Разработка источников вторичного электропитания, реализованных с использованием технологии «мягкой» коммутации ключей.


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
86

Вестник СибГУТИ. 2012. №
3


УДК 621.3
96.6


Разработка источников вторичного электропитания,
реализованных с использованием технологии

«мя
г
кой» коммутации ключей.

Ч
асть
1.
Анализ информационных
материалов

и образцов источников питания
1



В.Ю.

Васильев, Ю.Д.

Козляев, И.В.

Пичугин, Ю.Е
.

Семенов,

С.М.

Гордиенко, А.А.

Антонов



Целью работы является разработка источников вторичного электропитания мощностью
2000 Вт,
реализующих технологию «мягкой
»

коммутации
Zero

Voltage

Switch

(
ZVS
). Р
а-
бота состоит из нескольких частей, в которых рассматр
иваются различные аспекты пр
о-
блемы конструирования модульных источников питания.
В первой части работы
прив
о-
дятся результаты
анализ
а

информационных источников

и
оценк
а

важнейших параметров
некоторых зарубежных

модульных источников питания.



Ключевые слова
:
AC
/
DC

модульные источники электропитания, «
м
ягкая
»

коммутация,
Zero

Voltage

Switch
,
ZVS
, электромагнитные помехи
.


1.

Введение

Среди многих направлений
развития
силовой электроники наиболее значимым явл
я
ется
полупроводниковое направление
. Непрерывно сов
ершенствуемые полупроводниковые пр
и-
боры,
интегральные микросхемы
, пассивные компоненты способствуют
внедрению с
и
ловой
электроники
в различные отрасли
, например

в

источники вторичного электропитания

сл
е-
дующих назначений
:



малой мощности
для
бытового, техни
ческого и специального назначения;



модульные
малой мощности
для систем бесперебойного питания информационных
и

телекоммуникационных
комплексов;



средней и большой мощности для промышленных технологий, интеллектуальных зд
а-
ний;



устройств
автомобильной
электроники;



преобразователей энергии возобновляемых источников и т.д.

Источники вторичного электропитания
(ИП)
я
вля
ю
тся неотъемлемой частью любого
радиоэлектронного комплекса.
В ходе эксплуатации в составе комплексов ИП должны обе
с-
печивать
высок
ую

надё
ж
ность,
хорошие
удельные показатели, управляемость, устойчивость



1

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рам
ках ре
а-
лизации НИР
«
Разработка перспективных технологий и конструкций изделий интеллектуальной силовой эле
к-
троники для применения в аппаратуре бытового и промышленного применения, на транспорте, в топли
в-
но
-
энергетическом комплексе и в специальных систе
мах
(интеллектуальные драйвера

мягкой коммутации


мощных источников электр
о
питания

ГК № 16.426.11.0055).


Разработка источников вт
оричного электропитания с использованием технологии коммутации ключей

87

в

динамических режимах, электромагнитную совместимость.

Долгое время узким местом
с
и
ловой электроники, и ИП


в частности, оставались силовые полупроводниковые приборы.
Однако качество изготов
ления современных транзисторов и диодов позволило значительно
повысить их быстродействие, а также допустимые рабочие токи. Современный этап развития
различных преобразователей мощности (источников питания
AC
/
DC

и
DC
/
DC
) для пр
о-
мышленных и бытовых применени
й характеризуется массовым использованием в силовой
части источников питания
IGBT
,
,

а в системах управления ИП


специализир
о-
ванных интегральных микросхем драйверов и микроконтроллеров. Это обусловлено тем, что
только электронные компоненты, специал
изированные для силовых применений, обеспеч
и-
вают главные требования развития промышленных устройств, а именно повышение их
м
ощности, функциональности и надё
жности при снижении
материало
ё
мкости и
массогаб
а-
ритных параметров. Появление на рынке в последние го
ды новых электронных компонентов
и, в первую очередь, силовых диодов и транзисторов, выполненных на карбиде кремния,
имеющих встроенные схемы контроля и управления (интеллектуальные силовые модули),
в

совокупности с применением новых ферромагнитных материа
лов с уникальными характ
е-
ристиками, позволили начать конструирование качественно новых преобразователей мо
щ-
ности.

Для наиболее полного использования потенциала современной элементной базы нео
б-
ходимо применять схемные и алгоритмические решения, которые мак
симально учитывают
особенности полупроводниковых приборов и используют их в оптимальном режиме.

