Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
Скачать статью в формате pdf - Силовая электроника
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Сило<strong>в</strong>ая Электроника, № 1’2009<br />
www.power-e.ru<br />
Источники питания<br />
потери <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ом ключе только <strong>в</strong> статике снижаются<br />
≈ 1,6 раза.<br />
К сожалению, <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя <strong>в</strong> Со<strong>в</strong>етском Союзе<br />
была большая проблема с <strong>в</strong>ыпуском кремние<strong>в</strong>ых<br />
быстродейст<strong>в</strong>ующих диодо<strong>в</strong> средней мощности.<br />
Долгое <strong>в</strong>ремя разработчикам приходилось<br />
применять среднечастотный диод типа<br />
2Д206 (А, Б, В) с допустимым напряжением<br />
400–600 В, на ток 5 А, пользуясь тем, что <strong>в</strong> его<br />
ТУ указы<strong>в</strong>алось, что его можно использо<strong>в</strong>ать<br />
и на более <strong>в</strong>ысоких рабочих частотах. При расчете<br />
потерь мощности <strong>в</strong> этом случае учиты<strong>в</strong>ались<br />
такие параметры, как длительность импульса<br />
прямого и обратного тока, напряжение<br />
на диоде прямое (импульсное и устано<strong>в</strong>и<strong>в</strong>шееся)<br />
и обратное, а также частота работы.<br />
Пытаясь разрешить проблему коммутирующего<br />
диода, разработчики применяли различные<br />
нетрадиционные решения. Так, например,<br />
для стабилизатора с низким <strong>в</strong>ыходным<br />
напряжением 5(6) В и токах нагрузки до 5 А<br />
использо<strong>в</strong>алось параллельное соединение германие<strong>в</strong>ых<br />
импульсных плоскостных диодо<strong>в</strong><br />
типа Д310. Эти диоды имели следующие параметры:<br />
максимальное обратное напряжение<br />
U RRM = 20 В, максимальный прямой ток<br />
I FAV = 0,5 А (<strong>в</strong> импульсе I FSM = 0,8 А), t rr ≤ 0,3 мкс.<br />
А<strong>в</strong>торам <strong>в</strong>стречались разработки КСН, <strong>в</strong> которых<br />
<strong>в</strong> качест<strong>в</strong>е замыкающего (нуле<strong>в</strong>ого) диода<br />
применялись быстродейст<strong>в</strong>ующие транзисторы<br />
<strong>в</strong> диодном <strong>в</strong>ключении. Естест<strong>в</strong>енно, что<br />
<strong>в</strong> этом случае напряжение на таком «к<strong>в</strong>азидиоде»<br />
не должно было пре<strong>в</strong>ышать допустимого<br />
обратного напряжения перехода база-эмиттер.<br />
Одно<strong>в</strong>ременно с сило<strong>в</strong>ой частью стабилизатора<br />
со<strong>в</strong>ершенст<strong>в</strong>о<strong>в</strong>ались схемы упра<strong>в</strong>ления<br />
и защиты по току. Эти схемы прошли э<strong>в</strong>олюцию<br />
от простых структур с упра<strong>в</strong>ляемым<br />
блокинг-генератором (триггером Шмитта,<br />
ждущим мульти<strong>в</strong>ибратором и т. п.) до комбиниро<strong>в</strong>анных<br />
схем на осно<strong>в</strong>е монолитных<br />
интегральных усилителей постоянного тока.<br />
Это были операционные усилители (ОУ) типа<br />
μА702 (1964 г.) и μА709 (1965 г.) [1]. Усилитель<br />
μА709 стал классическим и <strong>в</strong>ыпускался<br />
огромными тиражами: например, <strong>в</strong> 1970 т.<br />
ежегодный миро<strong>в</strong>ой <strong>в</strong>ыпуск оцени<strong>в</strong>ался<br />
на уро<strong>в</strong>не 20 млн шт. Применение ОУ упростило<br />
схемы упра<strong>в</strong>ления импульсных КСН<br />
и преобразо<strong>в</strong>ателей напряжения, <strong>в</strong> пер<strong>в</strong>ую очередь<br />
это коснулось схемы усилителя обратной<br />
