ПРИМЕНЕНИЕ ЧИМ-ШИМ
В РЕГУЛИРУЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ПИТАНИЯ

С.Я. Миронов
ведущий специалист
Январь 2003 г.


В последнее время в качестве ключевых элементов в мощных импульсных источниках питания часто применяются IGBT транзисторы. Однако [1] максимально допустимый ток этих элементов резко падает при увеличении частоты переключения, а потери переключения быстро растут. Применение квазирезонансного режима переключения позволяет существенно снизить потери переключения и генерируемые помехи. Дополнительно снизить потери переключения и помехи, а также расширить диапазон регулирования выходных параметров источника питания позволяет применение ЧИМ-ШИМ (частотно-импульсной модуляции – широтно-импульсной модуляции).

Источники с Рвых > 5 кВт , как правило, выполняются по мостовой схеме, для которой обычно применяются следующие варианты управления:

Вариант 1 – "жесткое переключение" на постоянной частоте. Регулирование выходного напряжения/тока с помощью ШИМ.

Достоинства – простота управления.

Недостатки – большие потери переключения, большой уровень помех, относительно узкий диапазон регулирования.

Вариант 2 – квазирезонансное переключение методом "сдвига фазы" на постоянной частоте. Регулирование выходного напряжения/тока происходит за счет сдвига фазы сигналов управления полумостами, что приводит к формированию ШИМ сигналов на силовом трансформаторе. На выходе мостовой схемы используется последовательная индуктивность Lрез., обеспечивающая квазирезонансные фронты переключения (рис. 1).

Рис.1

Подробное описание данной схемы приведено в [2].

Достоинства– малые потери переключения, малый уровень помех.

Недостатки– более сложная схема управления по сравнению с вариантом 1, наличие Lрез, относительно узкий диапазон регулирования.

Вариант 3 – квазирезонансное переключение методом "сдвига фазы" на изменяемой частоте. Регулирование выходного напряжения/тока происходит за счет сдвига фазы и частоты сигналов управления полумостами, что приводит к формированию ЧИМ – ШИМ сигналов на силовом трансформаторе. Схема силовой части такая же, как и для варианта 2 (рис. 1).

Достоинства – при работе с Рвых < 100% от Рmax (когда напряжение и ток не равны одновременно 100% от максимальных значений) потери переключения и помехи ниже, чем для варианта 2; относительно широкий диапазон регулирования.

Недостатки– некоторое усложнение схемы управления по отношению к варианту 2.

Таким образом, для источников питания регулируемых в широком диапазоне напряжений и токов предпочтительно применение варианта 3. Особенно это справедливо для мощных источников с Р вых.> 10 кВт, где удельная стоимость системы управления невелика. Рассмотрим этот вариант более подробно.

Примерный вид зависимостей рабочего цикла и частоты от тока управления для источников с ЧИМ -ШИМ для Рвых = 10…30 кВт показан на рис. 2 (рабочий цикл "D" - отношение длительности импульса t и к периоду повторения Т импульсов на выходе мостовой схемы, выраженное в %)

Рис. 2

При таких зависимостях D = F(Iупр.) и f =F(Iупр.) квазирезонансный режим работы схемы поддерживается в фазе полумоста "CD" начиная с Iвых ~ 5% от Imax, а в фазе "АВ" начиная с Iвых ~ 40% от I max для наихудшего случая работы: короткое замыкание выхода, наименьшая частота работы.

Помехи, генерируемые источником при управлении по варианту 3, в сравнении с вариантом 2 снижаются в результате работы на более низких частотах (при Pвых < Pmax).

Из графиков на рис. 2 видно, что при снижении частоты преобразования происходит "опережающее" снижение значения рабочего цикла. Поэтому произведение (В х с) на силовом трансформаторе также падает. Ограничение по снижению частоты накладывается только требованиями к уровню звукового излучения источника или предотвращением режима разрывных токов в силовом дросселе выходного выпрямителя.

Технологические процессы (в части их требований к источникам питания) можно разделить на несколько типов.

  • 1тип - где необходимо обеспечение постоянного и одновременного максимального значения тока и напряжения (Р = const = max).
  • 2тип - где необходимо относительно кратковременное одновременное увеличение напряжения и тока до максимальных значений, а в дальнейшем они снижаются. Примером является процесс гальванического покрытия хромом, когда во время "толчка тока" напряжение и ток имеют максимальное значение в течение ~30 с. Затем значение тока снижается до ~70…50% от максимального, и процесс длится 10…20 мин.
  • 3тип - где напряжение и ток не могут одновременно принимать максимальные значения. Примерами являются процессы электродуговой сварки или заряда энергозапасающих конденсаторов.

Для процессов типа 1 применение варианта управления 3 (с ЧИМ - ШИМ) приводит только к некоторому уменьшению уровня помех за счет качания частоты, в остальном энергетических выгод нет.

Для процессов типа 2 и 3 применение варианта управления 3 обеспечивает снижение уровня помех и энергетических потерь переключения тем сильней, чем ниже среднее напряжение (или ток) процесса по отношению к максимальному.

Другое преимущество варианта управления 3 с ЧИМ - ШИМ проявляется в глубоко регулируемых источниках питания. Для определенных техпроцессов необходимо обеспечить гарантированные минимальные значения тока/напряжения.

Примерами являются гальванические аппараты , где техзадание некоторых заказчиков может требовать обеспечение Iвых =1…500 А при Uвых =0,1…15 В, причем точность поддержания Iвых= 1 А должна быть не хуже ±20%. Трудности в обеспечении минимального значения рабочего цикла связаны с тем, что переключение ШИМ компаратора происходит в самом начале нарастания пилообразного напряжения, где уровень шумов и помех сравнимы с уровнем сигнала.

Применение ЧИМ - ШИМ позволяет работать с выходными импульсами моста некоторой длительности (например, 0,5 мкс), которые формируются еще вполне четко, а снижение рабочего цикла осуществлять за счет снижения частоты переключения.

В таблице 1 приводятся данные некоторых источников питания, в которых применяется управление с фазовым сдвигом, квазирезонансом и ЧИМ - ШИМ.
Таблица 1
U,ВI,АP ,кВтГабариты преобразователя, мм
(в корпусе)
Вес преобразователя, кг
(с корпусом)
Примечание
0…151…5007,5210х190х360~10,5с реверсом
0…15 1…5007,5210х175х210~7,5без реверса
0…153…150022,5482х200х450*~25с реверсом
0…501…1256,25210х175х210~6,5без реверса
0…502…25012,5482х200х450*~15с реверсом
0…502…50025482х200х450*~25с реверсом
0…754…40030482х200х450*~25без реверса

Все источники могут работать в режиме стабилизации тока или напряжения, имеют пульты дистанционного программного или ручного управления и могут управляться от компьютера. Тип охлаждения - воздушное принудительное адаптивное. Непрерывная долговременная работа при Pвых = Pmax обеспечивается при tокр<35C .

Встроенное ПО позволяет формировать несколько интервалов с независимо устанавливаемыми значениями тока и напряжения, а также задавать необходимое и накапливать текущее значение ампер-часов [А х час].

Для источников с реверсом возможна работа с выходной частотой 0…50 Гц.

Литература:

пер. с англ. под ред. В.В.Токарева. Силовые полупроводниковые приборы.
Воронеж, 1995.

Микросхемы для импульсных источников питания и их применение.
изд. Додека, 2000.


Copyright © 2003-2017 Л-С-И
Лаборатория Силовых Источников
Вверх
Рейтинг@Mail.ru