Нед
о-
статки «классических» схем

построения ИП,

не учитывающих условия запирания ключей
в

связанных парах (транзистор



транзистор, диод


транзистор)
,

заключают
ся в следующем.
В

момент переключения, по причине

конечного времени восстановления запираемых свойств
одного из ключей и

наличия паразитных ё
мкостей
,

образуется интервал одновременной
проводимости обоих ключей
,
вызывая появление «сквозного тока» большой а
мплитуды.
Быстрое изменение токов и напряжений в схеме ИП вызывает электромагнитные помехи
,
ра
с
пространяемые

как по эфиру
, так и по цепи питания. Кроме этого, значительно снижается
к.п.д.
устройств
ИП

и их надё
жность
, поскольку в данном случае энергия в
ыделяется в виде
нагрева

полупроводниковых приборов
.

М
ировая практика последнего десятилетия определила основные тенденции развития
источников питания на базе высокочастотных, импульсных технологий с т.н. «мягким» сп
о-
собом коммутации силовых ключей.
Суть
новой идеологии переключения силовых ключей,
которую можно усло
вно обозначить как активные приё
мы
«
мягкого
»

переключения, сводится
к прямому или косвенному контролю текущих параметров (напряжения, тока, напряжения
насыщения, скорости изменения напряжения и

ряда других) и формированию соответств
у-
ющих воздействий или коррекцию базовых управляющих воздействий на силовой модуль.
Функции контроля при этом возлагаются

на буферное устройство, совмещё
нное с драйвером
силового ключа. Новая идеология базируется на
вв
едении

дополнительных опций, вызыв
а-
ющих «принудительное» перераспределение энергии в элементах цепи, обрамляющих с
и-
ловые ключи
,
или
организации режимов работы силовой цепи с возможностью выбора м
о-
ментов включения транзисторов при относительно малом уровне
тока
. Этим достигаются
условия их переключения при нулевом токе (по зарубежной терминологии



Zero

Current

Switch
,
ZCS
) и
ли

при нулевом напряжении (
Zero

Voltage

Switch
,
ZVS
) [
1
].

Несмотря на известность
названных

приё
мов «мягкой» коммутации, в настоящее в
ремя
предприятиями
-
производ
ителями использование таких приё
мов в конкретных ИП упомин
а-
ется редко. Так, косвенно, по применяемым в ряде источников питания специфическим и
н-
тегральным микросхемам микроконтроллеров
,

можно полагать, что в них реализована те
х-
нол
огия
ZCS
, обеспечиваемая программно. Что касается считающейся авторами статьи
наиболее предпочтительной
для ИП
технологи
и

переключения
ZVS
, то в открытой печати на
настоящий момент времени описаны несколько источников питания мощностью около
1500

Вт, заявл
енных как использующие технологию коммутации
ZVS
.

Диапазон мощностей,
88

В.Ю.

Васильев, Ю.Д.

Козляев, И.В.

Пичугин, Ю.Е.

Семенов, С.М.

Гордиенко, А.А.

Антонов

в котором сохраняется режим
ZVS

ИП
,

разработчиком не фиксируется
;

д
анных об ИП бол
ь-
шей мощности не обнаружено.


Целью настоящей работы является разработка источников вторичного электроп
итания

мощностью 2000 Вт

и выше
,
реализующих технологию «мягкой
»

коммутации
ZVS
. В н
е-
скольких частях работы предполагается рассмотр
еть различные аспекты

проблемы

констр
у-
ирования ИП
, которые могут быть использованы при конструировании собственных ИП
.

В

перв
ой части
работы выполнен а
нализ информационных источников

по оценке совреме
н-
ного состояния разработок в области
ИП с це
лью определения наиболее перспективных
направлений
и трендов
конструирования ИП.

2.
Анализ информационных источников

Общий анализ.

П
реи
мущественным направлением развития
ИП
является т.н. «модул
ь-
ное» направление конструирования. Модул
ьные
ИП различаются по мощности, напр
я
жению,
выходному току и прочим
э
лектриче
с
ким параметрам и минимизируются по ма
с-
со
-
габаритным показателям.

Конструкции
мо
дульных ИП
обеспечивают возможность как
их
индивидуальной, так и параллельной работы нескольких приборов в составе больших
сил
о-
вых
комплексов
.

В настоящее время в мире имеется большое число предприятий
-
разработчиков и прои
з-
водителей
, выпускающих
разнообраз
ные ИП
с широким диапазоном

параметров
.

О
собе
н-
ностью выпускаемых модульных ИП является различие подходов предпри
я-
тий
-
производителей.
Например,
компании
Mean

Well

Enterprises

Co
. (Тайвань) [2];
TDK

-

Lambda

(США) [3],
Traco

Electronic

AG

(Германия) [4]
вы
пускают
серии ИП с напряжением
питания о
т 5 до 48 В
и

мощностью от сотен ватт до нескольких киловатт
.
Ряд производителей
специализируется на выпуске единичных типов мощных высокоэффективных ИП огран
и-
ченного типо
-
номинала, например:
Eltek

(Норвегия) [
5
],
Li
neage

Power

(США) [
6
],
Powernet

(Финляндия) [
7
]
.

