студента ЭНИ группы ЭЭм-

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

по дисциплине «ПРИМЕНЕНИЕ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ И МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ В ЭЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСАХ»

 

на тему:

РАЗРАБОТКА ПОНИЖАЮЩЕГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

 

студента ЭНИ группы ЭЭм-

 

Направление 13.04.02 – «Энергетика и электротехника»

профиль «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

 

 

Руководитель работы

___________________ (подпись, дата)

Выполнил студент Гр. ЭЭМ-__________________ (подпись, дата)

 

 

Омск 2015

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Задание на разработку

Задание на разработку понижающего преобразователя постоянного напряжения (DC\DC преобразователя) включает в себя совокупность исходных данных, приведенных в таблице 1. В процессе выполнения задания необходимо решить нижеследующие задачи:

1. Составить принципиальную схему понижающего преобразователя вычерченную в соответствии с единой конструкторской документацией, и дать её описание.

2. Провести статический расчет DC/DC преобразователя.

3. Определить основные параметры понижающего преобразователя по результатам проведенного расчета

 

Таблица 1. Исходные данные

 

Параметр	Числовое значение
Выходное напряжение Uвых, В
Относительная нестабильность входного напряжения d+=d-	0,2
Коэффициент пульсаций входного напряжения, aп	0,05
Допустимая амплитуда пульсаций выходного напряжения, В	2,5
Максимальный ток нагрузки, А

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Выбор схемы понижающего преобразователя

 

 

В импульсных стабилизаторах нагрузка периодически отключается от источника питания. Среднее значение выходного напряжения поддерживается малоизменяющимся за счет вариации относительной длительности включенного и отключенного состояния. Достоинство такого способа состоит в том, что силовой регулирующий элемент схемы (транзистор), работающий в ключевом режиме, рассеивает относительно малую мощность.

 

В настоящее время находят все более широкое применение релейные импульсные стабилизаторы напряжения, в которых функцию схемы сравнения выполняет двухпозиционный релейный элемент. Этот элемент может иметь как гистерезисную, так и безгистерезисную выходную характеристику. При гистерезисной характеристике «срабатывание» и «отпускание» релейного элемента происходит при разных значениях входного сигнала. В настоящее время рекомендуется применять релейные стабилизаторы с гистерезисной характеристикой. Релейность обеспечивает схемную простоту устройства, а гистерезисность дает возможность облегчить условия проектирования фильтровой части схемы.

 

Обязательной принадлежностью импульсного стабилизатора является фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживание его пульсаций. В данном проекте используется схема, изображенная на рисунке 1. В этой схеме фильтр не охватывается петлей обратной связи, в контур которой вводится дополнительный RC-фильтр Ф. Поскольку фильтр Ф не включен в силовую цепь то его параметры выбираются только исходя из заданной частоты переключений. Таким образом, в схеме (рис. 1) фильтровые функции в контуре обратной связи и в цепи нагрузки разделены между двумя узлами, каждый из которых может быть выбран наиболее рациональным способом. Следует отметить, что выходное сопротивление релейного стабилизатора не может превышать омическое сопротивление дросселя.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Рисунок 1. Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения.

 

В соответствии со всем вышеизложенным на рисунке 2 приведена электрическая принципиальная схема импульсного релейного стабилизатора, постороенного по структурной схеме (рис. 1). На входе компаратора происходит сравнение напряжения, поступающего с выхода дополнительного фильтра Ф, с напряжением опорного источника (ИОН-Д2). Чтобы обратная связь, имеющаяся в схеме, была отрицательной, усилитель У (Т1, Т2) должен быть выполнен инвертирующим.

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Проектирование элементов импульсного стабилизатора.

 

Расчет схемы релейного импульсного стабилизатора целесообразно начинать с выбора транзистора для силового ключа (VТ3), поскольку этот транзистор находится в наиболее тяжелом энергетическом режиме. Минимально допустимый ток коллектора транзистора должен удовлетворять условию:

 

(1)

где =1,3..1,5 – коэффициент запаса, учитывающий пульсации тока

 

Для минимизации усредненной мощности целесообразно выбирать минимальный период переключений релейного стабилизатора много большим суммарной длительности переключений, а именно:

 

(2)

При этом не рекомендуется, чтобы максимальная частота переключений была слишком большой. Для силовых полевых транзисторов частота переключений не превышает 10-15 кГц, в данном случае принимаем 10 кГц. Этой частоте соответствует период переключений 100 мкс.

 

Задаемся максимальной скважностью

 

(3)

Тогда максимальное мгновенное значение входного напряжения можно будет определить по формуле (4):

 

(4)

Максимальное допустимое напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT3 должно удовлетворять условию (5):

 

(5)

Далее по справочным данным необходимо выбрать подходящий силовой MOSFET транзистор, однако в ассортименте MOSFET-транзисторов нет

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

приборов на такое напряжение, таким образом, необходимо выбрать биполярный транзистор с изолированным затвором, удовлетворяющий (1) и (2).

