Решение современных задач науки и техники связано с широким /1рименением электронно-вычислительной аппаратуры, информационно измерительных комплексов, средств связи, управления, автоматики и телемеханики, которые в большинстве случаев получают электрическую энергию от промышленной сети переменного тока, а потребляемая ими мощность лежит, как правило, в пределах от одного до десяти киловатт.

Неотъемлемой частью перечисленной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) являются источники вторичного электропитания (ИВЭП), обеспечивающие ее электрической энергией требуемого вида и качества.

В настоящее время внимание специалистов в области электропитания РЭА сосредоточено на создании высокоэффективных ИВЭП с бестрансформаторным входом, которые строятся на основе высокочастотного инвертора напряжения. Включение инвертора, работающего на частотах 20-100 кГц, в структуру ИВЭП обеспечивает, во-первых, гальваническую развязку нагрузки от первичной сети, во-вторых, резко уменьшаются массогабаритные показатели трансформаторов и дросселей и, в-третьих, значительно повышается КПД ИВЭП за счет импульсного режима работы мощных транзисторов.

Вопросам проектирования и создания ИВЭП с бестрансформаторным входом в последнее время уделяется большое внимание. Это находит отражение в материалах ряда Всесоюзных конференций и совещаний по проблемам вторичного электропитания и преобразовательной техники. Новизна и оригинальность таких источников электропитания подтверждаются целым рядом авторских свидетельств и патентов. Учитывая большой интерес к источникам электропитания данного типа со стороны разработчиков, в предлагаемой читателям книге рассмотрены особенности проектирования функциональных узлов силовой части и устройств управления ИВЭП с бестрансформаторным входом, выполненных на основе высокочастотного транзисторного инвертора, а также отражены вопросы повышения надежности их функционирования. Приведены практические разработки ИВЭП этого типа.

В книге использован опыт, накопленный авторами в процессе проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по данному направлению, и обобщены результаты, полученные другими авторами.

1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИСТОЧНИКАМ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Источники электропитания с бестрансформаторным входом по назначению можно разделить на три группы. К первой можно отнести ИВЭП, для которых характерными признаками являются низкий уровень выходного напряжения (2-50 В) и широкая их номенклатура по току нагрузки (1-200 А). Источники электропитания данной группы находят применение в основном в РЭА третьего и четвертого поколений, выполненной на ИС и БИС.

Учитывая возросшие требования по надежности функционирования различных систем РЭА, в настоящее время одним из важнейших показателей ИВЭП данной группы служит показатель его надежности при заданном ресурсе работы. Отказ источника электропитания, как правило, сопровождается невыполнением поставленных задач или простоем аппаратуры. Надежность функционирования ИВЭП с бестрансформаторным входом прежде всего определяется коэффициентом запаса по допустимому уровню напряжения и тока для силовых элементов схемы (транзисторов, диодов, конденсаторбв). Кроме того, необходимым условием функционирования ИВЭП является решение ряда специфических задач схемотехники: обеспечение симметричных режимов работы высокочастотных трансформаторов, предотвращение протекания сквозных токов в двухтактных инверторах, организация плавного запуска (плавного заряда конденсаторов) и ограничение зарядного тока конденсаторов сетевого выпрямителя (СВ).

Другим весьма важным показателем ИВЭП служит его удельная мощность (Bt/jxm) для стационарной РЭА и Вт/кг для РЭА подвижных объектов с первичной бортовой сетью 400 Гц.

В табл. 1.1 в качестве примера приведены показатели ИВЭП с бестрансформаторным входом для отечественных и зарубежных разработок. Важным показателем ИВЭП является его КПД. Повышение КПД снижает количество выделяемого тепла в источнике, позволяет уменьшить массу и габариты источника, а также потребление электрической энергии, что особенно важно для информационных систем с потребляемой мощностью 5-10 кВт и выше. Например, замена ИВЭП, построенных на линейных принципах с КПД = 0,3 в информационной системе с потребляемой мощностью 10 кВт, на ИВЭП с бестрансформаторным входом с КПД - 0,8 при двухсменной их работе

дает эффективность 1,5 тыс. руб. в год за счет уменьшения потребления энергии. Из табл. 1.1 видно, что современные ИВЭП с бестрансформаторным входом могут обеспечить в номинальных режимах КПД <: <: 0,8 при небольших мощностях (50-100 Вт) и при низких напряжениях (ниже 27 В) и КПД >> 0,8 при повышенных мощностях (0,5- 1 кВт) и более высоких напряжениях на выходе.

