Рубрики
Электрическая сопоставимость

Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.1

Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.1 Саркис Эраносян Владимир Ланцов В статье подведены итоги эволюции нового класса импульсных

Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.1 Саркис Эраносян Владимир Ланцов

В статье подведены итоги эволюции нового класса импульсных источников вторичного электропитания (ИВЭ), которые позволяют приступить к анализу путей совершенствования блоков питания. Рассмотрены соответствующие особенности развития импульсных ИВЭ как в историческом, так и в научно-техническом нюансе эволюции средств электропитания. Приведены особенности эволюции ИВЭ в части компонентной базы с 1965 по 2005 год. Отмечены предпосылки роста научного потенциала как разработчиков импульсных ИВЭ, так и производителей компонентной базы средств электропитания. Тщательно изложены итоги эволюции силового главного элемента, также материалов и компонент, используемых в импульсных источниках нового класса. При всем этом повышенное внимание создатели уделяют тем компонентам, без которых нереально проектировать высокочастотные преобразователи, используемые в сетевых блоках питания нового класса.

Все статьи цикла:

  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 1
  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 2
  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 3
  • Эволюция импульсных источников питания: от прошедшего к будущему. Часть 4
  • Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5
  • Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.1
  • Эволюция импульсных источников вторичного электропитания: от прошедшего к будущему. Часть 5.2

В предшествующей статье [1] нами был завершен анализ главных и личных технических заморочек, возникающих в процессе сотворения надежных импульсных сетевых блоков питания. Изложены главные концепции построения систем защиты по току главных силовых частей транзисторного преобразователя. Тщательно и аргументированно доказана необходимость введения в бестрансформаторные источники вторичного питания (БИВЭ) операции ограничения на неопасном уровне аварийного тока через силовые транзисторы при работе схем защиты от перегрузок по току в предельных режимах. Показаны особенности развития и внедрения российскей и забугорной компонентной базы, которая использовалась в процессе разработки БИВЭ в период с 1990 до 2005 г. Приведены главные тенденции совершенствования схем управления импульсных ИВЭ с учетом развития технологии их производства и миниатюризации компонентной базы.

Процесс развития импульсных источников питания

Для того чтоб более точно представить итоги эволюции импульсных ИВЭ с 1965 г. до наших дней, целенаправлено провести их многосторонний анализ. Он позволит проследить общие пути научно-технического прогресса, обычно выявляемые при исследовании процесса эволюции ИВЭ с различных позиций (граней) научно-технического миропонимания в обществе. Следуя этим рассуждениям, разглядим развитие импульсных ИВЭ с разных сторон.

Исторический нюанс эволюции ИВЭ

Как уже указывалось, принято началом развития импульсных ИВЭ считать 1960-1965 годы. В этот период в технике средств электропитания и вычислительной технике доминировали электровакуумные приборы. При этом в главном режиме они использовались, обычно, в схемах автогенераторов, блокинг-генераторов, также в выпрямительных схемах начиная с мощностей 20-50 Вт прямо до массивных ртутных выпрямителей (игнитроны, тиратроны т.п.). Последние использовались как для питания обмоток возбуждения движков неизменного тока, так и для силового управления скоростью вращения мотора по цепи якоря.

