizowanego zasilacza.

Główne parametry techniczne:

Sprawność całkowita urządzenia, %............................................ ........................92;

Napięcie wyjściowe, V, przy rezystancji obciążenia 8 omów....... 18;

Częstotliwość robocza przetwornicy, kHz...................................20;

Maksymalna moc wyjściowa, W............................................ ......55;

Maksymalna amplituda tętnienia napięcia wyjściowego przy częstotliwości roboczej, V

Główna część strat mocy w urządzeniu przypada na nagrzewanie się diod prostowniczych obwodu wtórnego, a sprawność samego przetwornicy jest taka, że ​​nie ma potrzeby stosowania radiatorów dla tranzystorów. Straty mocy na każdym z nich nie nie przekraczać 0,4 W. Nie jest również wymagany specjalny dobór tranzystorów według jakichkolwiek parametrów.W przypadku zwarcia wyjścia lub przekroczenia maksymalnej mocy wyjściowej następuje przerwanie generacji, co zabezpiecza tranzystory przed przegrzaniem i awarią.

Filtr składający się z kondensatorów C1...SZ i cewki indukcyjnej LI, L2 ma za zadanie chronić sieć zasilającą przed zakłóceniami o wysokiej częstotliwości pochodzącymi od przetwornicy. Autogenerator jest uruchamiany przez obwód R4, C6 i kondensator C5. Generowanie oscylacji następuje w wyniku działania dodatniego sprzężenia zwrotnego przez transformator T1, a ich częstotliwość jest określona przez indukcyjność uzwojenia pierwotnego tego transformatora i rezystancję rezystora R3 (wraz ze wzrostem rezystancji wzrasta częstotliwość).

Dławiki LI, L2 i transformator T1 nawinięte są na jednakowe pierścieniowe rdzenie magnetyczne K12x8x3 wykonane z ferrytu 2000NM. Uzwojenia cewki indukcyjnej wykonuje się jednocześnie „w dwóch przewodach” drutem PELSHO-0,25; liczba zwojów - 20. Uzwojenie I transformatora TI zawiera 200 zwojów drutu PEV-2-0,1, nawiniętych masowo, równomiernie na całym pierścieniu. Uzwojenia II i III są nawinięte „w dwa druty” - 4 zwoje drutu PELSHO-0,25; uzwojenie IV jest zwojem tego samego drutu. W transformatorze T2 zastosowano pierścieniowy rdzeń magnetyczny K28x16x9 wykonany z ferrytu 3000NN. Uzwojenie I zawiera 130 zwojów drutu PELI10-0,25, ułożonych z rzędu. Uzwojenia II i III - po 25 zwojów drutu PELSHO-0,56; uzwojenie - „w dwóch drutach”, równomiernie wokół pierścienia.

Dławik L3 zawiera 20 zwojów drutu PELI10-0,25, nawiniętych na dwa złożone pierścieniowe rdzenie magnetyczne K12x8x3 wykonane z ferrytu 2000NM. Diody VD7, VD8 muszą być instalowane na radiatorach o powierzchni rozpraszania co najmniej 2 cm2 każdy.

Opisywane urządzenie zostało zaprojektowane do współpracy ze stabilizatorami analogowymi dla różnych wartości napięć, dzięki czemu nie było potrzeby stosowania głębokiego tłumienia tętnień na wyjściu urządzenia. Tętnienia można zredukować do wymaganego poziomu stosując powszechnie stosowane w takich przypadkach filtry LC jak np. w innej wersji tego konwertera o następujących podstawowych parametrach technicznych:

Znamionowe napięcie wyjściowe, V............................................ ...... 5,

Maksymalny prąd wyjściowy, A............................................ ............... 2;

Maksymalna amplituda pulsacji, mV............................................50 ;

Zmiana napięcia wyjściowego, mV, nie więcej, gdy zmienia się prąd obciążenia

od 0,5 do 2 A i napięcie sieciowe od 190 do 250 V...........................150;

Maksymalna częstotliwość konwersji, kHz............................ 20.

Schemat stabilizowanego zasilacza opartego na przetwornicy quasi-rezonansowej pokazano na rys. 4.23.