Вместе с

тем очевидным трендом последних указанных производителей
является расширение номенклатуры выпускаемых ИП как по мощности, так и по выходному
напряжению.

Конструктивной особенностью встраиваемых в
с
иловые
комплексы
современных
м
о-
дульных
ИП является малая
высота
приборов
(около 40 мм),
в терминологии
производителей
ИП
характеризуемая
термином 1
U

Profile
.

Как правило, т
акие устройства выпускаются
в с
о-
ставе силовых комплексов и оснащены собственными
сис
темами управления
.

Очевидно,
снижение линейных

размер
ов

единичного
ИП накладывает ряд
серь
ё
зных
ограничений
на

использование

комплектующи
х

издели
й
, их компоновку внутри корпуса, при
ё
мы отвода
т
е
пла от силовых транзисторов и диодов и т.д.

О
сновны
е

параметр
ы

модульных
ИП

разных производителей
.

Планируемый к ра
з-
работке

ИП по конструктивным особенностям и техническим характеристикам соотве
т
ствует
идеологии
модульных
ИП
.

В этой связи
изучение информационных источников пр
о
водилось
именно в этом направлении

с испо
льзованием официальных опубликованных сп
е
цификаций
предприятий
-
разработчиков ИП.

Отметим, что состав привед
ё
нных в спецификациях параметров ИП
довольно велик.
Однако
для понимания основных трендов развития ИП
многие параметры
не являются
принципиально важ
ными
. Кроме того,
основные тренды развития могут быть проанализир
о-
ваны на базе
информации
нескольких наиболее характерных
предприя
т
ий
-
разработчиков
и

пр
о
изводителей ИП.

Д
ля проведения
анализа
нами выделены следующие

параметры ИП
:



максимальная
выходная мо
щность

(
P
вых
,
к
Вт
, Вт
)
;



максимальный
выходной ток

(
I
вых
, А
)
;



номинальное
выходн
ое
напряжени
е (
В
)
;



к.п.д.

(
%
)
;



масса (кг);



объё
м (дм
3
).

Разработка источников вт
оричного электропитания с использованием технологии коммутации ключей

89

На основании анализа этих данных рассчитывались удельные характеристики ИП:



отношение выходной мощности к объ
ему источника,
кВт
/дм
3
;



отношение выходной мощности к массе источника,
кВт
/кг.

К сожалению, с точки зрения одного из наиболее в
а
жных параметров ИП


уровня эле
к-
тромагнитных излучений



информация в спе
цификациях ограничивается только упомин
а-
нием соответс
твия стандартам; в связи с этим этот параметр из анализа
был
исключ
ё
н.


Для анализа были выбраны
ИП следующих производителей

(см. табл.1)
:



серии

PSP
и

RSP
фирмы

Mean Well Enterprises Co.
(Тайвань) [
2
]

с выходным напряж
е-
нием от 5
В до 48

В и мощностью от
1 до 3 кВт
;



источники
Flatpack
2
(
FP
)
фирмы
Eltek

[5]
(Норвегия) мощностью 2

к
Вт на 24

В и 48

В

и

3 кВт напряжением 48 В
;



сери
я

CAR

фирмы
Lineage

Power

(США) [
6
]

с выхо
д
ным напряжением
12

В
и
мощн
о-
стью от
0.
8 до 2
.
5

к
Вт.


Источники электропитания фирмы

Mean

Well

(далее
MW
)
.

По
-
видимому, это пре
д-
приятие на настоящий момент времени играет доминирующую роль на рынке вторичных
источников питания модульного типа, закрывая диапазон напряжений от 5 до 48 В

и

выходной
мощност
и

от
0.
5

к
Вт до 3
.
0

к
Вт
. К
роме
э
того
,
фирма
MW

выпуск
а
ет

ИП
в
различн
ом
ко
н-
структивн
о
м исполнени
и
,
в том числе с 1
U

profile

(
высота
ИП около 41 мм)

и
возможностью
параллельно
го подключения
.
В табл.1 показаны некоторые примеры
ИП
фирмы
MW

серий
PSP

и
RSP
.

В последних колонах табл.1 приведены
удельные показатели

источников питания.
Можно видеть, что п
о

отношению выходной мощности к единице объ
ё
ма

и выходной мо
щ-
ности к единице массы проанализированные ИП отличаются в разы.
Отметим также, что и
с-
точники питания серии
RSP
-
1500 (выделены в таблице ж
ирным шрифтом) на настоящий
момент времени являются единственными примером ИП, заявленным фирмой
MW

как ре
а-
лизованные по технологии
ZVS
.

