Статьи
Транзисторная преобразовательная техника
Опубликовано: 03.09.2018
| Поделиться этой страницей в: |
 |
В монографии изложены принципы преобразований электрической энергии, выполняемых импульсными транзисторными устройствами, и используемые при этом технические решения. В книге учтены последние достижения в данной области техники, позволяющие создавать устройства и системы высокой надежности, малого объема, рассеивающие минимальную мощность и создающие благоприятные условия работы первичной сети. Книга будет полезна студентам, изучающим силовую электронику, аспирантам и специалистам, изучающим и разрабатывающим устройства и системы преобразовательной техники. |
Купить книгу "Транзисторная преобразовательная техника" в интернет-магазине Озон с доставкой
Содержание:
Предисловие ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1. Транзисторная преобразовательная техника как научно-техническое направление современной электроники 1.2. О книге «Транзисторная преобразовательная техника» ЧАСТЬ I КОМПОНЕНТЫ СИЛОВОЙ ЧАСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ГЛАВА 2. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ 2.1. Неуправляемые диоды 2.1.1. Диоды с p-n-переходом 2.1.2. pin-диоды 2.1.3. Мощные диоды Шоттки 2.2. Биполярные транзисторы 2.2.1. Маломощные (сигнальные) транзисторы 2.2.2. Мощные биполярные транзисторы 2.3. Мощные полевые транзисторы 2.3.1. Маломощные полевые транзисторы с изолированным затвором 2.3.2. Мощный полевой транзистор 2.4. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) ГЛАВА 3. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СЕРДЕЧНИКИ 3.1. Общие свойства магнитных материалов 3.1.1. Гистерезис 3.1.2. Магнитная проницаемость 3.1.3. Сопротивление магнитному потоку 3.1.4. Магнитодвижущая сила и напряженность магнитного поля 3.2. Выбор магнитных материалов 3.2.1. Влияние воздушного зазора в сердечнике 3.3. Аморфное железо и сплавы на основе кобальта 3.3.1. Аморфное железо 3.3.2. Кобальтовые сплавы 3.4. Ленточные разрезные сердечники из электротехнической стали и никелевых сплавов 3.5. Ферриты 3.6. Порошковые материалы 3.6.1. Порошковое распыленное железо 3.6.2. Мо-пермаллой 3.6.3. Порошковый материал на основе сплава железа и никеля 3.6.4. Железо-алюминиевый порошковый материал (Kool Мm) ГЛАВА 4. ДРОССЕЛИ 4.1. Сглаживающие дроссели 4.2. Дроссели переменного тока ГЛАВА 5. ТРАНСФОРМАТОРЫ 5.1. Идеальный трансформатор 5.2. Индуктивность намагничивания трансформатора 5.3. Индуктивность рассеяния 5.4. Основные соотношения для двухобмоточного трансформатора в общем случае 5.5. Трансформаторы с несколькими обмотками 5.6. Основные соотношения для расчета силовых трансформаторов преобразователей 5.6.1. Расчетные соотношения для мощностей трансформатора 5.6.2. Связь произведения ScSo с мощностью Рт трансформатора 5.7.Методика расчета трансформатора ГЛАВА 6. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ОБМОТКАХ ДРОССЕЛЕЙ И ТРАНСФОРМАТОРОВ. ПЛАНАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ 6.1. Потери в обмотках трансформаторов и дросселей на высокой частоте 6.1.1. Скин-эффект в проводнике 6.2. Трансформаторы и дроссели с плоскими обмотками ГЛАВА 7. КОНДЕНСАТОРЫ С БОЛЬШИМ ЗАРЯДОМ И ЭНЕРГИЕЙ 7.1. Алюминиевые электролитические конденсаторы 7.1.1. Конструкция 7.1.2. Танталовые конденсаторы 7.2. Пленочные конденсаторы. Классификация пленочных конденсаторов ... 7.3. Керамические конденсаторы 7.3.1. Диэлектрик керамического конденсатора ГЛАВА 8. ВАРИСТОРЫ И ГАЗОВЫЕ РАЗРЯДНИКИ 8.1. Варисторы 8.1.1. Вольтамперные характеристики 8.1.2. Параметры варисторов 8.2. Газовые разрядники ЧАСТЬ II ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ И БЫСТРЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ГЛАВА 9. КРАТКИЙ ОБЗОР ОСНОВНЫХ ВИДОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ 9.1. Функции, выполняемые силовой частью, ее принципиальные особенности 9.2. Классификация преобразователей энергии 9.3. Коэффициент мощности, коэффициент гармоник, коэффициент пульсаций 9.3.1. Коэффициент мощности 9.3.2. Коэффициент гармоник 9.3.3. Коэффициент пульсаций 9.4.