Napięcie wyjściowe stabilizowane jest poprzez odpowiednią zmianę częstotliwości pracy przetwornicy. Podobnie jak w poprzednim bloku, mocne tranzystory VT1 i VT2 nie potrzebują radiatorów. Symetryczne sterowanie tymi tranzystorami realizowane jest za pomocą oddzielnego głównego generatora impulsów zamontowanego na chipie DDI. Wyzwalacz DD1.1 działa w samym generatorze.

Impulsy mają stały czas trwania określony przez obwód R7, C12. Okres jest zmieniany przez obwód OS, który zawiera transoptor U1, dzięki czemu napięcie na wyjściu urządzenia jest utrzymywane na stałym poziomie. Minimalny okres ustawiany jest przez obwód R8, C13. Wyzwalacz DDI.2 dzieli częstotliwość powtarzania tych impulsów przez dwa, a napięcie prostokątne jest dostarczane z bezpośredniego wyjścia do tranzystorowego wzmacniacza prądowego VT4, VT5. Następnie wzmocnione prądem impulsy sterujące są różnicowane przez obwód R2, C7, a następnie, już skrócone do czasu trwania około 1 μs, wchodzą przez transformator T1 do obwodu bazowego tranzystorów VT1, VT2 przetwornicy. Te krótkie impulsy służą jedynie do przełączania tranzystorów - zamykania jednego z nich i otwierania drugiego.

Ponadto główna moc z generatora wzbudzenia jest zużywana tylko podczas przełączania potężnych tranzystorów, więc średni pobierany przez niego prąd jest niewielki i nie przekracza 3 mA, biorąc pod uwagę prąd diody Zenera VD5. Dzięki temu może być zasilany bezpośrednio z sieci pierwotnej poprzez rezystor wygaszający R1. Tranzystor VT3 jest wzmacniaczem napięcia sygnału sterującego, podobnie jak w stabilizatorze kompensacyjnym. Współczynnik stabilizacji napięcia wyjściowego bloku jest wprost proporcjonalny do współczynnika przewodzenia prądu statycznego tego tranzystora.

Zastosowanie transoptora tranzystorowego U1 zapewnia niezawodną izolację galwaniczną obwodu wtórnego od sieci oraz wysoką odporność na zakłócenia na wejściu sterującym oscylatora głównego. Po kolejnym przełączeniu tranzystorów VT1, VT2 kondensator SY zaczyna się ładować, a napięcie u podstawy tranzystora VT3 zaczyna rosnąć, wzrasta również prąd kolektora. W rezultacie otwiera się tranzystor transoptorowy, utrzymując główny kondensator oscylatora C13 w stanie rozładowanym. Po zamknięciu diod prostowniczych VD8, VD9 kondensator SY zaczyna rozładowywać się do obciążenia, a napięcie na nim spada. Tranzystor VT3 zamyka się, w wyniku czego kondensator C13 rozpoczyna ładowanie przez rezystor R8. Gdy tylko kondensator zostanie naładowany do napięcia przełączającego wyzwalacza DD1.1, na jego bezpośrednim wyjściu zostanie ustalony wysoki poziom napięcia. W tym momencie następuje kolejne przełączenie tranzystorów VT1, VT2, a także rozładowanie kondensatora SI przez otwarty tranzystor transoptora.

Rozpoczyna się kolejny proces ładowania kondensatora SY, a wyzwalacz DD1.1 po 3...4 μs ponownie powróci do stanu zerowego ze względu na małą stałą czasową obwodu R7, C12, po czym następuje cały cykl sterowania powtarzane, niezależnie od tego, który z tranzystorów to VT1 czy VT2 - otwarty w bieżącym półokresie. Gdy źródło jest włączone, w początkowej chwili, gdy kondensator SY jest całkowicie rozładowany, przez diodę LED transoptora nie przepływa prąd, częstotliwość generowania jest maksymalna i zależy głównie od stałej czasowej obwodu R8, C13 (tzw. stała czasowa obwodu R7, C12 jest kilkukrotnie mniejsza). Przy wartościach znamionowych tych elementów wskazanych na schemacie częstotliwość ta będzie wynosić około 40 kHz, a po podzieleniu przez wyzwalacz DDI.2 - 20 kHz. Po naładowaniu kondensatora SY do napięcia roboczego uruchamia się pętla stabilizująca OS na elementach VD10, VT3, U1, po czym częstotliwość konwersji będzie już zależeć od napięcia wejściowego i prądu obciążenia. Wahania napięcia na kondensatorze SY są wygładzane przez filtry L4, C9. Dławiki LI, L2 i L3 są takie same jak w poprzednim bloku.