с<strong>в</strong>язи. Кроме того, поя<strong>в</strong>илась <strong>в</strong>озможность<br />
на осно<strong>в</strong>е ОУ <strong>в</strong>ыполнять некоторые функциональные<br />
узлы: генераторы импульсо<strong>в</strong>, компараторы<br />
напряжения и таймеры. Серийное<br />
ос<strong>в</strong>оение отечест<strong>в</strong>енного интегрального<br />
ОУ типа 1УТ401А (тема ОКР «Исток») произошло<br />
<strong>в</strong> 1974 году. Общее стремление разработчико<strong>в</strong><br />
было напра<strong>в</strong>лено на упрощение схем<br />
упра<strong>в</strong>ления и уменьшение тока потребления<br />
от пер<strong>в</strong>ичного источника энергии.<br />
Читателю может показаться странным детальное<br />
изложение <strong>в</strong>опросо<strong>в</strong> по истории раз<strong>в</strong>ития<br />
импульсных стабилизаторо<strong>в</strong>. Однако<br />
а<strong>в</strong>торы у<strong>в</strong>ерены, что именно на этом этапе раз<strong>в</strong>ития<br />
транзисторной ключе<strong>в</strong>ой электроники<br />
был заложен необходимый фундамент научной<br />
и схемной эрудиции специалисто<strong>в</strong>. Благодаря<br />
этому стал <strong>в</strong>озможен качест<strong>в</strong>енный переход<br />
к но<strong>в</strong>ому классу транзисторных <strong>в</strong>ысокочастотных<br />
преобразо<strong>в</strong>ателей с питанием<br />
от <strong>в</strong>ыпрямленного сете<strong>в</strong>ого напряжения.<br />
Именно <strong>в</strong> период с 1969 по 1974 год был накоплен<br />
большой опыт работы с сило<strong>в</strong>ыми<br />
транзисторами <strong>в</strong> ключе<strong>в</strong>ом режиме. При этом<br />
детально изучались особенности работы транзисторо<strong>в</strong><br />
при <strong>в</strong>ысоких частотах коммутации<br />
от единиц килогерц до 10–15 кГц. Стало оче<strong>в</strong>идным,<br />
что надо уменьшать не только потери<br />
<strong>в</strong> статическом режиме работы транзистора<br />
(снижать напряжение насыщения), но и уменьшать<br />
его динамические потери. Последнее обстоятельст<strong>в</strong>о<br />
тесно с<strong>в</strong>язано с <strong>в</strong>еличиной <strong>в</strong>ремени<br />
рассасы<strong>в</strong>ания избыточных (неосно<strong>в</strong>ных)<br />
носителей, которые накапли<strong>в</strong>аются <strong>в</strong> базе биполярного<br />
транзистора. Для по<strong>в</strong>ышения надежности<br />
работы СК, особенно <strong>в</strong> переходных<br />
режимах, например, заряд конденсатора нагрузки<br />
импульсным током или скачок <strong>в</strong>ходного<br />
питающего напряжения, надо осущест<strong>в</strong>ить<br />
электронную защиту от перегрузки<br />
по току сило<strong>в</strong>ого транзистора, чтобы предот<strong>в</strong>ратить<br />
его по<strong>в</strong>реждение. Это необходимо<br />
именно для транзисторного СК, <strong>в</strong> то <strong>в</strong>ремя как<br />
при использо<strong>в</strong>ании магнитных ключей <strong>в</strong> сило<strong>в</strong>ой<br />
части КСН достаточно было, чтобы при<br />
срабаты<strong>в</strong>ании защиты по току контактором<br />
отключать питающее <strong>в</strong>ходное напряжение стабилизатора.<br />
Наконец, необходимо подчеркнуть, что<br />
к концу 1974 года <strong>в</strong>озникло устойчи<strong>в</strong>ое ощущение<br />
о предельных параметрах КСН. Речь<br />
идет о том, что <strong>в</strong> структуре сило<strong>в</strong>ого контура<br />
стабилизатора, а именно: сило<strong>в</strong>ой сете<strong>в</strong>ой<br />
трансформатор (СТ) → низко<strong>в</strong>ольтный <strong>в</strong>ыпрямитель<br />
(НВ) → сглажи<strong>в</strong>ающий фильтр →<br />
КСН, самыми консер<strong>в</strong>ати<strong>в</strong>ными я<strong>в</strong>ляются пер<strong>в</strong>ые<br />
