Більшість статичних перетворювачів, промислово випускаються сьогодні, побудовано із застосуванням добре відомих підходів до їх силовим схемах, про які ми говорили в попередніх розділах Однак зустрічаються і нетривіальні, творчі підходи до технічних рішень, які дозволяють досягти високих результатів і спростити схемотехнической реалізацію перетворювальної техніки У цьому розділі ми розповімо читачеві про продукції науково-виробничого російсько-молдавського підприємства «Елкон» (м Кишинів) [8] У підготовці розділу велику допомогу надали генеральний директор фірми А Г Семенов і головний інженер А А Пенин

Ось як представляє свою продукцію і закладені в неї оригінальні технічні ідеї генеральний директор А Г Семенов: «Спеціалізуючись у галузі джерел живлення, нам вдалося створити спосіб побудови резонансних перетворювачів з глибокої регулюванням вихідних параметрів, що відрізняється від відомих досі На даний спосіб отриманий міжнародний патент Найбільш повно переваги способу проявляються при побудові потужних – від 0,5 кВт до десятків кВт – статичних перетворювачів Причому наші перетворювачі не вимагають схем швидкого захисту від короткого замикання на виході, так як в них практично не виникає режиму розриву струмів в будь-якому режимі Також усунуто можливість виникнення наскрізних струмів Оскільки фізично (без зворотних звязків) перетворювачі є джерелами струму, то зявилася можливість перенести конденсатор фільтра мережевого випрямляча на вихід перетворювача, що дозволило досягти значення коефіцієнта потужності на рівні 0,92 .. 0,96 залежно від характеру навантаження, не ускладнюючи схему корекцією коефіцієнта потужності Частота резонансного контуру залишається постійною, а це дає можливість ефективної фільтрації випромінювань перетворювачів по всіх напрямках Практична реалізація здійснена у вигляді джерел струму для електрохімічного захисту від корозії потужністю 600, 1500, 3000 і 5000 Ватт ККД цих приладів, виміряний при роботі в номінальних режимах, становить 0,93 .. 0,95 Джерела протикорозійного захисту пройшли сертифікаційні випробування, йде їх впровадження – все це підтверджує життєвість ідеї »

У чому полягає новизна цього підходу до проектування перетворювальної техніки, ми й поговоримо далі Як читачі вже добре знають, в даний час прилади та пристрої силової електроніки, що розробляються для професійного застосування, досить успішно оптимізуються за такими критеріями, як маса, габаритні розміри, надійність, вартість Ці вимоги неухильно посилюються, тобто сучасний замовник вже не хоче купувати просто перетворювач, за ціною якого він не постоїть Замовнику потрібні прилади з мінімальними габаритами і масою, але при цьому – з високим ККД, високою надійністю і низькою вартістю [9] З метою поліпшення споживчих властивостей виробів доводиться вдаватися до відомих заходам: підвищувати робочі частоти перетворення, зменшувати втрати потужності на силових елементах, знижувати або виключати динамічні перевантаження в силовій частині схеми Найчастіше ці заходи суперечать один одному, і для досягнення певних результатів розробник йде на деякий (часом навіть вельми непростий) компроміс [10] Поетомудальнейшая оптимізація параметрів перетворювальної техніки можлива тільки на нові принципи побудови цих пристроїв Резерви старих принципів вже значною ступеня, на жаль, вичерпані

Щоб читачеві зрозуміти, чим принципово відрізняється спосіб регулювання напруги, пропонований фірмою «Елкон», від інших способів регулювання, яка новизна укладена в цьому способі, нагадаємо про класичний побудові перетворювачів Типові перетворювачі постійної напруги в постійне (перетворювачі DC / DC типу) будуються, як відомо, за схемою: первинна ланка, що перетворює постійну напругу в змінну високої частоти вторинну ланку, що здійснює перетворення змінної напруги високої частоти в постійну напругу У складі таких перетворювачів традиційно є регулятор, керуючий величиною вихідного постійної напруги, чи підтримуючий його на необхідному рівні

Високочастотне перетворення постійного струму в змінний і назад може здійснюватися за допомогою різних схем, але якщо говорити про двотактних прототипах, то в цьому випадку зазвичай називають два типи: схеми з прямокутною формою струму силових ключів і резонансні з синусоїдальної (або квазісінусоідальние) формою струму ключів [11]