Выпрямители 9.4.1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления 9.4.2. Схема ООВ при индуктивном характере нагрузки 9.4.3. Схема ООВ при индуктивном характере нагрузки и включении в нее замыкающего диода 9.4.4. Коммутационные процессы 9.4.5. Выходная характеристика 9.5. DC-DC преобразователи 9.6. DC-AC преобразователи 9.7. AC-DC преобразователи 9.8. АС-АС преобразователи 9.9. Зарядные устройства 9.9.1. Заряд емкостного накопителя 9.9.2. Заряд аккумуляторной батареи 9.10. Преобразователи с передачей энергии в сеть ГЛАВА 10. ВЫПРЯМИТЕЛИ НА НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ДИОДАХ И СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ 10.1. Основные схемы выпрямления 10.2. Расчетные соотношения для схем выпрямления при активной нагрузке 10.3. Сглаживающие фильтры 10.4. Работа выпрямителя на индуктивный фильтр 10.5. Работа выпрямителя на активно-емкостный фильтр 10.5.1. Работа выпрямителя на противо-ЭДС 10.5.2. Работа выпрямителя на RC-фильтр 10.6. Особенности работы выпрямителя на емкостный фильтр 10.7. Работа выпрямителя на индуктивно-емкостный фильтр 10.8. Сглаживающие фильтры—умножители напряжения и удвоитель тока 10.8.1. Умножители напряжения 10.8.2. Однофазная мостовая схема удвоения напряжения 10.8.3. Удвоитель тока 10.9. Резонансные и магнитно-связанные сглаживающие фильтры 10.9.1. Одно- и двухзвенный LC-фильтры 10.9.2. Резонансные фильтры 10.9.3. Магнитно-связанные фильтры ГЛАВА 11. ИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ БЕЗ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ВХОДА И ВЫХОДА) 11.1. Законы Кирхгофа для средних значений переменных 11.2. Базовая переключающая модель для построения ИРН 11.3. Понижающий импульсный регулятор напряжения (ИРН-1) 11.4. Повышающий импульсный регулятор напряжения (ИРН-2) 11.5. Инвертирующий импульсный регулятор напряжения (ИРН-3) 11.6. Сравнение понижающего и повышающего регуляторов с инвертирующим 11.7. Оценка потерь в импульсных регуляторах напряжения 11.7.1. Потери и КПД ИРН-1 11.7.2. Потери и КПД ИРН-2 11.8. Режим прерывистого тока в импульсных регуляторах напряжения 11.9. Импульсные регуляторы напряжения с разделительным конденсатором 11.9.1. ИРН с низким уровнем пульсаций на входе и выходе 11.9.2. ИРН с разделительным конденсатором и непрерывным потреблением входного тока 11.9.3.ИРН с непрерывной передачей тока в нагрузку, блокированную конденсатором 11.10.Комбинированные ИРН ГЛАВА 12. DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ГАЛЬВАНИЧЕСКИМ РАЗДЕЛЕНИЕМ ВХОДА И ВЫХОДА 12.1. Однотактный прямоходовой преобразователь 12.1.1. Принципиальная особенность работы однотактного прямоходового преобразователя 12.1.2. Расчетные соотношения в ОПП 12.1.3. Влияние индуктивности рассеяния 12.1.4. Однотактный прямоходовой преобразователь с активным ограничением напряжения 12.2. Двухтактные DC-DC преобразователи — аналоги понижающего импульсного регулятора напряжения 12.2.1. Преобразователь со средней точкой первичной обмотки трансформатора 12.2.2. Полумостовой преобразователь 12.2.3. Мостовой преобразователь 12.3. DC-DC преобразователь с дросселем на входе — аналог повышающего импульсного регулятора напряжения 12.4. DC-DC обратноходовой преобразователь 12.4.1. Влияние индуктивности рассеяния трансформатора 12.4.2. Однотактный обратноходовой преобразователь с активным ограничением напряжения 12.5. Преобразователи на основе импульсных регуляторов с разделительным конденсатором ГЛАВА 13. РЕЗОНАНСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 13.1. Последовательный резонансный преобразователь 13.1.1. Управление напряжением на нагрузке 13.2. Параллельный резонансный преобразователь 13.3. DC-DC преобразователи с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру 13.4.DC-DC преобразователи с подключением нагрузки к конденсатору резонансного контура 13.4.1. Анализ двух- и трехинтервального режимов 13.5.