Таблица 1
. Основные параметры выбранных
для анализа
ИП

зарубежных производителей

Тип

P
вых
,
кВт

U
вых
, В

I
вых
,
А**

Габар
иты,

мм

m
,

кг

Удельные
величины

кВт
/

дм
3

кВт
/
кг

PSP
-
1000

0.9*

5; 12; 13.5; 15; 24; 27;
48

119


19

278

129

127

5.2

0.21

0
.
19

PSP
-
1500

1
.
4
*

5; 12; 13.5; 15; 24; 27;
48

217


28

278

129

190.5

7.4

0.22

0.20

RSP
-
1000

1
.
0
*

12; 15; 24; 27; 48

60


21

295

127

41

1.95

0.65

0.51

RSP
-
1500

1
.
5
*

5; 12; 15; 24; 27; 48

240


32

278

127

83.5

2.6

0.5
1

0.58

RSP
-
2000

2
.
0
*

12; 24; 48

100


42

295

127

41

1.95

0.97

1.02

RSP
-
2400

2
.
4
*

12; 24; 48

166


50

278

177.8

63.5

3.3

0.7
6

0.7
2

RSP
-
3000

3
.
0
*

12; 24; 48

200


62

278

177.8

63.5

4.0

0.96

0.75

F
P
2
-
2000

2.0

24; 48

84
-

41.7

327

109

41.5

1.9

1.35

1.05

FP2
-
3000

3.0

48

62.5

327

109

41.5

1.9

2.02

1.5
7

CAR1212

1.2

12

100

284.5

101.6

41.9

1.36

1.20

0.88

CAR1612

1
.
6

12

134

316
.2

1
01
.6

41
.9

1.94

1.
19

0.82

CAR2512

2
.
5

12

208

378
.0

1
0
2.0

41
.9

2.15

1.55

1.16

G

1600

1.6

12

133

180

150

86

2.4

0.69

0.67

90

В.Ю.

Васильев, Ю.Д.

Козляев, И.В.

Пичугин, Ю.Е.

Семенов, С.М.

Гордиенко, А.А.

Антонов

Примечания:

* Величины
P
вых

приведены для напряжений ИП в серии выше 24 В; при меньших выходных
напряжениях
для некоторых ИП семейства
мощность снижается на 20


4
0

%.

**
Диапазон
I
вых

указан в обратном порядке для крайних значений приведенного ряда
U
вых

ИП
в серии.

Жирным шрифтом выделены источники питания, заявленные с использованием технологии
ZVS
.


Анализ
приведё
нных в спецификациях
параметров в рассматриваемых сериях
И
П
дал
возможность выделить следующие
особенности
.

1. Максимальная заявленная в
ыхо
д
н
ая

мощност
ь ИП
зависит
от
выходного
напряж
е
ния

ИП
. С

понижением
U
вых до 12 В и, тем более, до 5 В, параметры источников существенно
ухудшаются. Так, на рис.1 можно видеть
зависимость
Рвых

от
напряжения питания
,

из к
о-
торой следует, что

заявленн
ая

в
названиях
сери
й

ИП
максимальная
мощность обеспе
ч
ива
ется
ИП с номинальным
выходн
ы
м напряжении
выше 24 В
.

2.
В

сери
ях
источ
н
иков питания имеет место зависимость к.п.д. от
номинально
го
напр
я-
жения

ИП
, а именно: с понижением
U
вых до 12 В и, тем более, до 5 В, к.п.д. сущ
е
ственно
ухудшается. На рис.2 можно видеть зависимость к.п.д. от напряжения питания для проан
а-
лизированных источников, из которой следует, что заявленная в названиях сери
й ИП к.п.д.
обеспечивается ИП с
номинальным
напряжением выше 24 В. Сопоставление прив
е
дё
нных
на

рис.1 и рис.2 данных да
ё
т возможность заключить, что снижение эффективной выходной
мощности источников питания (выражено в отношении мощности какого
-
ли
бо ИП в с
ерии
к

максимальной мощности источника в серии) однозначно соответствует снижению их к.п.д.,
рис.3.

При этом
ИП серии

PSP
-
1500 (сборны
е

из 3
-
х плат

по 0.5

В
) и
RSP
-
1500 (
ZVS
) отл
и-
чаются по крутизне
зависимости
, а все остальные серии выглядят примерно оди
наково, п
о-
казывая лучшие величины к.п.д.




Рис.1.
З
ависимости выходной мощности от выходного напряжения

питания
AC
/
DC

и
с
точников
разработчика
MW

Вероятным объяснением снижения характеристик ИП при низких выходных напряж
е-
ниях

является увеличение относительной доли потерь в звене выходного выпрямителя
Разработка источников вт
оричного электропитания с использованием технологии коммутации ключей

91

(прежде всего в диодах), при этом переход на синхронно управляемые ключи на базе М

уменьшают интенсивность падения.