Во многих случаях, особенно для устройств аналоговой техники, определяющим показателем, от которого зависит применение ИВЭП с бестрансформаторным входом, служит электромагнитная совместимость (ЭМС) с РЭА, под которой понимают способность одновременного функционирования ИВЭП и РЭА в реальных условиях эксплуатации с требуемым качеством при воздействии на РЭА непреднамеренных электромагнитных помех со стороны источника вторичного электропитания. Для ИВЭП с бестрансформаторным входом характерным является то, что достигнутые высокие результаты по энергетическим и удельным показателям снижаются на 10-15% за счет применения технических средств, удовлетворяющих требованиям ЭМС. К задачам по обеспечению ЭМС между ИВЭП и РЭА можно отнести: исследование физических процессов, лежащих в основе образования электромагнитных помех; разработку методик измерения электромагнитных помех и разработку методов и средств их подавления до нормированного уровня (ГОСТ 25803-83).

Возникновение помех в ИВЭП с бестрансформаторным входом обусловлено (в интервалах коммутации транзисторов и диодов) наличием высокочастотных колебательных контуров, образованных основными конденсаторами и дросселями устройств, а также паразитными параметрами: емкостями обмоток высокочастотных трансформаторов и дросселей; индуктивностями рассеяния трансформаторов; емкостями между коллекторным переходом транзистора и радиатором; индуктивностями обкладок и выводов конденсаторов; индуктивностями и емкостями монтажа.

Электромагнитная совместимость может быть обеспечена за счет схемных решений-например, для импульсных стабилизаторов напряжения и выпрямителей - многофазностью режима их работы, симметрированием режима работы двухтактных инверторов, применением сим-симметричного фильтра или выполнением вторичной обмотки в виде двух секций, пространственно разнесенных одна от другой на магни-топроводе трансформатора. Другим направлением обеспечения ЭМС является применение средств пассивной фильтрации помех, например, шунтированием диодов выпрямителя вторичной обмотки трансформатора демпфирующими iC-цепочками или введением помехоподавляющих фильтров с полосой частот 0,15-10 МГц, затуханием 40-60 дБ и допустимым падением напряжения на фильтре не более 2 % от номинального уровня [I].

Методы пассивного электростатического экранирования и рационального монтажа преследуют цели снижения паразитных емкостных связей в электромагнитных элементах блоков и в конструкции ИВЭП. Значительный интерес представляет применение проводников и элементов конструкций с изоляцией из помехопоглощающих материалов с частотно-зависимыми диэлектрическими магнитными свойствами 12]. Для улучшения ЭМС применяют низкочастотное и высокочастотное заземление ИВЭП и питаемую ими РЭА, а также заземление экранов и кабелей [1,31.

Проведение перечисленных выше мероприятий по обеспечению ЭМС источников электропитания и РЭА позволяет на порядок снизить уровень помех, что обеспечивает нормальное функционирование систем РЭА. Суммарная нестабильность выходного напряжения ИВЭП с бестрансформаторным входом данной группы характеризуется нежесткими требованиями и, как правило, имеет уровень d=(2-3)% Uj, а пульсации выходного напряжения составляют ±1 % бн-

Характерным требованием для ИВЭП устройств вычислительной и информационной техники является возможность ступенчатого (плавного) изменения выходного напряжения ИВЭП на ±5 % (10% ) с целью профилактического контроля.