Ефективність роботи перетворювачів значною мірою визначається динамічними комутаційними втратами на силових елементах при комутації номінальних значенійтоков Досвід розробки перетворювальної техніки навіть невеликої потужності (порядку 100 Вт) показує, що знизити ці втрати вдається в основному за рахунок використання комутаційних силових елементів з низьким часом перемикання (перехід від тиристорів до ЮВТ-транзисторам) і за рахунок формування правильної траєкторії їх перемикання Існуюча на сьогоднішній момент елементна база, звичайно, має досить високими динамічними характеристиками, але, тим не менше, ці характеристики далекі від ідеальних Тому дуже часто технологічні обмеження служать причиною появи значних перенапруг на елементах силової схеми, а значить, і знижується надійність статичного перетворювача в цілому [12]

Формування правильної траєкторії перемикання – важлива задача, яка також значною мірою може знизити комутаційні перенапруги Цей метод забезпечує так звану «мяку» комутацію шляхом перерозподілу енергії між власне силовою частиною комутаційного елемента (в якості якого зазвичай виступає транзисторний ключ), і формує елементом Зменшення втрат відбувається за рахунок повернення накопиченої ними енергії Нагадаємо, що відомими представниками формують елементів є всілякі RCD-ланцюга, що гасять резистори, снаббери Практика розробки серійно-здатних промислових статичних перетворювачів показує, що при створенні пристрою з номінальною потужністю в сотні-тисячі Ватт доводитися буквально битися за кожен Ватт ефективної потужності, максимально знижувати теплові втрати [13]

Ще одна проблема відноситься до необхідності наявності швидкодіючої захисту від коротких замикань (КЗ) у навантаженні Проблема полягає, головним чином, в тому, що занадто швидкодіючий захист стає вельми схильною помилкових спрацьовувань, відключаючи перетворювач навіть тоді, коли ніякої небезпеки для нього не виникає Занадто повільна захист стійка до помилкових спрацьовувань, але навряд чи захистить прилад Звідси висновок: розробникам доводиться прикладати багато сил, щоб спроектувати оптимальне захисний пристрій

У звязку з вищевикладеним, класичний високочастотний перетворювач на сьогоднішній момент виявляється в деякій мірі непридатним для задоволення сучасних вимог, що предявляються до силової перетворювальної техніки Природно, виникає бажання пошуку нових способів побудови силових схем

Останнім часом інженери звернули увагу натакой звані «резонансні» силові схеми перетворювальної техніки, як на пристрої зі значними потенційними можливостями У резонансних перетворювачах принципово менше динамічні втрати, вони створюють набагато менше перешкод, оскільки перемикання відбувається не прямими фронтами, багатими гармоніками, а з гладкою формою сигналу, блізкойксінусоідальной [12], [14] Резонансні перетворювачі більш надійні, їм не потрібно швидкодіючий захист від КЗ в навантаженні, тому як обмеження струму КЗ відбувається природним чином Правда, через синусоїдальної форми струму дещо зростають статичні втрати в ключових силових елементах, але оскільки резонансні перетворювачі не настільки вимогливі до динаміки перемикання силових елементів, тут можуть бути використані «повільні» IGBT-транзистори класу «standard», у яких напруга насичення менше, ніж у «швидких» IGBT-приладів класу «warp speed» Можна навіть використовувати вже грунтовно забуті біполярні і СІТ-прилади, хоча, на погляд автора книги, про ці прилади краще не згадувати

З точки зору побудови силової схеми резонансні перетворювачі виходять дуже простими і надійними Проте до цих пір вони не змогли витіснити звичайні полумостовой і мостові перетворювачі через принципових проблем з регулюванням вихідної напруги [11] Звичайні перетворювачі використовують принцип регулювання на основі широтно-імпульсної модуляції – цей метод добре відпрацьований і не викликає технічно непереборних складнощів У резонансних ж перетворювачах використання ШІМ та інших спеціальних методів управління (наприклад, частотного регулювання – за рахунок зміни частоти комутації) призводить до збільшення динамічних втрат, які в деяких випадках стають порівнянними або навіть перевищують аналогічні втрати в класичних статичних перетворювачах Використання формують ланцюгів (RCD, снабберов і т д) виправдовує себе в обмеженому діапазоні частот і при дуже невеликій глибині регулювання Зустрічається кілька більш ефективний спосіб, заснований на значному зменшенні частоти комутації, що приводить до зменшення середнього струму навантаження, а значить, і вихідної потужності Але цей спосіб частотного регулювання також можна записати в розряд компромісів, а значить, вважати недостатньо задовольняє сучасним вимогам [15]

І все ж резонансні перетворювачі виявилися настільки привабливими за своїми перерахованим вище достоїнств, що було придумано ще кілька способів підвищити ККД і глибину регулювання На жаль, і ці ідеї показали себе недостатньо ефективними Використання додаткового імпульсного регулятора, що встановлюється на виході, призводить до необхідності використання ще однієї ланки перетворення, а значить, знижує загальний ККД [15] Відома також конструкція з перемиканням витків високочастотного трансформатора, але це рішення значно ускладнює схему перетворювача, підвищує його вартість Підсумок – Неможливість використання цих технічних рішень в областях широкого споживання

Зі сказаного вище читач може зробити висновок, що основна проблема, що заважає широкому розповсюдженню резонансних перетворювачів, криється у створенні ефективного способу глибокого регулювання вихідного напруги Якщо цю проблему вдасться вирішити, пристрої силової електроніки отримають «друге дихання» своїх технічних рішень, а статичні перетворювачі на основі нових принципів регулювання зможуть отримати поширення в нових і вже освоєних областях техніки

Фахівцям «ЕЛКОН» вдалося значною мірою просунутися в дослідженнях способів регулювання резонансних перетворювачів шляхом зменшення частоти комутації Саме даний спосіб був взятий за основу, так як в ньому зберігається головне достоїнство резонансної схеми – комутаційні перемикання при нульовому силовому струмі Вивчення процесів, що відбуваються в звичайному резонансному перетворювачі, дозволило уточнити його схему і знайти більш ефективний механізм регулювання в широкому діапазоні навантажень і прийнятному діапазоні частот Крім цього, вдалося досягти однакових значень амплітуд струмів силових транзисторів як в режимі номінального навантаження, так і в режимах КЗ, відсутності наскрізних струмів через силові транзистори навіть при максимальній частоті комутації, «мякої» навантажувальної характеристики, набагато більш прийнятною, ніж у класичної резонансної схеми

Звертаємо увагу читача, що повна, придатна до відтворення, схема модернізованого резонансного перетворювача є предметом «ноу-хау» підприємства «Елкон», проте, викладені далі основні принципи роботи перетворювача допоможуть фахівцям розібратися в суті запропонованих удосконалень і навіть розробити власну схему

Отже, пропонований спосіб регулювання призначається для реалізації потужних, дешевих і ефективних регульованих високочастотних транзисторних резонансних перетворювачів напруги різного застосування Це можуть бути зварювальні перетворювачі, установки індукційного нагріву, радіопередавальні пристрої, стабілізатори і т д Спосіб має прототип [10], в якому створюється коливання з власним періодом Т0 і періодом комутації силових ключів Тдо використовується ємнісний і індуктивний накопичувачі енергії з споживанням від джерела постійної напруги, передачі частини енергії в навантаження з випрямлячем регулювання напруги здійснюється за рахунок расстройки від резонансу з періодом власних коливань Т0 частоти комутації ключів Гдо, Близької до Т0

Як вже було сказано вище, расстройка призводить до значного збільшення теплових втрат і в цілому знижує надійність перетворювача, так як при розладі втрачається головне достоїнство резонансної схеми – комутація при нульових силових токах Все це призводить до того, що викладений в прототипі спосіб доцільно використовувати тільки в малопотужних перетворювачах

Фахівцями «Елкон» досліджений ближчий до вирішення поставленого завдання прототип [16], в якому також створюється коливання з власним періодом Т0 і періодом комутації ключів Гдо, Але в даному випадку Тдо > Т0 У складі схеми використовується ємнісний і індуктивний накопичувачі енергії з споживанням від джерела постійної напруги і передачею частини енергії в навантаження з випрямлячем Вихідна напруга регулюється за рахунок зміни періоду комутації Тдо Однак тут надлишок енергії ємнісного накопичувача повертається назад в джерело живлення за рахунок розряду ємнісного накопичувача через навантаження, а обмеження фронтів імпульсів струму силових ключів здійснюється за допомогою додаткових індуктивних накопичувачів Цей спосіб зберігає головне достоїнство резонансних перетворювачів – можливість комутації силових ключів при нульових токах