Рис.
2
.
З
ависимости к.п.д. о
т выходной мощнос
ти различных источников питания




Рис.3. Соотношение эффективной мощности и к.п.д. в сериях ИП

производителя
MW


Источники электропитания
Eltek
. Данные ИП в корпусе 1
U

profile

отличаются
выс
о-
кими
удельными па
раметрами

как по объ
ё
му, так и по массе,
причё
м недавно появившаяся
информация об источниках серии
FP
2
-
3000
HE

свидетельстствует о наилучших удельных
характеристиках
, а также о наивысших параметрах ИП по к.п.д., см.

рис.2.

Источники электропитания
Lineage

P
ower
.
ИП этого разработчика серии
CAR

в ко
р-
пусе 1
U

profile

представлены только на номинальное выходное напряжение питания 12

В
и

структурированы по максимальной выходной мощности (0.8, 1.2, 1.6 и 2.0

кВт), см. табл.1.
92

В.Ю.

Васильев, Ю.Д.

Козляев, И.В.

Пичугин, Ю.Е.

Семенов, С.М.

Гордиенко, А.А.

Антонов

В

этой серии ИП наилучшим
и удельными характеристиками обладает
CAR
2512
FP

(ориг
и-
нальная разработка предприятия
Cherokee
, купленной фирмой
Lineage

Power
). Кроме этого,
ИП этого производителя отличается также максимальным к.п.д. источников, см. рис.2, д
о-
стигающим 94.5

%.

Источники эл
ектропитания
LEP
A
.

ИП

этого разработчика
[8]
заявлен как осн
о
ванный
на использовании технологии переключения
ZVS
.
Данный тип ИП ориен
т
и
р
ован на прим
е-
нение в компьютерах.
Данных об этом источнике в специификации
очень мало. Е
го удельные
параметры находятся
на некотором среднем уровне, а к.п.д
.


довольно высок, достигает
93.
5

%
, см.
табл.1 и
рис.2.

Анализ
предельных
параметров ИП разных производителей.

При разработке исто
ч-
ников питания необходимо оценить их предельные характеристики и, прежде всего, пр
е-
дель
ную температуру окружающей среды
,

при которой ИП сохраняет свои характеристики
.

Данные по анализируемым ИП сведены в табл.2.

Во второй колонке табл.2 приведены данные по диапазон
ам

рабочей температуры разных
ИП
.

М
ожно видеть, что наибольший
рабочий
диапаз
он
температуры
имеет источник
Flatpack

(от


40

°
С до
+

75

°
С); диапазоны работы для остальных ИП
примерно одинаковы и не
ниже


20

°С
и выше
+

60

°С
.


Таблица 2. Предельные параметры по температуре различных ИП

Тип

Диапазон р
а-
бочей темп
е-
ратуры, °С

Предель
ная

температура
окружающей
среды, °С

Скорость спада в
ы-
ходной мощности
после
достижения
предельной
темп
е-
ратуры, %

/

°С

Мощность
при откл
ю-
чении, %

PSP
-
1500

-

10
-

+ 60

+40 (5

В)

+50 (12
-
48

В)

2.0

2.0

60

80

RSP
-
1000

-

20
-

+ 60

+50

4.0

60

RSP
-
1500

-

20
-

+ 70

+40 (5

В)

+45 (12 В, 15

В)

+50
(24

В

-

48

В)

1.7

2.0

2.5

50

50

50

RSP
-
2000

-

25
-

+ 70

+50

2.5

50

RSP
-
2400

-

20
-

+ 70

+50

2.5

50

RSP
-
3000

-

20
-

+ 70

+50

2.5

50

F
P
2
-
2000

-

40
-

+ 75

Нет данных

Нет данных

Нет данных

CAR1212F
P

-

10
-

+ 70

+ 55

2.
5

Нет данных

CAR1612F
P

-

10
-

+ 70

+ 50

2.5

Нет данных

CAR2512F
P

-

10
-

+ 70

Нет данных

Нет данных

Нет данных

G
1600


0
-

+40

Нет данных

Нет данных

Нет данных


В третьей колонке табл.3 приведены данные по т.н. «
предельной
температуре» (Т
п
),
смысл кото
ро
й иллюстрируется типичной обобщё
нной зависимостью работоспособности ИП
от температуры окружающей среды, привед
ё
нной на рис.4. Источники питания сохраняют
свою полную работоспособность до некоторой
предельной
температуры Т
п
. При превышении
этой температур
ы имеет место ухудшение работы ИП, их эф
фективность снижается до 50

%
и

при
максимальной
предельной верхней температуре Тр макс источник отключается.