Однотактный резонансный преобразователь ГЛАВА 14. DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С МЯГКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ 14.1. Потери на включение, влияние выходной емкости ключа 14.2. Несимметричные преобразователи с мягким переключением 14.2.1. Преобразователь с активным клампом 14.2.2. Несимметричный полумостовой преобразователь 14.2.3. Сравнение несимметричных схем с мягким переключением 14.2.4. Емкостный фильтр в несимметричных преобразователях с мягким переключением 14.3. Мостовой преобразователь с фазовым управлением 14.3.1. Процессы переключения в преобразователе с фазовым управлением 14.4. Двухтрансформаторные DC-DC преобразователи с мягким переключением 14.4.1. Двухтрансформаторные несимметричные преобразователи 14.4.2. Двухтрансформаторный несимметричный полумостовой преобразователь с неравными коэффициентами трансформации 14.4.3. Двухтрансформаторный мостовой преобразователь с фазовым управлением 14.5. DC-DC преобразователи с удвоителем тока 14.5.1. Несимметричный полумостовой преобразователь с удвоителем тока 14.5.2. Мостовой преобразователь с удвоителем тока и фазовым управлением 14.6. Преобразователи с интегрированным магнитным элементом 14.7. Индуктивность рассеяния, ее влияние на работу преобразователя ГЛАВА 15. ИНВЕРТОРЫ (DC-AC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ) 15.1. Основной вариант построения инвертора 15.2. Инвертор тока 15.3. Формирование выходного напряжения и тока 15.3.1. Широтно-импульсная модуляция 15.3.2. Выходные каскады инверторов при широтно-импульсной модуляции 15.3.3. Амплитудно-импульсная модуляция 15.4. Трехфазные инверторы ЧАСТЬ III УПРАВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВАМИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ГЛАВА 16. ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КАК СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ 16.1. Методы управления выходными параметрами преобразователей 16.2. Общие требования, предъявляемые к преобразователям как устройствам автоматического управления ГЛАВА 17. НЕПРЕРЫВНЫЕ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 17.1. Методика перехода к непрерывной модели для общего случая 17.1.1. Переход к непрерывной модели 17.1.2. Линеаризация непрерывной модели СЧ преобразователя 17.2. Передаточные матричные функции и передаточные функции непрерывной линейной модели преобразователя как звена САУ 17.3. Уравнение управления в непрерывной линейной модели преобразователя 17.4. Устойчивость непрерывной линейной модели преобразователя 17.5. Управление по выходному напряжению и току в преобразователях 17.5.1. Управление по максимальному току 17.6. Передаточные функции разомкнутых контуров при управлении по выходному напряжению и максимальному току ГЛАВА 18. ДИСКРЕТНЫЕ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 18.1. Устойчивость понижающего импульсного регулятора напряжения 18.2. Приближенный матричный способ оценки устойчивости ГЛАВА 19. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 19.1.Моделирование на основе передаточных функций 19.1.1. Передаточные функции разомкнутых систем 19.1.2. Передаточные функции замкнутых систем, расчет переходных процессов 19.2. Цифровое моделирование 19.2.1. Непрерывная линейная модель на основе повышающего регулятора при управлении по выходному напряжению 19.2.2. Непрерывная линейная модель преобразователя на основе повышающего регулятора при управлении по выходному напряжению и току ЧАСТЬ IV УЗЛЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ЭЛЕМЕНТЫ УПРАВЛЕНИЯ ГЛАВА 20. УПРАВЛЕНИЕ МОЩНЫМИ ПОЛЕВЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ 20.1. Требования к управлению затвором 20.2. Управление MOSFET при гальванической связи его затвора с источником сигнала 20.3. Трансформаторное управление 20.4. Параллельное включение MOSFET ГЛАВА 21. ДРАЙВЕРЫ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ 21.1. Быстродействующие драйверы, управляющие MOSFET 21.2. Одноканальный драйвер с защитой по току управляемого ключа 21.3. Драйверы IGBT с расширенными функциональными возможностями 21.4. Драйверы, управляющие стойкой транзисторов ГЛАВА 22. КОНТРОЛЛЕРЫ УПРАВЛЕНИЯ 22.1.Контроллеры управления корректорами коэффициента мощности 22.1.1. Повышающий импульсный регулятор как основа ККМ 22.1.2. Контроллер ККМ 22.2. Контроллеры управления DC-DC преобразователями 22.3. Контроллеры управления мостовыми каскадами методом фазового сдвига ГЛАВА 23. ИСТОЧНИКИ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ 23.1. Источники опорного напряжения на стабилитронах 23.2. Регулируемые источники опорного напряжения высокой точности 23.2.1. Формирование участка постоянной мощности в DC-DC преобразователях с применением микросхемы РИОН 23.3.