Ко второй группе ИВЭП с бестрансформаторным входом можно отнести источники электропитания современной научной, технологической и лабораторной аппаратуры. Характерными требованиями для оптико-электронной, медицинской и технологической аппаратуры является получение от ИВЭП напряжения, уровень которого изменяется плавно или дискретно в широком диапазоне (10-ЮВ) со стабилизацией каждого уровня; для лазерной техники характерен импульсный характер тока нагрузки со стабилизацией его уровня; для ряда систем связи одним из основных требований служит высокая степень гарантии поступления электрической энергии требуемого качества, что ставит задачу создания высоконадежных ИВЭП.

Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом и выходом на постоянном токе данной группы могут быть выполне-

50Гц

20 iO в)

0 I,A

Рис. 1.1

НЫ для решения следуюших задач: стабилизации напряжения при широком диапазоне изменения его уровня; стабилизации напряжения при широкодиапазонном изменении тока нагрузки; регулирования в широком диапазоне тока нагрузки при стабилизированном уровне напряжения; стабилизации тока нагрузки; обеспечения высокой надежности получения электрической энергии. Эти задачи должны быть выполнены при условии, что ИВЭП обладают высокими динамическими характеристиками, а также высокими энергетическими и удельными показателями по массе и объему.

К третьей группе ИВЭП с бестрансформаторным входом и выходом на постоянном токе относятся источники электропитания с высоким уровнем стабилизированного напряжения (1-50 кВ), и характеризуются они рядом специфических задач для получения высокого напряжения. В книге рассмотрены только ИВЭП с бестрансформаторным входом первой и второй групп, так как ИВЭП третьей группы ввиду своей специфики требуют самостоятельного рассмотрения.

Для сравнительной оценки на рис. 1.1 приведены зависимости массы элементов силовой части без учета конструкции ИВЭП от тока нагрузки при выходных напряжениях 5 В (рис. 1.1, а), 12 В (рис. \.\,б) и 27 В (рис. 1.1, б) для ИВЭП с бестрансформаторным входом (структура /) при работе мостового регулирующего инвертора на частоте 20 кГц и при подключении источника к промышленной однофазной сети 220 В, 50 Гц и трехфазной сети 200 В, 400 Гц, а также для ИВЭП с входным трансформатором и импульсным стабилизатором (структура ) при 8

тех же входных и выходных параметрах. Из рис. 1.1 видно, что масса ИВЭП с бестрансформаторным входом при подключении его к сети 400 Гц выше, чем при подключении к сети 50 Гц из-за существенного уменьшения номинальной емкости сглаживающего входного фильтра с увеличением частоты. Кроме того, эффективно применение ИВЭП с бестрансформаторным входом, начиная с 20-25 Вт для низких выходных напряжений (5; 12 В) и 35-45 Вт для напряжений 27 В и выше.

1.2. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

На практике широкое распространение получили две структуры построения ИВЭП с бестрансформаторным входом: на основе регулируемого и нерегулируемого конверторов. В первом случае (рис. 1.2, а) структурная схема ИВЭП состоит из двух функциональных узлов - сетевого выпрямителя СВ и преобразователя напряжения ПН. Сетевой выпрямитель выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания пульсаций, обеспечивает режим плавной зарядки конденсаторов фильтра при включении источника, бесперебойность подачи энергии в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшает уровень помех за счет применения помехоподавляющих фильтров. На выходе СВ формируется напряжение Е постоянного тока, которое характеризуется значениями 264-340 В для однофазной сети 220 Bl 1° % и 455-590 В для трехфазной сети 380 ВИб %• Преобразователь напряжения включает в себя конвертор К и устройство управления УУ. Конвертор, в свою очередь, состоит из регулируемого инвертора И, преобразующего постоянное выходное напряжение СВ в переменное прямоугольной формы, трансформаторно-выпрямительного узла ТВУ, работающего на повы-щенной частоте (20 кГц) и обеспечивающего гальваническую развязку сети с нагрузкой, и высокочастотного LC-фильтра ФВ. Устройство управления ПН обеспечивает мощные транзисторы импульсами управ-

t:2i tan

Е "

зег г \1

\ и.