Две с
ледующие колонки табл.2
либо взяты из спецификаций ИП, либо
рассчитаны из
привед
ё
нных в спецификация
х
графических данных
, аналогичных рис.4
.

Можно видеть, что
величины Т
п

для ИП
с
мал
ыми

выходными
напряжения
ми

на 5

°С


10

°С меньше, чем для ИП
Разработка источников вт
оричного электропитания с использованием технологии коммутации ключей

93

24


В


48

В
.

Рассчитанные величины скорости спада эффективности ИП приведены в третьей
колонке табл.2. Можно в
идеть, что величина спада составляет 2.0
-

2.5 % на один градус
Цельсия, что можно считать тип
овым

значением.

Что касается защиты ИП от перегрева при работе, она обеспечивае
т
ся датчиками темп
е-
ратуры, установленными непосредственно на ключевых местах корпус
а или критичн
ых
компонентов
. Для проанализированных источников питания температура срабатывания с
о-
ставляет около 90

°С.



Рис.4. О
бобщё
нная зависимость работоспособности ИП от температуры окружающей среды

О
сновн
ы
е выводы по
результатам
анализ
а

ИП

разных производителей
.
Специал
и-
зированные ИП показывают существенно, в 1.3


2.0 раза
,

лучшие удельные характеристики
ИП, а также к.п.д. Вероятно
,

это обусловлено лучшей оптимизацией как конструкции, так и
применяем
ых
комплект
ующих изделий

и используемых технологий.

В целом, низковольтные
ИП, выпускаемые в рамках серий с фиксированной заявленной мощностью и различными
номинальными напряжениями (по сути


построенными в рамках одного схемотехнического
решения в одном
конструктиве ИП), проявляют х
удшие характеристики
.

По
-
видимому, д
ля
увеличения энергетических
характеристик
низковольтных
ИП их схемотехник
у

и
, соотве
т-
ственно,
выбор силовых компонентов необходимо
оптимизировать
.


Характеристик
а

предельных режимов работы И
П

по совокупности проанализир
о
ванных
данных
мо
жет
быть представлен
а

следующим образом
:

предельная температура р
а
боты ИП
при максимальной эффективности составляет 50

°С, после чего допускается снижение э
ф-
фективности
пропорционально коэффициенту

2.0
-
2.5 % /
°С

примерно до
максимальной
предельной температуры
70

°С,
при которо
й

ИП должен отключаться
.

3
.

Экспериментальная проверка основных параметров


источников пит
а
ния

Одной из важнейших задач при анализе характеристик образцов
-
аналогов и разрабат
ы-
ваемых ИП

является адекватность измерения основных характеристик, а именно: выхо
д
ного
тока и напряжения, а также расчё
та к.п.д. в диапазоне различных нагрузок на ИП. Исходя из
приведенных в спецификациях и табл.1 характеристик ИП
был
разработан измерительный
стенд,

рис.5,
состав которого привед
ё
н в табл.3


т
роки 1


6
)
.
При измерении
выходной х
а-
рактеристики ИП на участке малых токов (до 30

А),
измеритлем тока являлся вольтамперметр
М2044, работающий в режиме амперметра. Измерение больших токов
(от 30

А до 100

А)

пр
поводилось посредством измерения падения напряжения на токовом шунте

75ШСММ3
-
100
-
05 вольтамперметром М2011 в режиме милливольтметра.



Загрузка

ИП

(Рвых/Рмакс), %

Окружающая температура, °С

Т
п

Т
п

макс


отключение
,
обычно при 50


80 %

загрузки ИП


Скорость спада, %/ °С

94

В.Ю.

Васильев, Ю.Д.

Козляев, И.В.

Пичугин, Ю.Е.

Семенов, С.М.

Гордиенко, А.А.

Антонов

Таблица 3. Приборы и устройства измерительного стенда

для измерений характеристик ИП

и уровня эл
е
ктромагнитных помех



Н
аименование

Модель, номер

Производитель

1

Автоматический стабилизатор

напр
я
жения переменного тока

АСН
-
5000/1
-
ЭМ

«
РЕСАНТА
»

2

Коммутационные ключи

ВА47
-
63 С16

«
EKF
»

3

Измеритель мощности однофазный

GPM
-
8212

GWinsTEK

4

Вольтамперметр

М2044


Стандартный

5

Реостат балластный

РБ302 У2

«
ЭСВА», Калининград

6

Шунт токовый

75ШСММ3
-
100
-
05

Стандартный

7

Антенна измерительная дипольная

АИ5
-
1

ЦМО «ЗЕЛПРИБОР»

8

Анализатор спектра цифровой

АКС
-
1301

«
АКТАКОМ
»


Данные приборы и схемы измерений с использованием об
щепринятых методик изм
е-
рения характеристик ист
о
чников питания дали возможность провести оценку основных х
а-
рактеристик некоторых ИП
,

привед
ё
нных в табл.1.