три з<strong>в</strong>ена. Они остаются неизменными неза<strong>в</strong>исимо<br />
от схемы стабилизатора, его рабочей<br />
частоты и используемой компонентной<br />
базы. Особенно это стало оче<strong>в</strong>идным после<br />
разработки ряда унифициро<strong>в</strong>анных ИВЭ, построенных<br />
на осно<strong>в</strong>е применения КСН для аппаратуры<br />
морского базиро<strong>в</strong>ания <strong>в</strong> одном<br />
из моско<strong>в</strong>ских НИИ. При сете<strong>в</strong>ом питающем<br />
напряжении 220 В, 400 Гц были получены <strong>в</strong>ысокие<br />
для того <strong>в</strong>ремени удельные показатели<br />
p v = 15÷25 Вт/дм 3 . Как следует из предыдущего<br />
соображения, обязательность <strong>в</strong> этом типе ИВЭ<br />
сете<strong>в</strong>ого трансформатора стано<strong>в</strong>ится непреодолимым<br />
и объекти<strong>в</strong>ным препятст<strong>в</strong>ием для значительного<br />
уменьшения объема и массы источнико<strong>в</strong><br />
электропитания. За<strong>в</strong>ершая тему применения<br />
КСН <strong>в</strong> импульсных ИВЭ, отметим<br />
большой <strong>в</strong>клад <strong>в</strong> теорию и практику их применения<br />
отечест<strong>в</strong>енных специалисто<strong>в</strong> по средст<strong>в</strong>ам<br />
электропитания [2–7]. Среди них —<br />
Е. С. Грей<strong>в</strong>ер, А. Г. Виленкин, А. И. Гинзбург,<br />
В. А. Горбенко, В. А. Голо<strong>в</strong>ацкий, Э. М. Ромаш,<br />
А. А. Бокуняе<strong>в</strong> и др. Отметим, что <strong>в</strong> 1979 году<br />
<strong>в</strong>едущий специалист по средст<strong>в</strong>ам электропитания<br />
В. Г. Простако<strong>в</strong> <strong>в</strong>месте с одним из а<strong>в</strong>торо<strong>в</strong><br />
предложил оригинальную схему упрощения<br />
релейных стабилизаторо<strong>в</strong>. В этой схеме<br />
обеспечи<strong>в</strong>алась принудительная устано<strong>в</strong>ка частоты<br />
а<strong>в</strong>токолебаний релейного элемента <strong>в</strong> номинальном<br />
режиме работы стабилизатора [8].<br />
Однако дальнейшее раз<strong>в</strong>итие КСН при<strong>в</strong>ело<br />
<strong>в</strong>едущих разработчико<strong>в</strong> ИВЭ к тому, что есть<br />
предел их улучшения, и бесперспекти<strong>в</strong>но продолжать<br />
работы <strong>в</strong> этом напра<strong>в</strong>лении, <strong>в</strong> частности<br />
для сете<strong>в</strong>ых импульсных ИВЭ. Кардинальные<br />
перемены бук<strong>в</strong>ально находились «на<br />
кончике пера» у лучших специалисто<strong>в</strong> и проектиро<strong>в</strong>щико<strong>в</strong><br />
ИВЭ. Далее будет показано, как<br />
но<strong>в</strong>ые идеи прет<strong>в</strong>орялись <strong>в</strong> жизнь. На транзисторах<br />
с по<strong>в</strong>ышенным напряжением U CE0 ,<br />
например, типа КТ808 (или на транзисторе<br />
2N3739), <strong>в</strong>ыполнялись, <strong>в</strong> частности, импульсные<br />
ИВЭ по структуре, близкой к со<strong>в</strong>ременной<br />
[9]. То есть такая структура <strong>в</strong>ключала <strong>в</strong> себя:<br />
сете<strong>в</strong>ой <strong>в</strong>ыпрямитель → низкочастотный<br />
фильтр → понижающий ключе<strong>в</strong>ой стабилизатор<br />
напряжения (ПКСН) → <strong>в</strong>ысокочастотный<br />
преобразо<strong>в</strong>атель с сило<strong>в</strong>ым трансформатором<br />
(СТ) → низко<strong>в</strong>ольтный <strong>в</strong>ыпрямитель<br />
<strong>в</strong>о <strong>в</strong>торичной обмотке СТ → <strong>в</strong>ыходной фильтр.<br />
На <strong>в</strong>ыходе пред<strong>в</strong>арительного регулятора ПКСН<br />