Импульсные ИВЭ вначале применялись в аппаратуре оборонного предназначения в качестве стабилизаторов напряжения либо тока. Равномерно они пришли на замену линейным стабилизаторам на электровакуумных устройствах. Наибольшее воздействие и, можно сказать, толчок к широкому использованию импульсных ИВЭ был получен сначала 1960-х годов, когда появились 1-ые полупроводниковые приборы — транзисторы и диоды. Некое время в качестве выпрямительных диодов применялись 1-ые полупроводниковые селеновые выпрямители. Конкретно с началом широкого использования полупроводниковой техники обнаружилось их бесспорное преимущество перед электровакуумными устройствами: они не добивались для собственных номинальных режимов работы больших напряжений (100-300 В), также принципно не имели неотклонимых для всех типов первых электровакуумных ламп особых цепей накала. Фактически, благодаря последним в электровакуумных устройствах и возникало катодное излучение пучка электронов либо других заряженных частиц, что давало возможность управлять потоком энергии (током) через анодные цепи электровакуумных ламп. После возникновения транзисторов управлять потоком энергии стало может быть и при относительно низких номинальных напряжениях — от 6-12 В до 80-100 В, что позволило достигнуть относительной безопасности и поболее высочайшей технологичности блоков питания. Обозревая историю, мы увидим, что в качестве основного регулирующего звена в импульсных ИВЭ в предстоящем будет употребляться электрический (либо магнитный) тип главного силового прибора. Потому справедливо утверждать, что тот либо другой тип силового ключа диктует способности и схематические аспекты в процессе развития импульсных ИВЭ. Отсюда следует, что эволюция импульсных ИВЭ в главном определяется эволюцией главного силового элемента. В согласовании с этим в импульсном ИВЭ естественно возникновение регулирующего элемента, выполненного в виде цепи, в какой в качестве основного прибора применено последовательно-параллельное включение разных компонент. Эти силовые составляющие, опуская 1-ый элемент (электровакуумный), можно расположить в последующей очередности:

  • магнитный усилитель (дроссель насыщения), применяемый в главном в цепях переменного либо пульсирующего тока;
  • двухслойные и трехслойные полупроводниковые приборы: диоды и транзисторы, применимые в однополярных цепях. Но в поочередном соединении композиция диод-транзистор может, к примеру, употребляться в регулируемых системах напряжения на стороне как переменного тока, так и выпрямленного пульсирующего напряжения;

  • четырехслойные приборы: тиристоры, сими-сторы (триаки). Отметим, что управляемые напряжением двухэлектродные приборы — динисторы — использовались, в главном, в цепях переменного тока либо на стороне выпрямленного напряжения;

  • синтезированные, интегральные приборы, дозволяющие использовать в одном изделии элементы, использующие различные виды преобразования энергии напряжения либо тока. Посреди их, а именно, упомянем оптоти-ристор. Так, можно использовать в изделии силовой тиристор, включив в его цепь управления оптронный прибор. При всем этом ток, протекающий по цепи диодика, позволяет в цепи фототранзистора сформировать развязанный от первичного тока импульс для пуска силового прибора (тиристора). Для гальванической развязки высоковольтной и низковольтной цепей от низкопотенциальной системы управления (к примеру, в цепях оборотной связи) используются маломощные интегральные приборы, к примеру, диодные и транзисторные оптроны.

В отдельный тип силовых главных устройств целенаправлено выделить показавшиеся в 1980-1990-х годах последующие приборы:

  1. Полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), позволившие существенно уменьшить энергию управления по сопоставлению с базисными цепями биполярных транзисторов, также приметно прирастить импульсные токи через транзистор. При всем этом осязаемо сократилось время переключения электрического ключа из запертого состояния в открытое (30-50 нс). В MOSFET-транзисторах отсутствует таковой параметр биполярного транзистора, как время рассасывания лишних (неосновных) носителей, накапливающихся, в главном, в базе силового транзистора. Необходимо подчеркнуть, что определенную иннерционность при выключении полевой транзистор все таки имеет: это разъясняется тем, что в процессе его выключения нужно некое время для разряда емкости Миллера (сток-затвор).

  2. Транзистор IGBT — силовой ключ, основанный на соединении массивного биполярного транзистора (с P-каналом) и полевого транзистора (с N-каналом), который служит для коммутации цепи управления силовым транзистором. К огорчению, в этой структуре находится неувязка времени рассасывания, объясняемая специфичными качествами хоть какого биполярного транзистора. Это событие в значимой степени ограничивает частотные способности данного прибора в импульсных источниках питания. В текущее время частота его работы на практике составляет менее 50-100 кГц.