Из полученных при исследованиях данных были рассчитаны величины к.п.д. для всех
исследованных образцо
в ИП и построен график зависимости эффективности ИП от его з
а-
грузки, рис.

6. По результатам измерений были сделаны следующие выводы:



данные замеров соответствуют заявляемым фирмами параметрам ИП;



стабильные значения к.п.д. для большинства исследованных

источников наблюд
а
ются
при загрузке ИП (отношение фактической мощности к максимальной) примерно выше

20


25

%.


Рис.5. Схема измерений
основных характеристик ИП


Рис.
6
. Данные экспериментальных измерений основных характер
истик

образцов

ИП

Разработка источников вт
оричного электропитания с использованием технологии коммутации ключей

95


4
.

Анализ электромагнитных помех модульных источников питания

С помощью разработанного измерительного стенда
, дополнительно оснащё
нного пр
и-
борами, привед
ё
нными в
строк
ах

7,

8

табл.3
,

был
оцен
ё
н уровень
электромагнитны
х

помех

некоторых

наиболее интересных ИП

в диапазоне частот 0.01


1000 МГц. Измерения пр
о-
водились в
полностью
идентичных условиях
, антенна располагалась на расстоянии 1 м от ИП.

Приведё
нные на рис.5 данные показывают некоторые различия исследованных образцов.
Для
сравнен
ия были выбраны

ИП с выходным напряжением 48

В в режиме работы
,

близким

к

номинальной мощности. Причём для возможности сопоставления результатов ИП
RSP
-
1500
-
48 работал в режиме небольшой перегрузки (в пределах, заявленных в специф
и-
кации этого ИП) при выхо
дной мощности 1600

Вт. На наш взгляд
,

интересным является з
а-
метное различие в помехах ИП разработчика
MW

с использованием технологии
ZVS

(
RSP
-
1500
-
48) и без е
ё

использования (
RSP
-
2000
-
48).



Рис.7. Данные экспериментальной оценк
и уровня электр
омагнитных излучений

образц
ов

ИП


Видно, что «
новая
технология
ZVS
» (терминология производителя
MW

в специфик
а
ции),
позволяет снизить электромагнитное излучение ИП. Особенно хорошо технология
«
мягкой
»

коммутации проявила себя на высо
ких ча
стотах (более 1



10

МГц), где снижение напр
я-
жённости поля радиопомех по сравнению с ИП
RSP
-
2000
-
48 достигает 10

-

20

дБ/мкВ/м (то
есть до 10 раз меньше). Общий фон электромагнитного излучения ИП
RSP
-
1500
-
48 ниже,
не

превышает 60

дБ/мкВ/м. Учитывая разные
габариты ИП, это позволяет предположить, что
серия
RSP
-
2000 использует в своей основе иные схемотехнические решения (возможно, о
т-
личные от технологии
ZVS

и
«
мягкой
»

коммутации вообще).

Специализированный ИП
Flatpack
2 также не создаёт электромагнитное излу
чение выше
уровня 60

дБ/мкВ/м, что говорит о рациональном подходе к экранированию ИП и в
ы
бору
схемотехнических решений, обеспечивающих соответствие требованиям, предъявля
е
мым
к

данному ИП.



96

В.Ю.

Васильев, Ю.Д.

Козляев, И.В.

Пичугин, Ю.Е.

Семенов, С.М.

Гордиенко, А.А.

Антонов

5.
Заключение

В

первой части работы
провед
ё
н
анализ информац
ионных источников по оценке совр
е-
менного состояния разработок в области ИП с целью определения наиболее перспекти
в
ных
направлений
развития модульных
ИП
. Анализ
позвол
ил

очертить ряд

принципиальных
трендов в параметрах ИП, которые необходимо принимать во вн
имание при разработке м
о-
дульных мощных высокоэффективных источников вторичного электропитания

с высоким
к.п.д.

Проведённый анализ даё
т возможность обосновано сформулировать перечень основных
параметров источников питания на выходную мощность 2000 Вт и выхо
дные напряжения
12

В и 48

В, в том числе требования к работоспособности источников питания при пов
ы-
шенных температурах окружающей среды.

Анализ показал, что в

настоящее время очень мало данных об источниках питания, ре
а-
лизующих технологию «мягкой
»

коммутац
ии
. Прежде всего
,

это относится к т
ехнологи
и

ZVS
, представляющ
ейся
наиболее перспективной для реализации мощных источников п
и-
тания с низким уровнем электромагнитных помех.
В следующей части работы буд
ет провед
ё
н
анализ схемотехнических решений ИП, в том ч
исле

работы источн
и
ков питания
с использ
о-
ванием
технологии
ZVS
.