На жаль, описаний прототип також має низку недоліків Одним з принципових недоліків є збільшення струму ключів у разі виникнення перевантажень і КЗ в ланцюзі навантаження при номінальній або максимальної частоті Чому При цьому способі регулювання індуктивні елементи запасають велику кількість енергії, і вона не встигає повністю повернутися в джерело живлення за невеликий період (7 ^ Т0) / 2 Ще один недолік схеми – примусове припинення струму через ключі, незважаючи на те, що фронт комутації жорстко заданий Тому тут виникає необхідність розробки складної схеми силових ключів при нульових токах

Оцінивши всі недоліки перерахованих вище способів, інженери фірми «Елкон» розробили пристрій, за допомогою якого можна реалізувати стратегію глибокої регулювання вихідної напруги

при збереженні достоїнств резонансних схем Це пристрій являє собою типовий резонансний полумостовой перетворювач з ємнісним дільником напруги (ємнісним накопичувачем енергії) і індуктивним накопичувачем, включених послідовно з навантаженням між стійкою транзисторного напівмоста і середнім висновком ємнісного дільника Додаткові індуктивні накопичувачі включаються до гілки або в контуру кожного ключового елементу

У новому способі регулювання можна знайти аналогії з прототипами, опублікованими в [10] і [16]: тут також створюються коливання з власним періодом Т0 і періодом комутації Гдо, Причому Тдо > Т0 Від прототипів запозичені ємнісний і індуктивний накопичувач з споживанням від джерела постійної напруги і передачу частини енергії в навантаження з випрямлячем, здійснюється повернення надлишку енергії ємнісного накопичувача назад в джерело, регулювання напруги виконується за рахунок зміни Тдо Новизна способу полягає в тому, що одночасно з першими коливаннями створюються друге коливання з власним періодом Т0 і періодом комутації Гдо, З використанням того ж ємнісного накопичувача і другого індуктивного накопичувача з споживанням енергії від ємнісного накопичувача, передачею енергії в навантаження з випрямлячем

Головною особливістю запропонованого способу є одночасне протікання струмів першого і другого коливань через ключові елементи таким чином, що сумарний струм через них не переривається, що і дозволяє повертати енергію індуктивних накопичувачів на максимальній частоті навіть при виникненні КЗ При цьому амплітуда струму ключових елементів залишається на рівні номінальних значень

ний Цей спосіб «працює» у всьому діапазоні періодів комутації Тдо, Що успішно вирішує проблеми резонансного перетворення

Пристрій, показане на рис 14l, містить керуючий задає генератор (УЗГ), виходи якого зєднані з затворами силових ключів IGBT-типу (VT1 і VT2), що утворюють полумостовой стійку (плече напівмоста) Середня точка зєднання ключів VT1 і VT2 через ємнісний накопичувач (резонансний конденсатор) C1 підключена до одного з висновків трансформаторно-випрямного пристрою (ТР-випрямися) з навантаженням на виході Індуктивні накопичувачі (резонансні дроселі) L1 і L2 зєднані послідовно Їх загальна точка зєднання підключена до іншого виводутрансформаторно-випрямного пристрою Джерело живлячої напруги Un зєднаний з нижнім виводом дроселя L1 і емітером транзистора VT2 Верхній висновок дроселя L2 зєднаний з колектором транзистора VT1

На рис 142 показані графіки, що відображають роботу резонансного перетворювача Задає генератор УЗГ виробляє парафазні керуючі імпульси, показані нарис 142Длительностьуправляющих імпульсів становить Т0/ 2, а їх період регулюється (позначений як Тдо) Ці керуючі імпульси по черзі откриваюттранзістори VT1 ​​і VT2 У сталому режимі роботи перетворювача, в момент часу tl9 подається імпульс управління на транзистор VT2, при цьому через нього починає протікати синусоїдальний імпульс струму 1{9 показаний нарис 142,0,-такзвані «перші коливання» Одночасно з ним через антипаралельними (опозитний) діод VD1 транзистора VT1 продовжує протікати струм /2 – «Другі коливання»