Transformator T1 wykonany jest na dwóch pierścieniowych rdzeniach magnetycznych K12x8x3 złożonych razem z ferrytu 2000NM. Uzwojenie pierwotne jest nawinięte równomiernie na całym pierścieniu i zawiera 320 zwojów drutu PEV-2-0,08. Uzwojenia II i III zawierają po 40 zwojów drutu PEL1110-0,15; są nawinięte „w dwa druty”. Uzwojenie IV składa się z 8 zwojów drutu PELSHO-0,25. Transformator T2 wykonany jest na pierścieniowym rdzeniu magnetycznym K28x16x9 wykonanym z ferrytu 3000NN. Uzwojenie I - 120 zwojów drutu PELSHO-0,15 oraz II i III - 6 zwojów drutu PEL1110-0,56 nawiniętych „w dwa druty”. Zamiast drutu PELSHO można zastosować drut PEV-2 o odpowiedniej średnicy, jednak w tym przypadku konieczne jest ułożenie pomiędzy uzwojeniami dwóch lub trzech warstw lakierowanej tkaniny.

Dławik L4 zawiera 25 zwojów drutu PEV-2-0,56 nawiniętych na pierścieniowy rdzeń magnetyczny K12x6x4,5 wykonany z ferrytu 100NNH1. Odpowiedni jest również dowolny gotowy induktor o indukcyjności 30...60 μH dla prądu nasycenia co najmniej 3 A i częstotliwości roboczej 20 kHz. Wszystkie stałe rezystory to MJIT. Rezystor R4 - regulowany, dowolnego typu. Kondensatory C1...C4, C8 - K73-17, C5, C6, C9, SY - K50-24, reszta - KM-6. Diodę Zenera KS212K można zastąpić diodą KS212Zh lub KS512A. Diody VD8, VD9 należy instalować na grzejnikach o powierzchni rozpraszania co najmniej 20 cm2 każdy. Wydajność obu bloków można zwiększyć, jeśli zamiast diod KD213A zastosuje się diody Schottky'ego, na przykład dowolną z serii KD2997. W takim przypadku radiatory dla diod nie będą wymagane.

Zasada realizacji zasilania wtórnego poprzez zastosowanie dodatkowych urządzeń dostarczających energię do obwodów stosowana jest już od dłuższego czasu w większości urządzeń elektrycznych. Te urządzenia to zasilacze. Służą do konwersji napięcia do wymaganego poziomu. Zasilacze mogą być elementami wbudowanymi lub oddzielnymi. Istnieją dwie zasady przetwarzania energii elektrycznej. Pierwsza opiera się na zastosowaniu transformatorów analogowych, a druga na wykorzystaniu zasilaczy impulsowych. Różnica między tymi zasadami jest dość duża, ale niestety nie wszyscy ją rozumieją. W tym artykule dowiemy się, jak działa zasilacz impulsowy i czym tak bardzo różni się od zasilacza analogowego. Zacznijmy. Iść!

Jako pierwsze pojawiły się zasilacze transformatorowe. Zasada ich działania polega na tym, że zmieniają strukturę napięcia za pomocą transformatora mocy, który podłącza się do sieci 220 V. Tam następuje redukcja amplitudy harmonicznej sinusoidalnej, która jest przesyłana dalej do urządzenia prostowniczego. Następnie napięcie jest wygładzane przez podłączony równolegle kondensator, który dobiera się zgodnie z dopuszczalną mocą. Regulacja napięcia na zaciskach wyjściowych odbywa się poprzez zmianę położenia rezystorów dostrajających.