Литература

1.

Mohan N., Undeland T.M., Robbins W. P.

In
«
Power electronics. Converters, applications and
design
»

/ John Wiley and Sons, Inc., 2003. P.249
-
298.

2.

Сайт

компании

MEAN WELL Enterprises
Co.
,

Ltd.
[
Электронный

ресурс
].

URL
:
http
://
www
.
meanwell
.
com
/
/
search
/
seriessearch
.
html

(дата обр
а-
щения
:

01.01.2012).

3.

Сайт

компании

TDK
-
Lambda

Americas Inc.

[Электронный ресурс].

URL
:
http
://
us
.
tdk
-
lambda
.
com
/
lp
/
products
/
product
_
index
.
htm
#
acdc


(дата обращения
:

17.02.2009).

4.

Сайт

компании

Traco Electronic AG.
[Электронный ресурс].

URL
:
http://www.tracopower.
com/products/ac
-
dc
-
power
-
supplies/ e
n-
closed
-
-
case/
(
дата

обращения
:

01.05.2012).

5.

Сайт компании
Eltek

[Электронный ресурс].
URL
:

http
://
www
.
eltek
.
com
/
wip
4/
products
_
region
.
epl
?
cat
=24671&
k
1=&
k
2=&
k
3=&
k
4
=&
show
_
all
=1

(дата обращения
:

14.09.2012).

6.

Сайт компании
Lineage

Power

[Электронный ресурс].

URL
:
http
://
www
.
lineagepower
.
com
/
oem
/

(дата обращения
:

14.09.2012).

7.


Сайт компании
Powernet

[Электронный ресурс].

URL
:
http
://
www
.
powernet
.
fi
/
ACDC
_
DCDC
.
html

(дата обращения
:

06.03.2009).

8.

Сайт компании
LEPA

[Электронный ресурс]

.

URL
:
http
://
www
.
lepatek
.
eu
/
g
1600/

(дата обр
а
щения
:

05.07.2012).


Статья поступила в редакцию
27.
09.2012 г.


Васильев Владислав Юрьевич

д.х.н., зам. директора по науке ООО «РАМИТ» (630084, г. Новосибирск,


ул. Авиастроителей 8
-
33
)
, тел.(383
)
-
2655821
, профессор кафедры технической


электроники Си
б
ГУТИ,
e
-
mail
:
vladislav
vasilyev
@
gmail
.
com
.


Козляев Юрий Дмитриевич

Научный консультант ООО «РАМИТ», (630084, г. Новосибирск, ул. Авиастроителей 8
-
33),
тел.(383)
-
2655821, к.т.н.,
профессор кафедры беспроводн
ых информационных систем и
сетей (цикл электропитания устройств связи) СибГУТИ.


Разработка источников вт
оричного электропитания с использованием технологии коммутации ключей

97


Пичугин Игорь Валентинович

Инженер
-
конструктор ООО «СибИС ООО «РАМИТ» (630084, г. Новосибирск,


ул. Авиастроителей 8
-
33), тел.(383)
-
2655821.


Семенов Юрий Евгеньевич

ведущий
-
инженер ООО «СибИС» (630049, Новосибирск, ул. Красный проспект 220,
корп.2, офис 300) тел. (383) 2
-
277
-
639.


Гордиенко Сергей Михайлович

Инженер
-
конструктор ООО «СибИС» (630049, Новосибирск, ул. Красный проспект 220,
корп.2, офис 300) тел. (383) 2
-
277
-
639.


Антонов

Андрей Андреевич

и
нженер
-
конструктор

ООО «РАМИТ» (630084, г. Новосибирск, ул. Авиастроителей 8
-
33),
тел.(383)
-
2655821
.


Sources of Secondary Power Supply Development Implemente
d via Usage of
«
Soft Switching
»

Part 1. Analysis of Information Materi
als and Samples of Power Supply


V.U. Vasilev, U.D. Kozlyaev, I.V. Pichugin, U. E. Semenov, S. M. Gordienko, A.A. Antonov.


The aim of this paper is to develop sources of secondary power supply 200watts,
implementing the
technology of
«
soft switching
»

Zero

Voltage Switch (ZVS). This paper consists of several parts
addressing various aspects of modular power supplies co
n
struction. In the first part of the paper the
s of
some foreign modular power supplies are pr
e
sented.


Keywords
:

AC/DC modular power supplies,
«
soft switching
»
, Zero Voltage Switch. ZVS, electr
o-


Приложенные файлы

  • pdf 4348253
    Размер файла: 551 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий