Силовая часть преобразователя

Задание

 

Рассчитать параметры элементов схемы источника питания, выполненного по схеме, изображенной на рис. 1.

Исходные данные:

§ Питание от источника постоянного тока.

§ Напряжение питания: ; .

§ Номинальный средний уровень выходного напряжения: .

§ Точность поддержания среднего уровня выходного напряжения: ± 1%.

§ Пульсация выходного напряжения на частоте, кратной частоте преобразования электрической энергии: (полный размах от пика до пика).

§ Характер нагрузки – резистивный.

§ Максимальное значение тока, потребляемого нагрузкой: .

§ Минимальное значение тока, потребляемого нагрузкой: .

§ Частота пульсации напряжения на конденсаторах выходного фильтра: .

 

Дополнительные требования к разрабатываемому устройству:

§ Ограничение амплитуды тока силовых транзисторов на уровне, который превышает её значение при максимальной нагрузке не более, чем на 20%.

 

Силовая часть преобразователя

Расчет элементов силовой части

 

Полученная регулировочная характеристика позволяет сделать выбор первое приближение в выборе n: (1.3)

Задаемся .

По заданию Uout = 54 В, Emin = 400 В, определим коэффициент трансформации. Тогда по формуле (1.3):

Определим максимальный и минимальный коэффициенты заполнения:

Для полученных значений γmax и γmin соответствующие длительности импульсов управления составляют tu max=4 мкс, tu min=3.8 мкс.

Расчет пульсации тока, подтекающего к конденсатору выходного фильтра

Изменение МДС в каждом трансформаторе одинаково – от Fmin до Fmax.

Обозначим амплитуду пульсации тока .

Тогда

(1.4)

Выбираем величину индуктивности из формулы (1.4):

Задаемся ∆I₂ равным 10% от минимального тока нагрузки, то есть 0.2А. Для заданных параметров расчета получаем >648мкГн. Выбираем .

Расчет пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра

Пульсации напряжения на конденсаторе фильтра

 

(1.5)

Из формулы (1.5) получаем:

Для заданный параметров расчета полная пульсация напряжения ∆Ucф не должна превышать 0.4 В, откуда Cф ≥ 0.313 мкФ. Выбираем Сф из стандартного ряда 0.47 мкФ.

Выбор силовых транзисторов VT2 и VT3

Обратное напряжение, которое прикладывается к транзисторам, составляет напряжение питания. Поэтому транзисторы должны быть выбраны на обратное напряжение Emax=420В. Максимальный ток через транзистор равен . Среднее значение тока через транзистор равен

Тогда выбираем МДП-транзисторы ключевого типа для силовых источников питания фирмы IR типа IRFPC50A с параметрами:

V_DSS = 600 В

I_D = 11 А

Выбор диодов VD9 и VD10

Средний ток через диоды D1 и D2 равен половине среднего тока нагрузки . Максимальный ток через диоды равен сумме среднего тока нагрузки и амплитуды пульсации тока нагрузки:

Максимальное обратное напряжение будет прикладываться в момент, когда диод заперт. И будет равен пересчитанному к вторичной стороне преобразователя напряжению питания, деленного пополам.

Выбираем ВЧ диоды серии Ultrafast фирмы IR типа 30EPF02 с параметрами:

V_R = 200 В

I_F(AV) = 30 A

 

 

Моделирование силовой части

 

 

Рис. 2. Рисунок схемы с реальными моделями п/п приборов

 

Текст программы на языке Pspiсe для схемы с реальными моделями:

 

*

 

R1 15 2 100k

R2 2 0 100k

R3 5 4 10

R4 7 6 10

R5 9 2 0.01

R6 12 0 5.4

 

C1 15 2 1.5u IC=210

C2 2 0 1.5u IC=210

C3 12 0 0.47u IC=0

 

V1 1 0 420

Rin 1 15 0.001

 

V2 5 3 pulse (0 15 0 0.001u 0.001u 3.85u 10u)

V3 7 0 pulse (0 15 5u 0.001u 0.001u 3.85u 10u)

 

.model IRFPS NMOS (LEVEL=3 GAMMA=0 DELTA=0

+ ETA=0 THETA=0 KAPPA=0 VMAX=0 XJ=0

+ TOX=100n UO=600 PHI=.6 RS=300m KP=20.83u

+ W=1.1 L=1u VTO=3 RD=300m RDS=400k

+ CBD=0.3n PB=.8 MJ=.5 FC=.5 CGSO=2.7n

+ CGDO=0.06n RG=0.1 IS=12f)

 

.model EPF D (IS=10e-14 CJO=10p VJ=0.71 RS=0.03)

 

 

L1 8 3 1.514m

L2 8 9 1.514m

L3 0 10 700u

L4 0 11 700u

K1 L1 L3 0.999999

K2 L2 L4 0.999999

 

 

M1 15 4 3 3 IRFPS

M2 3 6 0 0 IRFPS

 

D1 10 12 EPF

D2 11 12 EPF

 

 

.options ABSTOL=1e-10 VNTOL=1e-10 GMIN=1e-12 ITL4=350 RELTOL=1e-4 CHGTOL=1e-7

.tran 1u 1000u skipbp

.probe

.end

 

 

Рис. 3. Напряжение на нагрузке при максимальной мощности

и максимальном напряжении питания

 

 

Рис. 4. Ток через транзистор M1

 

 

Рис. 5. Ток через диод D1

 

Рис.6. Потери в транзисторе

 

Потери в транзисторе обусловлены потерями в проводящем состоянии и потерями при коммутации. Как видно из рисунка 6, Pstatic=2.74Вт, Pon=0.812Вт, Poff=0.524 Вт, Psum=4.076 Вт. При максимальной мощности отдаваемой в нагрузку 540Вт.