поддержи<strong>в</strong>алось постоянное напряжение<br />
U 0 = 100–120В. Это поз<strong>в</strong>оляло использо<strong>в</strong>ать,<br />
например, д<strong>в</strong>ухтактный нерегулируемый преобразо<strong>в</strong>атель,<br />
работающий на частоте переключения<br />
20 кГц. В нерегулируемом преобразо<strong>в</strong>ателе<br />
при <strong>в</strong>ходном напряжении U 0 = 100–120 В<br />
можно было применить транзисторы с напряжением<br />
U CE0 = 250–320 В. Конечно, такие структуры<br />
<strong>в</strong> дальнейшем из-за сложности, с<strong>в</strong>язанной<br />
с д<strong>в</strong>ойным преобразо<strong>в</strong>анием энергии,<br />
не получили широкого раз<strong>в</strong>ития.<br />
Отметим одну <strong>в</strong>ажную особенность, характерную<br />
для раз<strong>в</strong>ития полупро<strong>в</strong>однико<strong>в</strong>ых<br />
и других компоненто<strong>в</strong> <strong>в</strong> Со<strong>в</strong>етском Союзе. Дело<br />
<strong>в</strong> том, что <strong>в</strong> СССР но<strong>в</strong>ые перспекти<strong>в</strong>ные<br />
компоненты разрабаты<strong>в</strong>ались <strong>в</strong> пер<strong>в</strong>ую очередь<br />
для аппаратуры <strong>в</strong>оенного назначения. Такие<br />
компоненты при их <strong>в</strong>ыпуске <strong>в</strong> дополнение<br />
к приемке ОТК (приемка «1») под<strong>в</strong>ергались<br />
приемке предста<strong>в</strong>ителя заказчика<br />
(приемка «5...9»). В усло<strong>в</strong>иях тотального дефицита<br />
материало<strong>в</strong> и компоненто<strong>в</strong> разработчикам<br />
приходилось постоянно согласо<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>ать<br />
<strong>в</strong>озможность применения компоненто<strong>в</strong> и материало<strong>в</strong><br />
именно для того типа аппаратуры<br />
специального назначения, <strong>в</strong> которую <strong>в</strong>страи<strong>в</strong>ались<br />
ИВЭ. При этом надо было так обосно<strong>в</strong>ы<strong>в</strong>ать<br />
использо<strong>в</strong>ание но<strong>в</strong>ого компонента<br />
(транзистора, диода, конденсатора, материала<br />
магнитопро<strong>в</strong>ода, изоляционной прокладки<br />
из окиси бериллия и т. д.), чтобы специалисты<br />
профильных подразделений ЦНИИ 22 МО<br />
(Министерст<strong>в</strong>а обороны) просто «<strong>в</strong>ынуждены»<br />
были да<strong>в</strong>ать разрешение на применение.<br />
Конечно, <strong>в</strong>се это созда<strong>в</strong>ало большие проблемы<br />
для <strong>в</strong>сех разработчико<strong>в</strong>, <strong>в</strong> том числе и для<br />
тех, которые проектиро<strong>в</strong>али импульсные ИВЭ.<br />
На Западе <strong>в</strong>се было иначе. Сначала, как пра<strong>в</strong>ило,<br />
созда<strong>в</strong>ались компоненты для применения<br />
<strong>в</strong> коммерческой и промышленной аппаратуре,<br />
а затем самые удачные и надежные<br />
компоненты до<strong>в</strong>одились для использо<strong>в</strong>ания<br />
<strong>в</strong> аппаратуре <strong>в</strong>оенного назначения, то есть<br />
до уро<strong>в</strong>ня Military стандарто<strong>в</strong>. Это было логично,<br />
поскольку «общедоступные» компоненты<br />
проходили не только испытания на серийном<br />
за<strong>в</strong>оде, но также имели значительный<br />
опыт эксплуатации <strong>в</strong> конкретной аппаратуре<br />
широкого (массо<strong>в</strong>ого) потребления.<br />
Еще одно уточнение. В СССР, <strong>в</strong> отличие<br />
от Запада, раз<strong>в</strong>итие электронных и других<br />
компоненто<strong>в</strong> для источнико<strong>в</strong> питания проис-<br />
21
Change language