В заключение изложения исторического нюанса эволюции импульсных ИВЭ отметим, что в текущее время в той либо другой степени используются практически все виды главных устройств. Только любой из их занял свою нишу. Так, и массивные, и запираемые тиристоры могут применяться в системах электропривода на 100-1000 кВт и поболее. В наименьшей степени употребляются высокочастотные магнитные усилители, в ряде всевозможных случаев применимые в массивных низковольтных (2-5 В) цепях на выходные токи 500-1000 A [2]. В основной массе импульсных ИВЭ различной мощности (от 10-ов до тыщ Вт) используются полевые транзисторы, работающие на частотах 150-300 кГц.

Научно-технический нюанс эволюции ИВЭ Особенности эволюции компонентной базы ИВЭ

С самого начала 1960-х годов меж разработчиками импульсных ИВЭ и проектировщиками электрических и магнитных компонент была тесноватая связь. Разработчики блоков питания ставили перед изготовителями компонент задачки по получению новых магнитных материалов либо электрических устройств. При всем этом, получая новинки, разработчики часто находили в их новые многообещающие способности, благодаря которым можно было достигнуть более больших потребительских параметров блоков питания. С другой стороны, требования изготовителей компонент для импульсных ИВЭ «вынуждали» разработчиков перебегать к новым видам импульсных источников питания. Так, общеизвестен факт отказа производителями телевизоров (когда их создание в мире стало исчисляться десятками миллионов штук в год) от массового внедрения в этих изделиях низкочастотных сетевых трансформаторов. Такое требование было вызвано не только лишь тем, что эти трансформаторы существенно повышали габариты и вес телевизионных приемников, да и повышением цены изделий в целом (происходил непрерывный рост глобальных цен на медь, связанный, а именно, с недостатком этого материала). Выходом из положения стала подмена низкочастотных трансформаторов (50, 60, 400 Гц и т. д.) на высокочастотные (десятки-сотни кГц), в каких содержание меди было на несколько порядков меньше. Фактически, этот шаг и привел к окончательному массовому внедрению бестрансформаторных сетевых ИВЭ, основанных на высокочастотном преобразователе, питающемся конкретно от выпрямленного сетевого напряжения. В сумме эти происшествия привели к значительному прогрессу в разработке электрических компонент для блоков питания. Идет речь сначала о высокочастотных транзисторах и быстродействующих диодиках, основанных на барьере Шоттки, и fast-диодах (так именуемых «диодах с узкой базой», Fast Recovery диодиках).

Другой пример взаимовлияния разработчиков импульсных ИВЭ, изготовителей многофункциональных изделий РЭА и домашней техники и изготовителей компонент заключался в последующем. При повышении частот преобразования в импульсных ИВЭ с 3 до 20 кГц оказалось, что в критериях массового производства обширно используемые для трансформаторов (в 1960-1975 годы) пермаллоевые сплавы оказались неприемлемо дороги. Это разъяснялось сложностью технологии получения узкой (15-30 мкм) ленты, также следующих процессов отжига и намагничивания, нанесения слоя изоляции на ленту и, в конце концов, фактически «намоткой» сердечника. В окончание этого процесса нужно было поместить сердечник в контейнер, который заливался особым компаундом. Применение в оборонных отраслях таких магнитопроводов было оправданно, невзирая на их дороговизну. Но для изделий широкого употребления стоимость такового сердечника была очень высока. Научные поиски привели к возникновению новых ферритовых сердечников, которые изготавливались методом «спекания» порошкового материала в особых пресс-формах. Таким макаром магнитопроводам можно было придать фактически всякую форму. В критериях производства (десятки-сотни тыщ штук) их стоимость могла быть довольно низкой.