 

Рис.7. Потери в диоде

PпотD1=5.461 Вт

 

 

Система управления

Описание ШИМ-контроллера

Для управления преобразователем используется ШИМ контроллер серии UC2825.

Рис.8. Структурная схема контроллера UC2825

 

Основные параметры:

· Напряжение питания цифровой части контроллера и выходных каскадов 15В

· Ток заряда конденсатора для мягкого запуска 9мА

· Порог срабатывания защиты по току 1В

· Напряжение встроенного источника опорного напряжения 5.1В

· Напряжение смещения на входе пилообразного напряжения 1.35В

· Максимальный ток потребления контроллером 33мА

· Номинальный ток потребления контроллера 22мА

· Максимальный ток выходного каскада 200мА

· Номинальный ток выходного каскада 20мА

· Размах напряжения на частотозадающем конденсаторе 1.8В

· Напряжение заряда частотозадающего конденсатора 3В

· Ток заряда частотозадающего конденсатора 10мА

 

Расчет RC – генератора

Так же как и ШИМ-компаратор, компаратор RC – генератора (рис.13) имеет верхнее и нижнее пороговое напряжения, соответственно равные 2,8В и 1В. Зарядный ток частотозадающего конденсатора Ст является зеркальным току через частотозадающий резистор Rт. Вывод для подключения частотозадающего резистора имеет постоянное температурно стабилизированное смещение, равное 3В. Когда конденсатор заряжается до верхнего порогового напряжения, транзистор Q1 открывается управляющим током 10мА. Разряд Ст прекращается именно тогда, когда компаратор RC – генератора определяет момент прохождения нижнего порогового уровня напряжения. Это так же предотвращает насыщение транзистора Q1 и уменьшает задержки.

 

Рис. 9. Схема RC-генератора

 

 

Выбираем из стандартного ряда R1=3.01 Ом, С1=2.49 нФ.

 

Усилитель ошибки

Усилитель сигнала ошибки представляет из себя усилитель напряжения, имеющий хорошие значения полосы пропускания и скорости нарастания сигнала. На рисунке 14 показана упрощенная схемотехника усилителя сигнала ошибки. Передаточная характеристика имеет два нуля, расположенные до частоты единичного усиления на расширенной фазовой диаграмме. Для нормальной работы схемы напряжение на выводе EAIn+ должно быть больше 1.25В. Зададимся R1=15кОм, R2=10кОм.

Рис. 10. Схема усилителя сигнала ошибки

 

Анализ по постоянному току

 

 

Рис. 15. Усредненная модель преобразователя

 

Текст программы:

 

*

Vs 1 0 400

Vsac 2 1 ac 0

Rsac 2 0 1000

Eb 3 0 value={(V(2)*V(12)*n/4)}

Reb 3 4 0.02

L 4 5 700u

Vil 5 6 dc 0

Rc 6 13 4.2m

C 13 0 0.5u

Rn 6 0 {R}

.param R=1

.step param R 5.4 27 3.6

 

R13 6 7 50.5k

R14 7 0 3k

R3 7 8 1k

Rd1 8 9 1000k

Vr 9 0 3.06

R5 8 10 100k

Ea 10 0 table {(V(9)-V(8))}=(-10,1)(0,1)(0.005,6)(10,6)

Ed 11 0 value={limit(((V(10)-2.25)/1.8),.999,0.001)}

Vdac 12 11 ac 0

Rd 12 0 1000

 

.param n=0.68

.options ABSTOL=1e-10 VNTOL=1e-10 GMIN=1e-12 ITL4=350 RELTOL=1e-4 CHGTOL=1e-7

.tran 1m 300m 0 1m skipbp

.dc Vs 400 420 20

.probe

.end

 

 

Многовариантный расчет при различных значениях сопротивления нагрузки

 

 

Рис. 16. Напряжение на нагрузке

 

Анализ по переменному току

Задание

 

Рассчитать параметры элементов схемы источника питания, выполненного по схеме, изображенной на рис. 1.

Исходные данные:

§ Питание от источника постоянного тока.

§ Напряжение питания: ; .

§ Номинальный средний уровень выходного напряжения: .

§ Точность поддержания среднего уровня выходного напряжения: ± 1%.

§ Пульсация выходного напряжения на частоте, кратной частоте преобразования электрической энергии: (полный размах от пика до пика).

§ Характер нагрузки – резистивный.

§ Максимальное значение тока, потребляемого нагрузкой: .

§ Минимальное значение тока, потребляемого нагрузкой: .

§ Частота пульсации напряжения на конденсаторах выходного фильтра: .

 

Дополнительные требования к разрабатываемому устройству:

§ Ограничение амплитуды тока силовых транзисторов на уровне, который превышает её значение при максимальной нагрузке не более, чем на 20%.

 

Силовая часть преобразователя