На рис 143 показаний перший такт роботи схеми, що відображає поведінку її елементів а проміжку часу tv.tv Резонансний конденсатор C1 з напругою U5, Графік якого наведено на рис 142 г), перезаряджається черезтрансформаторно-випрямними навантаження (ТР-випрямися) Перший резонансний дросель L1 накопичує енергію Водночас резонансний конденсатор C1 розряджається через другий резонансний дросель L2 з напругою U%, графік якого наведено на рис 142, д Дросель L2 накопичує енергію відповідно до полярністю, вказаною на графіку

На рис 144 показаний другий такт роботи схеми, що відображає її поведінку в часовому проміжку t2..ty Резонансний конденсатор C1 продовжує перезаряжаться через трансформаторно-випрямними навантаження і перший резонансний дросель L1 Також конденсатор C1 перезаряджається через другий резонансний дросель L2, який вже віддає енергію відповідно до зазначеної полярністю

На рис 145 показаний третій такт роботи схеми, що відображає її поведінку на часовому проміжку ty.tA Резонансний конденсатор C1 продовжує заряджатися через трансформаторно-випрямними навантаження і перший резонансний дросель L1 з напругою U7, по-

Рис 142 Графіки, що відображають роботу резонансного перетворювача

Здавалося на рис 142, e Водночас резонансний конденсатор C1 вже заряджається від другого резонансного дроселя L2, який продовжує віддавати енергію відповідно до зазначеної полярністю

На рис 146 показаний четвертий такт роботи схеми, що відображає її поведінку на часовому проміжку /4../5 Резонансний конденсатор C1 продовжує заряджатися через трансформаторно-випрямними навантаження і перший резонансний дросель L1, який вже віддає енергію відповідно до зазначеної на малюнку полярністю Водночас резонансний конденсатор C1 продовжує заряджатися від другого резонансного дроселя L2

На рис 147 показаний пятий такт роботи схеми, що відображає її поведінку на часовому проміжку t5..t6 Резонансний конденсатор C1 продовжує заряджатися через трансформаторно-випрямними навантаження і перший резонансний дросель L1

На рис 148 показаний шостий такт роботи схеми, що відображає її поведінку в часовому проміжку t6..t7 Резонансний конденсатор C1 вже віддає енергію через трансформаторно-випрямними навантаження і перший резонансний дросель L1 в джерело живлення U . Ток /, при цьому змінює свій напрямок

На рис 149 показаний сьомий такт роботи схеми в часовому проміжку t7..ts Імпульс управління подається на транзистор VT1, при цьому починає протікати синусоїдальний імпульс струму /2 згідно рис 142, в через вказаний транзистор («другі коливання») Також продовжує протікати струм /, через антипаралельними діод VD2 транзистора VT2 – «перше коливання» Резонансний конденсатор C1 віддає енергію через трансформаторно-випрямними навантаження і перший резонансний дросель L1 в джерело напруги живлення U і в другій резонансний дросель L2

На рис 1410 показаний восьмий такт роботи схеми, що відображає її поведінку на часовому проміжку tb..t9 Резонансний конденсатор C1 і перший резонансний дросель L1 віддають енергію через

Рис 148 Шостий такт роботи схеми

трансформаторно-випрямними навантаження в джерело напруги живлення f7n, А резонансний конденсатор C1 віддає енергію ще і в другій резонансний дросель L2

На рис 1411 показаний девятий такт роботи схеми, що відображає її поведінку на часовому проміжку t9..tw Всі накопичувачі віддають свою енергію

На рис 1412 показаний десятий такт роботи схеми, що відображає її поведінку в проміжку /10.. / Ц Йде перезаряд резонансного конденсатора C1 за рахунок енергії другого резонансного дроселя L2

На рис 1413 показаний заключний такт роботи схеми, що відображає її поведінку в проміжку часу tn..tx Йде розряд резонансного конденсатора C1, далі процеси повторюються

Звертаємо увагу читача, що на інтервалі часу t6..t7 відбувається повернення енергії в джерело, оскільки струм / j змінює свій напрямок, а негативна амплітуда струму /, визначається навантаженням перетворювача Саме цей факт визначає додаткові переваги описуваного пристрою – амплітуда струму через ключі не збільшується аж до короткого замикання в навантаженні Так-

