Сравнительные характеристики импульсных и линейных ИВЭП

Импульсные источники электропитания

Виды и особенности импульсных источников электропитания.

Импульсные, или ключевые, источники электропитания в настоящее время получили распространение не меньше, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основными достоинствами являются: высокий коэффициент полезного–действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность. Все перечисленные свойства эти источники питания получили благодаря применению ключевого режима при работе силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка транзистора большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. При этом в области насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки в транзисторе отсутствуют ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Все это приводит к тому, что средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейном регуляторе. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению охлаждающих радиаторов.

Улучшение массогабаритных характеристик источника питания обусловлено прежде все тем, что из схемы источника питания обусловлено прежде всего тем, что из схемы источника питания исключается силовой трансформатор, работающий на частоте 50 Гц. Вместо него в схему вводится высокочастотный трансформатор или дроссель, габариты и масса которых намного меньше низкочастотного силового трансформатора.

К недостаткам импульсных источников электропитания обычно относят: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличенные пульсации выходного напряжения. Большое время выхода на рабочий режим. Сравнительные характеристики обычных (т.е. с силовым трансформатором) и импульсных источников питания приведены в табл. 32.1.

Сравнение этих характеристик показывает, что КПД импульсных источников питания увеличивается по сравнению с линейными в отношении 2:1, а удельная мощность возрастает в отношении 4:1. При повышении частоты преобразования 20 кГц до 200 кГц удельная мощность увеличивается в отношении 8:1, т.е. почти в два раза. Импульсные источники питания имеют большее время удержания выходного напряжения при внезапном отключении питания, это обусловлено тем, что в сетевом выпрямителе используются конденсаторы большой емкости и с высоким рабочим напряжением (до 400 В).

Сравнительные характеристики импульсных и линейных ИВЭП

При этом размеры конденсатора растут пропорционально произведению CU, а энергия конденсатора пропорциональна СU². Этой энергии конденсатора сетевого выпрямителя достаточно для поддержания в рабочем состоянии источника, питания в течении времени до 30 мс, что очень важно для сохранения информации в компьютерах при внезапном отключении питания.

Рис. 32.1. Обобщенная структурная схема импульсного источника электропитания

В тоже время пульсации выходного напряжения в импульсных источниках питания больше, чем у линейных, что обусловлено сложностью подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразователя. Другие характеристики у этих источников практически совпадают.

Обобщенная структурная схема импульсного источника питания приведена на рис. 31.1. Она состоит из четырех основных блоков:

Ø Сетевого выпрямителя с емкостным фильтром;

Ø Высокочастотного инвертора выпрямленного напряжения сети;

Ø Устройства управления высокочастотным инвертором (обычно это специализированная микросхема управления);

Ø Выходного высокочастотного выпрямителя с емкостным фильтром.

В тоже время пульсации выходного напряжения в импульсных источниках питания больше, чем у линейных, что обусловлено сложностью подавления коротких импульсов при работе импульсного преобразователя. Другие характеристики у этих источников практически совпадают.

Поскольку принципы построения входного и выходного выпрямителей рассмотрены в Лекции 30, то ниже будут рассмотрены принципы построения высокочастотных регулируемых инверторов, а в Лекции 33 будут рассмотрены специализированные микросхемы управления импульсными ИВЭП.

Высокочастотный инвертор и устройство управления совместно образуют импульсный преобразователь, который может быть индуктивным или емкостным. Наибольшее распространение в импульсных ИВЭП получили индуктивные импульсные преобразователи, которые можно разделить на дроссельные (или автотрансформаторные) и трансформаторные. Емкостные (конденсаторные) преобразователи находят ограниченное применение – для инверсии полярности или удвоения (умножения) напряжения. Обычно они представляют собой устройства с переключаемыми конденсаторами и используются для питания маломощных нагрузок.

Дроссельные и автотрансформаторные преобразователи относят к разряду импульсных стабилизаторов напряжения, которые делят на три группы: понижающие, повышающие и инвертирующие.

Особенностью импульсных стабилизаторов является их гальваническая связь с питающей силовой сетью. Для исключения гальванической связи на входе импульсного стабилизатора иногда включают силовой трансформатор, однако это снижает удельную мощность.