Вобщем, необходимо подчеркнуть, что по своим магнитным свойствам и удельным потерям в материале пермаллоевые сплавы с шириной ленты 15 мкм при частотах работы от 5 до 15 кГц не уступали ферритовым сердечникам. Даже материал 79НМ имел индукцию насыщения 0,7 Тл, что практически в 3 раза выше, чем аналогичный параметр у ферритов. К примеру, силовой трансформатор на сердечнике 79НМ, разработанный в 1972 г. в ЦНИИ «Гранит» (Ленинград), при работе на частоте 6,5 кГц в блоке с выходной мощностью 400 Вт имел удельную мощность Руд = 400 Вт/дм³. А трансформатор на ферритовом сердечнике, разработанный в ОКБ «Радуга» (также Ленинград) в 1978 г., работающий на частоте 20 кГц в блоке мощностью 80 Вт, имел тот же удельный показатель. Это показывает бесспорные плюсы материала 79НМ, потому что чем выше частота работы, тем обычно существенно выше удельная мощность трансформатора. Заметим, что в этой удельной характеристике оценивается не габаритная мощность трансформатора, а удельная мощность согласно формуле Руд = PН/Vтр , где PН — номинальная выходная мощность блока питания в Вт, в каком работает этот трансформатор, а Vтр — его объем в дм³.

Рост научного потенциала разработчиков ИВЭ и компонент

Другой принципиальной особенностью эволюции импульсных ИВЭ является непрерывный рост научного потенциала как разработчиков ИВЭ, так и разработчиков важных компонент средств электропитания. Это разъясняется не только лишь безпрерывно растущей сложностью импульсных источников питания, но также фактически непрерывным повышением частоты работы силового главного элемента с 3-5 до 150-300 кГц. При всем этом разработчикам импульсных ИВЭ часто приходилось решать сложные задачки по обеспечению стойкости системы регулирования силового преобразования энергии в блоке питания. Рвение сделать лучше массогабарит-ные свойства импульсных ИВЭ привело к созданию БИВЭ с высокочастотными преобразователями, работающими на частоте 150 кГц. В 1975 г. сетевые блоки питания с импульсными главными стабилизаторами в наилучших случаях имели Руд = 25 Вт/дм³. В текущее время наилучшие эталоны БИВЭ имеют Руд = 250-350 Вт/дм³ и поболее — при выходных мощностях блока питания 800-2000 Вт. Значительному росту профессионализма разработчиков импульсных ИВЭ содействовала также действенная система получения, обработки и обмена информацией, сложившаяся к 1970 г. в СССР. Главные особенности этой системы заключалась в последующем.

  • В каждом большом научно-техническом учреждении (ЦНИИ, НИИ, ОКБ) имелся отдел либо бюро инфы (ОНТИ). В их, обычно, входили патентный отдел, группа переводчиков и т. п. Подразделения ОНТИ получали новейшую информацию от центрального института научно-технической инфы (Москва) в виде списка с аннотациями вновь изданных книжек, повторяющихся журналов и других видов печатной продукции, в том числе и патентной инфы. В головные университеты главных 9 министерств и в другие большие учреждения, также производственные объединения поступали эталоны книжек и списки аннотированных библиографических ссылок. Все это — в согласовании с определенной темой (видом отрасли индустрии), при этом данная информация обновлялась не пореже 1-го раза за месяц. Дальше на местах в библиотеки приходили особые представители отделов либо лабораторий, делавшие надлежащие выписки по своим фронтам техники. Потом в отдельных коллективах они докладывали о новинках повторяющейся печати — как российскей, так и забугорной. После анализа приобретенной инфы принималось решение о запросе нужных информационных материалов через ОНТИ из центрального фонда в Москве либо других учреждений. Система работала фактически без сбоев, можно было получить подходящий источник инфы приблизительно в течение 1-го месяца после отправки запроса.