 

Этим двум условиям в полной мере удовлетворяет транзистор марки CM50TF-12H с напряжением коллектор-эмиттер 600 В и максимальным током коллектора 50 А. Подробные параметры этого биполярного транзистора приведены в таблице 2.

 

Таблица 2. IGBT-транзистор.

 

Тип прибора

Предельные параметры

Электрические характеристики

Uce(sat), В

Сies, нф

Coes, нф

Cres, нф

td(on), нс

tr, нс

td(off), нс

tf

Uces, В

Ic, А

Pc, Вт

типовое

макс

СМ50TF-12H

2,1

2,8

1,8

 

 

Обратный диод	Тепловые и механические параметры
Rth(с-f), оС/Вт	IGBT	Диод	Масса, г
Uf	trr	Rth(j-f), оС/Вт
2,8		0,25	0,5

 

Зная максимальное входное напряжение, можно определить его среднее и минимальное значения (6-7).

 

(6)

 

(7)

Минимальному входному напряжению соответствует минимальный коэффициент скважности и минимальная частота переключений (8):

 

(8)

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

(9)

По известным параметрам также можно определить составляющие мощности рассеяния на коллекторе транзистора VT3 на максимальной и на минимальной частоте переключений:

-на максимальной частоте переключений (10-11)

(10)

 

(11)

Суммарная мощность на транзисторе (12):

 

 

(12)

-при минимальной частоте переключений

 

(13)

(14)

Суммарная мощность на транзисторе VT3 (15):

 

(15)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Определяем площадь охладителя, по наибольшей из мощностей, полученных по формулам (12) и (15) и с учетом параметров IGBT-транзистора можно выбрать типовой охладитель для VT3.

Выберем радиатор типа BF-01 c высотой ребер 200 мм, шириной 30.5 мм, толщиной подложки 8.5 мм и толщиной ребра 0.8.

 

Транзисторы VT1 и VT2 двухкаскадного усилителя работают также двухпозиционно: во включенном состоянии транзистор VT1 находится в режиме насыщения, транзистор VT2 – в режиме отсечки; в отключенном состоянии транзистор VT2 находятся в режиме насыщения. Выбор элементов усилителя (VT1, VT2, R6) должен быть осуществлен таким образом, чтобы обеспечить проводящее состояние транзистора VT3 и его ключевые параметры при максимальном токе нагрузки , минимальном входном напряжении .

 

При выборе, обратим внимание, что транзистор VT2 работает как ключ и во включенном состоянии через него проходит коллекторный ток. Транзистор этот имеет небольшой ток, но высокое напряжение. Коллекторный ток определяется из соотношения (16):

(16)

 

Где R6 в цепи затвора IGBT рекомендуется выбирать в пределах от 100 до 200 Ом. E1 – напряжение независимого источника, рекомендуется значение (16..20) В.

 

При выборе транзистора стоит обратить внимание, на то, что напряжение коллектор-эмиттер транзистора должно быть больше чем суммарное выходное напряжение (17).

 

(17)

Выберем транзистор, рассчитанный на напряжение (17) и выдерживающий ток (16). Этим двум условиям в полной мере удовлетворяет транзистор КТ850А, имеющий напряжение коллектор-эмиттер 200 В, максимальный ток коллектора 2 А и коэффициент усиления по току 40.

 

Ток базы I_VT2 требуемый для надежного насыщения в проводящем состоянии транзистора можно определить по выражению (18).

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

(18)

Этот же ток будет являться током коллектора VT1. Обратим внимание, на то, что при включении VT1, VT2 – выключается. В связи с этим VT1 целесообразно выбирать маломощным n-p-n типа с коллекторным током более 17 мА.

 

Вышеуказанным условиям в полной мере удовлетворяет кремниевый транзистор марки КТ306А, имеющий нижеследующие параметры:

 

Для расчета сопротивления R5 необходимо задать величину выходного напряжения параметрического стабилизатора VD1, VD2. Начнем с выбора компаратора. Компаратор выбираем типа К521СА3 (интегральный компаратор напряжения) с коэффициентом усиления 100.000 с маркировкой выводов указанной на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Маркировка выводов компаратора

 

Напряжения питания для компаратора однополярное до 36 В. В данном случае +16 В, которое должно обеспечиваться двумя стабилитронами VD1 и

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

VD2. Сопротивление R1 обеспечивает протекание тока в компараторе, в резисторе R5 и в стабилитронах. Выходной ток компаратора является одновременно и током базы транзистора VT1, принимаем его равным

 

Выбираем два стабилитрона марки 2С190Б. Напряжение стабилизации номинальное (I_ст=10 мА)=9 В для диапазона температур (-60+120) ^оС. Максимальный ток стабилизации у этих стабилитронов 15 мА у каждого.