Источники опорного напряжения высокой точности ГЛАВА 24. ДЕМПФИРУЮЩИЕ ЦЕПИ 24.1. Демпфирующие цепи, подключаемые к транзисторам 24.1.1. Процесс включения транзистора 24.1.2. Процесс выключения транзистора 24.1.3. Демпфирующая цепь без потерь мощности 24.2. Демпфирующие цепи, подключаемые к диодам 24.2.1. Резистивно-емкостные демпфирующие цепи 24.2.2. Насыщающиеся дроссели в качестве ограничителей выбросов напряжения на диодах ГЛАВА 25. ЗВЕНЬЯ КОРРЕКЦИИ 25.1. Пассивные звенья коррекции 25.2. Звенья коррекции с использованием операционных усилителей ГЛАВА 26. ПОДАВЛЕНИЕ РАДИОПОМЕХ 26.1. Составляющие кондуктивных радиопомех 26.2. Нормирование радиопомех 26.3. Измерение радиопомех 26.4. Прохождение симметричной и несимметричной составляющих радиопомех от преобразователя к ИРП 26.5. Методы подавления радиопомех, создаваемых преобразователями 26.5.1. Фильтры защиты от радиопомех 26.5.2. Экранирование ГЛАВА 27. ОТВОД ТЕПЛА 27.1. Способы передачи тепла 27.2. Аналогия с электрическими цепями 27.3. Теплопроводность 27.4. Конвекция 27.5. Удельная мощность преобразователя, ее зависимость от КПД 27.6. Переходные тепловые режимы ЧАСТЬ V ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ГЛАВА 28. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С НЕПРЕРЫВНЫМ СТАБИЛИЗАТОРОМ НА ВЫХОДЕ ГЛАВА 29. DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТЬЮ 15 ВТ ГЛАВА 30. DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С СИНХРОННЫМ ВЫПРЯМЛЕНИЕМ ГЛАВА 31. ТРАНЗИСТОРНЫЙ AC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (ВЫПРЯМИТЕЛЬ) ГЛАВА 32. ЭЛЕКТРОННАЯ НЕРАССЕИВАЮЩАЯ НАГРУЗКА 32.1. Управление преобразователем 1 32.2. Силовая часть преобразователя 2 32.3. Схема управления ключами преобразователя 2 32.4. Управление преобразователем 2 32.5. Сетевой инвертор ПредисловиеСиловая электроника и ее области, связанные с преобразованием электрической энергии в электрическую, являются динамичным научно-техническим направлением, с использованием результатов которого развиваются другие многочисленные направления электроники. Принципы преобразования электрической энергии, элементная база устройств, их конструкторские и технологические решения непрерывно обновляются, и каждые 3—4 года происходит очередная смена поколения в данной области.
Электронные источники питания различной аппаратуры, которые принято называть источниками вторичного электропитания (ИВЭП), образуют наиболее широкий класс транзисторных преобразователей. ИВЭП являются преобразователями электрической энергии и обеспечивают электрические параметры на выходе (выходах), требуемые потребителю. Работа ИВЭП должна быть согласована с параметрами электрической сети на его входе, удовлетворять большому числу требований, в том числе связанными с изменением режимов работы как сети, так и нагрузки, включая кратковременные провалы и всплески напряжения сети и короткое замыкание в цепи нагрузки.
На протяжении десятков лет требования потребителей к ИВЭП остаются прежними: меньшие размеры (при той же выходной мощности), более высокий КПД, лучшие функциональные возможности (включая электрические параметры), меньшая стоимость. У потребителей, то есть тех, кто создает аппаратуру и систему в целом, за многие годы сложилось мнение, что ИВЭП, образно говоря, это черт в доме, которого приходится терпеть, но который все-таки необходим. Если бы существовал идеальный преобразователь, идеальный ИВЭП, то он не должен был бы занимать место, рассеивать мощность и вдобавок чего-либо стоить.
Одно из основных направлений построения энергетического оборудования — переход к распределенным системам питания, когда отдельные узлы аппаратуры получают электропитание от отдельных источников; с таким принципом построения оборудования связана и другая тенденция — переход к сверхнизким напряжениям постоянного тока источников: от широко применяемых 5 и 3,3 В к напряжениям 1...2.5 В в источниках с гальванической изоляцией входа и выхода и от 3,3 к 0,8... 1,7 В в источниках без изоляции. Токи, отбираемые от таких низковольтных источников, могут быть десятки и сотни ампер.