  • Активному обмену новыми достижениями содействовало постоянное проведение научно-технических конференций и семинаров по отраслям техники и науки. В части разработки средств электропитания в Ленинграде раз в два года проводилась особая конференция разработчиков ИВЭ. Начиная с 1968 г. в Киеве раз в 4 года стали проводиться всесоюзные конференции по преобразовательной технике. Любой из участников мероприятий мог приобрести книжки с тезисами всех докладов. Также проводились особые семинары для ведущих профессионалов по средствам электропитания, которые организовывались, обычно, головными ЦНИИ и учреждениями представителя заказчика. К примеру, большой популярностью посреди инженеров и научных работников воспользовались семинары в Москве в Доме научно-технической пропаганды (ДНТП), в Ереване в институте математических машин (ЕРНИИММ), также в Минске, Вильнюсе, Севастополе, Мытищах и т. д. При этом на эти конференции и семинары непременно приглашались разработчики всех компонент и материалов, нужных при производстве ИВЭ, — от изготовителей полупроводниковых устройств, конденсаторов и разъемов до разработчиков новых технологических материалов и оборудования. Таким макаром, спецы — разработчики ИВЭ и силовых преобразователей — были в курсе всех новых устройств, материалов и направлений в технике и технологии как в части проектирования изделий, так и процесса производства и опции разных узлов и систем электропитания.

Нужно также отметить, что если некие публикации забугорной прессы представляли энтузиазм для профессионалов, то материал (к примеру, статья либо патент) направлялся в ОНТИ для перевода. К примеру, в ЦНИИ «Гранит» были штатные переводчики по главным техническим языкам: британский, германский, японский. Если появлялась необходимость перевода с другого языка, то использовались штатные переводчики из Ленинградского муниципального института. После перевода текста материал направлялся спецу по этому направлению техники для редактирования и уточнения неких аспектов перевода. Дальше этот материал передавался в типографию предприятия и печатался под особым номером. Один экземпляр отчаливал в Москву, куда поступали переводы фактически из всех источников забугорной инфы, выполнявшиеся ОНТИ. Также все заинтригованные предприятия централизованно оповещались о том, что появился новый перевод и он размещен в соответственном источнике инфы. Не считая того, часто выпускались аннотированные указатели новых переводов по рубрикам техники. В качестве иллюстрации эффективности функционирования таковой системы инфы приведем список событий и публикаций, который имел место в ЦНИИ «Гранит» в 1969-1971 годах при разработке массивного блока питания для модулятора СВЧ-передатчика (200 В, 4 А). Действия развивались последующим образом:

  • В 1968 г. в СССР появились бывалые эталоны тиристоров (УД63, УД64) с допустимым напряжением 300-400 В на ток 10 А.

  • В 1969 г. при разработке регулируемого выпрямителя, питающегося от сети 400 Гц, было найдено явление подмагничивания сердечника силового трансформатора в схеме, где в первичной сети были установлены два встречно-включенных параллельных тиристора, через которые напряжение подавалось на силовой трансформатор. При всем этом вторичная обмотка трансформатора была нагружена на выпрямитель с индуктивной реакцией фильтра. Возникающий в этой схеме процесс подмагничивания трансформатора фактически приводил к аварийным режимам, другими словами по существу схема оказалась неработоспособной. Кстати, в тот же момент времени было выпущено 1-ое издание книжки [3]: «Тиристоры, технический справочник компании General Electric». Итак вот, в этой книжке схему с тиристорами на стороне сетевого напряжения, которая имела индуктивный фильтр во вторичной обмотке силового трансформатора, честные южноамериканские инженеры не выпустили. Это подтверждает наличие суровых заморочек для реализации схем этого типа.

  • В 1966 г. в США узнаваемый спец по магнитным усилителям Герберт Сторм (H. F. Storm) зарегистрировал патент «Использование симметричных устройств в силовых цепях переменного тока с регулируемой фазой» [4]. В нем было доказано, что этот тип тиристорных регуляторов хронически «страдает» наличием явления подмагничивания сердечника силового трансформатора. С другой стороны, для управления тиристорами в разрабатываемом блоке питания было применено фа-зосдвигающее устройство (ФСУ), выполненное на базе транзисторного аналога однопереходного транзистора (UJT).