 

Для определения балластного сопротивления R1 найдем протекающий через него ток(19):

 

(19)

Саму величину сопротивления вычислим исходя из соотношения (20):

 

 

(20)

Выберем ближайшее стандартное значение в 4.3 кОм, необходимо рассчитать величину мощности, рассеваемой на таком резисторе, сделать это можно исходя из соотношения (21):

 

(21)

В случае высокого входного напряжения имеет смысл организация отдельного источника от питающей сети с емкостной развязкой.

 

Кроме того необходимо рассчитать сопротивление резистора R5, сделать это можно исходя из соотношения (22):

 

(22)

Выбор диода VD3, работающего в ключевом режиме, следует производить в соответствии с условиями (23):

(23)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

где - максимально допустимый ток диода, -максимально допустимое обратное напряжение диода. Помимо вышеуказанного, к диоду предъявляется такое требования, как быстродействие, т.е. он должен быть импульсным. Всему вышеизложенному в полной мере удовлетворяет диод MBR6040 с параметрами, указанными в таблице 3.

 

 

Таблица 3. Сверхвысокочастотный диод MBR6040

 

Параметр
Значение			1.5

 

При расчете компаратора необходимо задаться таким коэффициентом положительной обратной связи , чтобы для минимального значения коэффициента усиления с запасом выполнялось условие генерации, т.е.

 

(24)

Сопротивление резистора R4, как правило, не должно превышать 50-100 кОм (100 кОм в данном случае). Резистор R3, защитный во входной цепи, смещает гистерезисную петлю компаратора на величину , где - входной ток. Его сопротивление можно ограничить значениями 5-10 кОм. В данном случае примем 10 кОм.

(25)

 

При расчете резистивного делителя стабилизатора целесообразно задаться достаточно высокоомным сопротивление резистора R7. Достаточным значение можно считать сопротивление резистора R7=50-100 кОм, в данном случае примем 51 кОм, а сопротивление R8 определим из соотношения (26):

(26)

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Для определения емкости конденсатора C1 фильтра Ф необходимо задаться шириной гистерезисной петли компаратора, что потребует введения дополнительного сопротивления R*, величину которого можно определить, зная величину сопротивления R5 (27):

(27)

Для такого сопротивления ширина гистерезисной петли компаратора будет равна 1.8 В. Емкость конденсатора С1 можно найти из соотношения (28):

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

(28)

 

Емкость конденсатора С2 выбирается по конструктивным соображениям и, как правило, составляет: 1-10 мкФ при =0.1-1 Вт, 10-100 мкФ при =1-10 Вт…., однако, из практических соображений и для снижения габаритов понижающего преобразователя стоит ограничить емкость конденсатора C2 значением 40000 мкФ.

 

Индуктивность импульсного фильтра выбирается с учетом принятой величины амплитуды пульсаций на выходе фильтра (29) и по относительной величине изменения тока индуктивности (30) за время (сравнительно с током ).

(29)

(30)

Окончательно принимаем индуктивность импульсного фильтра 900 мкГн.

 

Обратим внимание, на то, что в ходе проектирования в схему был внесен ряд изменений, как то:

1. Добавлено сопротивление R* для обеспечения релейных свойств схемы

2. Из-за отсутствия подходящего транзистора в ассортименте MOSFET транзисторов был применен транзистор типа IGBT

В соответствии с вышеизложенным, схема примет свой окончательный вид (рисунок 4).

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Принцип работы схемы

Схема имеет релейный принцип действия, при этом порог включения и выключения задается гистерезисом компаратора. При замкнутом VT3 + ослабляется делителем R7, R8, интегрируется емкостью С1 и поступает на вычитающий вход компаратора. воспроизводится за счет обратной связи и повторяется на выходе. При срабатывании компаратора на вход подается «-» и на выходе имеем отрицательный перепад. Диод закрывается и ключ замыкается.

 

 

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

Список литературы (устаревший)

1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи. – М.: Транспорт, 1999. – 464 с.

2. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 320 с.

3. Руденко В.С., Сеньков В.И. Основы промышленной электроники. – Киев.: Вища школа, 1985. – 400 с.

4. Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. – СПб.: Корона, 1998. – 400 с.

5. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И.М. Чиженко. Киев: Техника, 1978. – 447 с.

6. Тиристорные преобразователи напряжения Т44 для асинхронного элек-тропривода / О.А. Андрющенко, Л.П. Петров и др. – М.: Энергоатомиз-дат, 1986. – 200 с.

7. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM РС. – М.: Солон-Р, 1999. – 506 с.

8. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупровод-никовые приборы: Справочник. 2-е изд., перераб. и дополн. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 512 с.

9. Справочник по проектированию электроснабжения / Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.