Методы транзисторного преобразования энергии, развитые в последнее время, новые компоненты и материалы позволили, не снижая, а даже увеличивая КПД, поднять рабочие частоты серийно выпускаемых импульсных преобразователей до нескольких сотен килогерц, что, в свою очередь, позволило в сочетании с новыми конструкторскими и технологическими решениями снизить размеры преобразователей при той же выходной мощности. Таким образом, стало возможным существенное улучшение одного из важнейших показателей любого преобразователя (ИВЭП) — удельной мощности, обычно определяемой как отношение мощности в нагрузке к объему преобразователя.
Увеличение КПД ИВЭП и преобразователей связано не только с возрастанием такого показателя, как удельная мощность. Повысить КПД ИВЭП означает съэкономить деньги пользователей, то есть тех, кто эксплуатирует оборудование, в котором установлены преобразователи. Улучшение КПД ИВЭП влияет и на экологию, поскольку их общее количество, работающее в аппаратуре, определяется для развитой страны миллионами штук. Несколько процентов возрастания КПД эквивалентно для такой страны, как США, экономии десятков миллионов тонн угля в год, что в свою очередь, означает сокращение миллионов автомобилей на дорогах.
Увеличение удельной мощности оказалось значительным также благодаря достижениям в разработке новых электронных компонентов, в первую очередь мощных высоковольтных и низковольтных полевых транзисторов, а также диодов. Например, новые типы высоковольтных транзисторов, выполненных по CoolMOS или MDmesh технологиям, позволяют достичь сопротивления в открытом состоянии — важнейшего параметра транзистора при его работе в режиме переключения — в 2...3 раза лучше аналогичного параметра при традиционной технологии. Высоковольтные (600 В) безынерционные диоды на основе карбида кремния позволяют по сравнению с обычными диодами снизить в несколько раз потери на переключение в выходном каскаде, избежать применения дополнительных цепей, содержащих большое число компонентов и занимающих заметное место в источнике питания. Правда, и стоимость новых электронных компонентов, выполненных по «революционным» технологиям, значительно выше стоимости традиционных, что объясняется небольшими пока тиражами этих изделий. Не столь резкий прогресс наблюдается в улучшении параметров других важных компонентов, входящих в преобразователь, — конденсаторов и магнитных сердечников. Но и здесь заметен прогресс: например, ферриты, производимые в 80-х годах XX столетия, примерно на 20% ниже по удельной мощности изделий, произведенных в 90-х годах, а те, в свою очередь, — на 20% ниже тех, что будут выполнены по новым технологиям.
Повышение удельной мощности связано с решением технологических вопросов. Некоторые классы преобразователей должны выполняться только на основе технологии поверхностного монтажа, в других — эта технология используется в управляющей части преобразователя и только частично в силовой.
Микропроцессорная техника, используемая в настоящее время не только в информационно-вычислительных системах, но и в оборудовании для технологических процессов, устройствах контроля, связи и транспорта, все в большей степени проникает в системы контроля и управления энергообеспечением различных объектов. Микропроцессоры встраиваются в различные типы преобразователей, обеспечивая расширение их функциональных возможностей, более высокую надежность, а в ряде случаев позволяя снижать и стоимость устройств. Прогресс в технологии построения микропроцессоров означает, что в ближайшее время в источниках питания, по крайней мере в некоторых типах, функции контроля и управления, включая высокочастотное управление ключами выходного каскада, будут цифровыми. Уже сейчас разработаны серии микропроцессоров, позволяющих цифровыми методами осуществить разные виды управления преобразователями, работающих на частотах сотни килогерц, а также выполнить необходимую коррекцию цифровыми методами. Проводятся исследования и других возможностей цифрового управления преобразователями. В результате должна возрасти надежность и, по-видимому, снизиться стоимость изделия.
Книга написана на основе лекций, которые автор читал на протяжении многих лет в МАИ, опыта, накопленного в совместной работе с российскими предприятиями, а также на основании результатов, полученных в научно-исследовательском отделе силовой транзисторной электроники МАИ, в котором автор был руководителем с 1993 по 2002 год.
Автор считает своим долгом выразить благодарность кафедре «Микроэлектронные электросистемы летательных аппаратов» МАИ, всем сотрудникам, работавшим в отделе силовой транзисторной электроники МАИ, а также сотрудникам ЗАО «Связь инжиниринг», оказавшим помощь в работе над этой книгой.
Автор: nik34 Дата: 26.03.12 в 12:00 Прочтений: 9384