Przejdźmy teraz do zasilaczy impulsowych. Pojawiły się nieco później, jednak od razu zyskały znaczną popularność ze względu na szereg pozytywnych cech, a mianowicie:

• Dostępność opakowań;
• Niezawodność;
• Możliwość rozszerzenia zakresu pracy dla napięć wyjściowych.

Wszystkie urządzenia wykorzystujące zasadę zasilania impulsowego praktycznie nie różnią się od siebie.

Elementy zasilacza impulsowego to:

• Zasilanie liniowe;
• Zasilanie rezerwowe;
• Generator (ZPI, sterowanie);
• Kluczowy tranzystor;
• Transoptor;
• Obwody sterujące.

Aby dobrać zasilacz o określonym zestawie parametrów skorzystaj ze strony ChipHunt.

Zastanówmy się w końcu, jak działa zasilacz impulsowy. Wykorzystuje zasady współdziałania pomiędzy elementami obwodu falownika i dzięki temu uzyskuje się stabilizowane napięcie.

Najpierw prostownik otrzymuje normalne napięcie 220 V, następnie amplituda jest wygładzana za pomocą pojemnościowych kondensatorów filtrujących. Następnie przechodzące sinusoidy są prostowane przez mostek diody wyjściowej. Następnie sinusoidy są przekształcane w impulsy o wysokiej częstotliwości. Konwersję można przeprowadzić albo z galwanicznym oddzieleniem sieci zasilającej od obwodów wyjściowych, albo bez takiej izolacji.

Jeżeli zasilacz jest izolowany galwanicznie, wówczas sygnały o wysokiej częstotliwości przesyłane są do transformatora, który wykonuje izolację galwaniczną. Aby zwiększyć wydajność transformatora, zwiększa się częstotliwość.

Działanie zasilacza impulsowego opiera się na współdziałaniu trzech łańcuchów:

• Kontroler PWM (steruje konwersją modulacji szerokości impulsu);
• Kaskada przełączników mocy (składa się z tranzystorów włączanych zgodnie z jednym z trzech obwodów: mostek, półmostek, z punktem środkowym);
• Transformator impulsowy (posiada uzwojenia pierwotne i wtórne, które są zamontowane wokół rdzenia magnetycznego).

Jeżeli zasilanie jest bez odsprzęgania, to transformator izolujący wysokiej częstotliwości nie jest używany, a sygnał jest podawany bezpośrednio na filtr dolnoprzepustowy.

Porównując zasilacze impulsowe z analogowymi widać oczywiste zalety tych pierwszych. UPS-y mają mniejszą wagę, a ich wydajność jest znacznie wyższa. Mają szerszy zakres napięcia zasilania i wbudowane zabezpieczenia. Koszt takich zasilaczy jest zwykle niższy.

Wady obejmują obecność zakłóceń o wysokiej częstotliwości i ograniczenia mocy (zarówno przy wysokich, jak i niskich obciążeniach).

Możesz sprawdzić UPS za pomocą zwykłej żarówki. Należy pamiętać, że nie należy podłączać lampy do szczeliny zdalnego tranzystora, ponieważ uzwojenie pierwotne nie jest zaprojektowane do przepuszczania prądu stałego, więc w żadnym wypadku nie należy dopuścić do jego przejścia.

Jeśli lampka się zaświeci, oznacza to, że zasilacz działa normalnie, ale jeśli się nie zaświeci, oznacza to, że zasilacz nie działa. Krótki błysk wskazuje, że UPS jest zablokowany natychmiast po uruchomieniu. Bardzo jasna poświata świadczy o braku stabilizacji napięcia wyjściowego.

Teraz będziesz wiedział, na czym opiera się zasada działania zasilaczy impulsowych i konwencjonalnych, analogowych. Każdy z nich ma swoje własne cechy strukturalne i operacyjne, które należy zrozumieć. Możesz także sprawdzić wydajność UPS za pomocą zwykłej żarówki. Napisz w komentarzach, czy ten artykuł był dla Ciebie przydatny i zadaj wszelkie pytania dotyczące omawianego tematu.