  • К этому времени в 1968 г. в США была размещена статья о способностях использования UJT [5].

  • Дальше в ЦНИИ «Гранит» одним из создателей статьи и ведущим спецом, к.т.н. Гинзбургом А.И., был тщательно описан процесс подмагничивания сердечника силового трансформатора [6]. При всем этом было подтверждено решающее воздействие на этот процесс индуктивности рассеяния силового трансформатора Ls и активного сопротивления вторичной обмотки трансформатора.

  • Потом была предложена определенная схема устранения подмагничивания, которая оказалась существенно проще, чем предложенная в патенте [4].

В итоге проведенных исследовательских работ, также анализа всей имеющейся инфы, в 1970 г. появился блок питания, в каком отыскали отражение все новые идеи и схемы, передовые на тот период времени. Этот блок обеспечивал электропитание модулятора, при помощи которого была решена задачка устойчивой работы системы стабилизации тока магнетрона СВЧ-передатчика [7].

Приведенный пример наглядно иллюстрирует пользу активного получения и внедрения научно-технической инфы в мире, также эффективность действовавшей в СССР системы научно-технической инфы, в том числе и для профессионалов по средствам электропитания.

Все эти меры, организационные и административные, привели к тому, что к середине 1980-годов оформились научные школы (коллективы профессионалов) в области силовой электроники, которые были сосредоточены как в головных НИИ и КБ, так и в ведущих институтах и институтах. В главном научные школы размещались в больших городках СССР, таких как Москва, Ленинград, Минск, Киев, Ереван, Вильнюс, Томск, Новосибирск, Рязань, Ростов на дону, Нижний Новгород (Горьковатый), Екатеринбург (Свердловск) и др. Очевидно, при всем этом появилась и определенная техно специализация этих научных школ. Так, к примеру, в столичном АКБ «Якорь» работали спецы по системам электропривода малых и средних машин. В Киеве в Институте электродинамики сложилась мощная школа по индуктивно-емкостным преобразователям средней и большой мощности, а в Ереване были сосредоточены спецы по электропитанию огромных ЭВМ серии ЕС и т. д. На всесоюзные конференции съезжались от 250 до 400 профессионалов по средствам электропитания. Также в это время был образован институт основных конструкторов по системам вторичного электропитания разных направлений техники, которые были «привязаны» к РЭА соответственного министерства. Эти авторитетные спецы различных отраслей интенсивно сотрудничали вместе для выработки общих направлений развития техники и технологий, подготавливали особые предложения и воззвания в Правительство СССР от имени участников научной конференции (к примеру, с целью разработки новых электрических либо магнитных материалов, компонент и т. п.).

В конце 1980 г. в Москве была образована Ассоциация разработчиков и производителей источников электропитания, которая, невзирая на маленькое финансирование, пробовала выполнить роль координатора по объединению усилий по созданию действенных импульсных источников питания. Возглавляли эту Ассоциацию видные спецы по средствам электропитания Алешин И.Е. и Заика П.Н.

Заключение

  1. Рассмотрен исторический нюанс эволюции ИВЭ, который показал, что тип силового ключа определяет способности и схематические аспекты в процессе развития импульсных блоков питания.

  2. Проведен анализ совершенствования импульсных ИВЭ исходя из убеждений процесса роста научно-технической эрудиции разработчиков импульсных ИВЭ и производителей компонентной базы средств электропитания.

  3. Подчеркнута особенная роль (воздействие) системы получения и обмена информацией на достигнутые успехи за время эволюции импульсных ИВЭ, которые позволяли получать качество разрабатываемых блоков питания на уровне наилучших забугорных образцов. Эффективность действовавшей в СССР системы активного получения и внедрения научно-технической инфы была известна во всех странах Запада.

Окончание следует