Трансформаторные импульсные преобразователи не имеют гальванической связи с сетью, однако их удельная мощность ниже, чем у дроссельных. Трансформаторные преобразователи можно разделить на однотактные и двухтактные. В однотактных преобразователях энергия передается на выход только в течение одной части периода преобразования. Если энергия передается при включенном силовом ключе, то такой преобразователь называют прямоходовым (Forward). Если же энергия передается при выключенном состоянии силового ключа, то преобразователь называют обратноходовым (Flyback).

Двухтактные преобразователи делят на двухфазные (Push-Pull), мостовые (Full-Bridge). В двухтактных преобразователях используются обе части периода преобразования. В отличие от однотактных двухтактные преобразователи работают без подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.

Рассмотрим работу ключевого источника питания, пользуясь обобщенной структурной схемой, приведенной на рис. 32.1. Гармоническое напряжение сети (50 или 60 Гц) выпрямляется сетевым выпрямителем и заряжает конденсатор фильтра, имеющий достаточно большую емкость. Большая емкость фильтра сетевого выпрямителя обеспечивает низкие пульсации выпрямленного напряжения и увеличивает время удержания выходного напряжения. При емкости фильтра 100 мкФ и потребляемой мощности 100 Вт время удержания составляет примерно 30 мс. При напряжении питающей сети 220 В напряжение на емкости составляет примерно 300 В.

Это напряжение поступает на вход импульсного преобразователя, который преобразует его в высокочастотные импульсы прямоугольной формы. Частота импульсного напряжения обычно лежит в пределах от 20 до 200 кГц. С увеличением частоты преобразования увеличивается удельная мощность, но одновременно растут потери в элементах преобразователя, что приводит к снижению КПД.

С выхода преобразователя напряжение поступает на высокочастотный выпрямитель с емкостным фильтром. При высокой частоте преобразования к элементам выпрямителя и фильтра предъявляются очень жесткие требования: время восстановления обратного сопротивления выпрямительных диодов должно лежать в пределах от 10 до 100 нс, а емкость фильтра не должны иметь индуктивности.

В большинстве случаев высокочастотный инвертор работает на фиксированной частоте, а регулирование выходного напряжения обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов. Широтно-импульсное регулирование выполняется при помощи схемы управления, на вход которой передается выходное напряжение. Для обеспечения гальванического разделения выхода от силовой сети в трансформаторных схемах инверторов обычно используются различные типы устройств гальванической развязки: оптроны, трансформаторы, изолирующие усилители и др. Формы управляющих сигналов при широтно-импульсной модуляции приведены на рис. 32.2. Глубина широтно-импульсной модуляции характеризуется коэффициентом заполнения g=t_и/Т, где t_и длительность импульса управления, а Т= f^—1 – период повторения. Если длительность импульса составляет половину периода, то g=0,5, т.е. 50%. При увеличении длительности импульса коэффициент заполнения растет до 100%. В общем случае коэффициент заполнения 0<=g<=100%.

Способ получения широтно-модулированных импульсов показан на рис. 32.2 б. В схеме, приведенной на рис. 32.1, вначале формируется сигнал ошибки u_ош (рассогласования). Для этого на вход схемы управления подается выходное напряжение U_вых, которое сравнивается в усилителе сигнала ошибки (УСО) с опорным напряжением U_оп, с создаваемым специальным источником опорного напряжения (ИОН).

В схеме широтно-импульсного модулятора (ШИМ) сигнал ошибки u_ош сравнивается с линейно растущим напряжением пилообразной формы u_пт. Если за исходное состояние ШИМ принять, что u_ош=U_пт/2, U_пт – максимальное значение пилообразного напряжения. То получим, что в исходном состоянии коэффициент заполнения g₀=50%.

При увеличении выходного напряжения U_вых> U_{вых.ном} сигнал ошибки также увеличивается U_ош<U _пт/2, а длительность импульса управления уменьшается, как показано на рис. 32.2 б.

При уменьшении віходного напряжения U_вых < U_{вых.ном} сигнал ошибки уменьшается U_ош<U _пт/2, а длительность импульса увеличивается.

Изменение длительности импульса t_n приводит к изменению времени включенного состояния силового транзисторного ключа и, следовательно, к пропорциональному изменению выходного напряжения. Таким образом, в регулируемом ШИМ-инверторе обеспечивается стабилизация выходного напряжения.

Рис. 32.2. Форма импульсов при широтно-имульсной модуляции (а)

и способ их получения (б)