Рис 1411 Девятий такт роботи схеми

Рис 1412 Десятий такт роботи схеми

ж повністю відсутня проблема «наскрізних струмів», що спрощує і підвищує надійність схем управління ключовими елементами Відпадає і проблема створення швидкодіючих захистів для запобігання режиму КЗ

Представлена ​​ідея була покладена в основу дослідних зразків і серійних виробів, які в даний час виробляє «Елкон» Наприклад, перетворювач напруги з вихідною потужністю 1,8 кВт, спроектований для станції катодного захисту підземних трубопроводів, отримує живлення від однофазної мережі змінного струму 220 В 50 Гц У ньому застосовані силові транзистори IGBT типу IRG4PC30UD класу ultra-fast з вбудованим оппозітним діодом, ємність резонансного конденсатора C1 становить 0,15 мкФ, індуктивності резонанснихдросселей L1 і L2 – по 25 мкГн Період власних коливань Т0 становить 20 мкс, коефіцієнт трансформації трансформатора – 0,5 (що визначає діапазон номінальної навантаження 0,8 .. 2,0 Ом) Для мінімального значення періоду комутації Гдо, Рівного 13 мкс (при частоті комутації 77 кГц) і навантаженні 1 Ом амплітуди струмів 1Х та /2 відповідно становлять плюс 29 А і мінус 7 А Для навантаження 0,5 Ом амплітуди струмів 1Х та /2 склали відповідно плюс 29 А і мінус 14 А У випадку КЗ ці значення становлять плюс 29 А і мінус 21 А, середній струм через навантаження становить 50 А, тобто проявляється ефект обмеження струму КЗ

На рис 1414 показано сімейство регулювальних характеристик резонансного перетворювача Важливо відзначити, що у всьому діапазоні

частоти комутації перемикаючі імпульси подаються при нульовому силовому струмі Як пишуть автори ідеї, всі результати були спочатку перевірені в системі схемотехнічного моделювання OrCAD 91, потім втілені в макеті, і тільки після цього запущені в серію

Для порівняння, на рис 1415 представлено сімейство регулювальних характеристик аналогічного за потужністю класичного резонансного перетворювача Мінімальний період комутації Тдо збільшено через виникнення наскрізних струмів, і в даному випадку становить 14 мкс (при частоті комутації 72 кГц) Для цієї номінальної частоти виконується умова режиму комутації в нулі струмів Для опору навантаження 1 Ом амплітуда струму навантаження дорівнює 30 А, для опору 0,5 Ом амплітуда дорівнює вже 58 А У випадку КЗ амплітуда струму через транзистори стає вже більш 100 А, причому комутація силових транзисторів відбувається вже не в нулі струмів, а середній струм навантаження перевищує 180 А Таким чином, як було зазначено раніше, в даному випадку виникає необхідність у швидкодіючої захисту від КЗ для виключення вигорання силових транзисторів і попередження аварійної ситуації

Ділянка регулювання «А» характеризує режим комутації в нулі струмів Але практичний інтерес представляє тільки ділянку регулювання «Б», коли частота комутації менше номінальної в

два і більше разів Можна відзначити, що глибина регулювання зазначеним способом для класичного перетворювача значно менше, ніж в перетворювачах «Елкон», а необхідність роботи на нижчій частоті комутації погіршує енергетичні показники класичного перетворювача Таким чином, перетворювачі «Елкон» мають практично прийнятними регулювальними характеристиками і діапазоном зміни частоти комутації

Враховуючи «мяку» навантажувальну характеристику, можливе регулювання вихідної напруги на фіксованій частоті за рахунок фазового управління двома перетворювачами, зєднаними паралельно по змінному напрузі Цей варіант перевіряється на макеті потужністю 1,2 кВт (рис 1416) Вихідна напруга при такому способі регулювання можна легко змінювати від нульового до максимального Отримані результати дозволяють припустити, що статичні перетворювачі, що використовують новий спосіб резонансного перетворення, знайдуть більш широке застосування у всіх областях техніки, де використовуються класичні статичні перетворювачі з номінальною потужністю на десятки і більше кВт

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил