Рубрики
Силовые разъемы

Надежность силовых устройств в Рф: легенды и реалии, трудности и пути решения. Часть 4. Импульсные источники питания

Надежность силовых устройств в Рф: легенды и реалии, трудности и пути решения. Часть 4. Импульсные источники питания Владимир Ланцов Саркис Эраносян В общем виде рассмотрены главные

Надежность силовых устройств в Рф: легенды и реалии, трудности и пути решения. Часть 4. Импульсные источники питания Владимир Ланцов Саркис Эраносян

В общем виде рассмотрены главные трудности импульсных источников питания и приведены меры, содействующие увеличению их надежности. Более тщательно изложены практические советы по обеспечению надежности импульсных источников питания и их узлов. Рассмотрены определенные мероприятия по увеличению надежности импульсных источников питания.

В части 1 [1] истинной статьи указывалось, что, невзирая на тривиальные заслуги в последние годы в развитии электрических и электротехнических компонент за рубежом и в Рф, в то же время в электроэнергетике, силовой электронике есть суровые трудности по обеспечению надежности. Невзирая на общее улучшение свойства продукции, благодаря внедрению в фирмах систем управления качеством продукции на базе эталонов серии ISO9000, настоящая надежность силовых устройств при эксплуатации улучшается более медлительно. Анализируются причины, действующие на такое неблагоприятное положение, в том числе и приметное понижение уровня и объемов работ по увеличению надежности, а именно силовых устройств, в особенности в Рф.

В части 2 [2] статьи для сопоставления анализируется практика обеспечения надежности изделий в Русском Союзе и в Рф. Положительно оценена роль служб надежности, существовавших в организациях и на предприятиях в СССР. Приводятся определенные примеры работы таких служб. Для решения задач обеспечения высочайшей надежности изделий, в особенности в сложных критериях эксплуатации, службы надежности делали многие работы в этом направлении. А именно, выполнялись расчеты надежности, выдавались советы по выбору более надежных компонент и режимов их функционирования, разрабатывались методики входного контроля компонент и узлов, их электротермотрени-ровки; проводились разные тесты на надежность. В Рф в большинстве компаний деятельность служб надежности прекращена, а службы свойства фактически не проводят упомянутые работы, возлагая их на разработчиков.

В части 3 статьи [3] характеризуются общие черты и особенности силовых устройств (CУ) и их воздействие на обеспечение надежности. Приведена информация о соответствующих отказах и дефектах СУ, обусловленных как отказами силовых компонент, устройств управления, так и недостающим учетом реальных критерий эксплуатации. Рассмотрены главные предпосылки их появления, также причины воздействия. Приведены советы по применению силовых полупроводниковых устройств и даны примеры их выбора в определенных СУ. Отказы импульсных источников питания. Предпосылки и причины воздействия

В истинной работе подвергнутся рассмотрению импульсные источники питания лишь на базе высокочастотных транзисторных преобразователей. Но заметим, что предложенная методология обеспечения надежности импульсных ИВЭ в целом применима и к тиристорным преобразователям (инверторам).

У импульсных источников отказы происходят не пореже, а даже почаще, чем вообщем у силовых устройств. Это связано со последующими обстоятельствами:

  • Импульсные ИВЭ, работающие на больших частотах преобразования (от 20 до 300 кГц), представляют собой одни из самых сложных СУ.
  • В питающей сети переменного тока нередко случаются разные аномальные явления и аварии, к которым наименее чувствительны такие СУ, как нагревательные печи, бойлеры, отдельные виды электроприводов и т. д.
  • К выходу (выходам) источника, обычно, подключено огромное количество устройств потребителей с разными режимами работы, что увеличивает возможность появления разных аварийных ситуаций.

Как упоминалось в [3], в импульсных ИВЭ могут происходить как неожиданные (трагические) отказы, так и постепенные отказы. Отказы первого типа связаны с выходом из строя силовых компонент (силовых транзисторов, диодов) в виде пробоев (выжиганий): токовых, возможных, по мощности, из-за перегрева. Предпосылки таких отказов в главном последующие: отсутствие нужного припаса рабочих характеристик компонент относительно их предельных значений, нарушение обычных режимов запуска/выключения, неверный выбор метода работы устройств управления и защиты от перегрузок. Постепенные (параметрические) отказы импульсных ИВЭ случаются пореже и имеют еще наименьшее значение. А именно, при долговременной либо насыщенной эксплуатации вероятны случаи, когда уход выходных характеристик ИВЭ может быть очень значимым. Могут появляться такие отказы, как недопустимое изменение выходного напряжения, существенное повышение пульсаций. В целом возможность возникновения отказов, не считая упомянутых обстоятельств, связана как с просчетами проектирования, так и с неполным учетом реальных критерий эксплуатации.

Создатели были многократными очевидцами таких ситуаций, когда импульсные ИВЭ разрабатывались с нарушением (игнорированием) хороших алгоритмов проектирования, в том числе советов по обеспечению надежности. Положение усугублялось в тех случаях, когда такие работы производились спецами без подабающего практического опыта. Подобные случаи, соответствующие для последних лет, описаны, к примеру, в статье [4]. В ней приводятся примеры, как такие ИВЭ либо вообщем не доходили до освоения в производстве, либо длительно дорабатывались «до кондиции» уже конкретно на стадиях производства, поставки и эксплуатации. Характеристики надежности импульсных источников питания

Представляет энтузиазм познакомиться с показателями надежности практических импульсных ИВЭ с сетевым входом (AC/DC-пре-образователей). Обычно, для ИВЭ коммерческого и промышленного выполнения приводится таковой показатель надежности (безотказности), как наработка на отказ либо среднее время неотказной работы (Tср либо MTBF). В таблице представлены сведения о показателях надежности неких серийно выпускаемых импульсных ИВЭ российских и забугорных компаний. Таблица составлена на основании сведений, приведенных в [5–8].

Из таблицы 1 следует, что безотказность импульсных ИВЭ, выпускаемых после 2000 г., определяется Tср и находится в границах 150 000–1 200 000 ч. Значение Tср в большинстве случаев приводится при температуре окружающего воздуха +25 °С. При повышении температуры выше +40 °С (время от времени +45 либо +50 °С) рекомендуется либо снижать значение тока нагрузки (на 40–50%), либо создавать насыщенное остывание источника, к примеру, обдувом. Заметим, что по поводу больших характеристик Tср у профессионалов появляются вопросы о правильности и достоверности приводимых значений, в особенности если достоверно непонятно, получены они расчетным либо экспериментальным методом. Так, для импульсных ИВЭ компании «ММП Ирбис» в таблице указаны расчетные значения Tср. В то же время при проведении определительных испытаний на надежность, к примеру, ИВЭ типа БПС200Е этой компании [5] при наименьшем числе отказов C = 1, продолжительности испытаний tисп = 4000 ч (приблизительно полгода), нужное количество образцов источников составит Nmin = 150 000/4000 = 38. Если же проводить тесты на надежность импульсных ИВЭ с большенными значениями Tср при тех же критериях, к примеру: Tср = 550 000 ч (LPS352-C компании Astec) [8] либо 1 200 000 ч (КР600А-220D1212CL компании «Александер-Электрик») [6], то потребуются уже Nmin = 138 и Nmin = 300 образцов соответственно.

Естественно, можно принять число отказов C = 0, что позволит уменьшить количество образцов, но все равно оно будет огромным. В схожих случаях приходится прибегать к проведению ускоренных испытаний ИВЭ на надежность (методика проведения которых не всегда довольно достоверна), дополняя их анализом отказов при производстве и в особенности при эксплуатации. В любом случае определение либо доказательство больших характеристик надежности ИВЭ является долгим и дорогостоящим мероприятием (огромное количество испытуемых образцов, дополнительное оборудование и т. д.). Особенности проектирования надежных импульсных источников питания

Вопросам обеспечения надежности импульсных источников питания при проектировании посвящено сравнимо малость статей. Можно указать, к примеру, что принципы оптимального проектирования и оптимизации импульсных ИВЭ, в том числе с некими советами по обеспечению их надежной работы, изложены в [9, 10, 11]. А именно, в их дано сопоставление разных типов силовых ключей, рассматриваются вопросы их надежного переключения, даются сведения об обеспечении плавного запуска ИВЭ, анализируются некие схемы защиты от токовых перегрузок, КЗ и перенапряжений. Рассмотрены вопросы электрической сопоставимости (ЭМС) источников, также советы по оптимальному конструированию ИВЭ. Самый общий подход к оценке надежности ИВЭ содержится в статье [12]. А именно, в обозначенной работе в итоге анализа требований к ИВЭ, созданных для комплектования наземных стационарных и подвижных объектов бортовой морской, авиационной и галлактической техники, приводится последующая информация. Большая потребность существует в модульных источниках питания с наработкой на отказ от 10 000 до 50 000 ч (37%) и от 50 000 до 100 000 ч (33%).

Это довольно жесткие требования, если учесть реальные режимы внедрения ИВЭ в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) в нюансе внедрения новых муниципальных эталонов «Климат-7» и «Мороз-6». Создатели не нашли публикации о всеохватывающем подходе к обеспечению надежности импульсных ИВЭ на современном уровне. Также нет работ с приведением практических советов по обеспечению надежной работы импульсных источников питания с учетом использования современных компонент на всех стадиях проектирования и производства. Потому создатели взяли на себя смелость попробовать комплексно и в практическом плане выложить главные тезисы по решению этой трудности.

Таблица. Характеристики надежности неких импульсных источников питания (AC/DC-преобразователей) Тип, модель(год) Компания Выходные характеристики Среднее время
неотказной работы
(Tср), 103 ч (при T °С) Примечание Pвых, Вт Uвых, В Iвых max, А МП60А (2006) ММП «Ирбис» 50 5 10 150 КПД = 82% БПС200Е (2006) ММП «Ирбис» 200 24 8,3 150 КПД = 86–90% КР600А-220D1212CL (2007) ООО «Александер-Электрик» 480 12
12 20,0
20,0 1200 (+25) КПД = 85% КР600А-220S48CL (2007) ООО «Александер-Электрик» 600 48 12,5 1200 (+25) КПД = 85% LWR1601-6 (2005) Power-One 125 24 5,1 600 (+40) КПД = 88%, КМ = 0,91 FNP300-1012 (2005) Power-One 300 12 25,0 200 (+25) КПД = 83%, КМ = 0,96 LPQ112-B (2002) Astec 110 +5
+12
–12
25 9,0
4,5
0,7
2,5 550 (+25) η = 70% без ККМ LPS352-C (2002) Astec 350 +5 70,0 550 (+25) КПД = 75%, КМ = 0,99

Примечание. Принятые обозначения: КМ — коэффициент мощности (PF — Power Factor).

Для обеспечения надежной работы ИВЭ, в особенности с питанием от сети переменного тока, при проектировании нужно выполнить главные процедуры, которые почти во всем совпадают с общим методом разработки надежных силовых устройств [3]. Но для импульсных ИВЭ нужно дополнительно выполнить еще ряд особых мероприятий и советов, обусловленных работой ИВЭ на больших частотах преобразования — от 50–80 до 200–300 кГц. Не считая того, имеют существенное значение специфичность их структуры, схемотехники, нрав нагрузки и т. д. В общем, это подразумевает при разработке ИВЭ выполнение последующих мероприятий:

  1. Выбор рациональной структуры ИВЭ, а именно:
    • выбор типа и схемы корректора коэффициента мощности (ККМ/PFC) при питании ИВЭ от однофазовой сети переменного тока;
    • выбор силовой части преобразователя напряжения (ПН) зависимо от мощности проектируемого ИВЭ, особенностей управления и т. д.
  2. Выбор быстродействующих силовых ключей (транзисторов, диодов), также других компонент (магнитных частей, конденсаторов), способных отлично работать при больших частотах преобразования. При выборе компонент предпочтение нужно отдавать более надежным компонентам отлично зарекомендовавших себя фирм-изготовителей. Для выбора силовых компонент можно, к примеру, пользоваться сведениями из статьи [13]. При выборе классов и типов силовых компонент рекомендуется учесть особенности их внедрения, к примеру, рассмотренные в [3]. При иных равных критериях предпочтение следует отдавать встроенным силовым модулям [14, 15].

  3. Выбор схемы ограничения пусковых токов соответственно мощности импульсного ИВЭ, его особенностей и типу питающей сети переменного тока (однофазовая либо трехфазная) [16].
  4. Выбор хорошей схемы управления силовыми ключами: соответственно избранной структуре ККМ, преобразователя, также частоте преобразования.
  5. Определение рационального метода функционирования и схемы всеохватывающей защиты ИВЭ от разных аварийных ситуаций:
    • аномалии в сети переменного тока (превышение допустимых отклонений напряжения, пропадание фаз при трехфазной питающей сети и другие);

    • перегрузки по току, недлинные замыкания (КЗ), недопустимый перегрев силовых ключей (транзисторов), превышение очень допустимой моментальной мощности (энергии) на ключах, также перенапряжения и недопустимое понижение напряжения на выходе (выходах).

  6. Выполнение мероприятий по обеспечению ЭМС, обусловленных генерированием при работе импульсного ИВЭ диапазона электрических помех большой интенсивности и в широком спектре частот. При всем этом, в отличие от многих видов силовых устройств, нужно обеспечить угнетение помех не только лишь на зажимах питающей сети, да и на выходе ИВЭ [17–20]. Разглядим подробнее особые советы по проектированию надежных импульсных ИВЭ, обусловленные их специфичностью.

Схемы ограничения пусковых токов

Схемы ограничения пусковых токов тщательно описаны в [10]. В маломощных (до 30–50 Вт) импульсных источниках питания для ограничения пусковых токов рекомендуется обычное решение: включить токоограни-чительный резистор R0 в цепь однофазового переменного тока либо после сетевого выпрямительного моста (до конденсатора). Отметим, что в рабочем режиме функционирования источника таковой резистор ограничивает и постоянные зарядные токи конденсатора сетевого выпрямителя. При всем этом происходит угнетение высших гармоник тока и улучшается коэффициент мощности (КМ). В более массивных (до 1–1,5 кВт) ИВЭ в качестве токо-ограничительных резисторов R0 можно использовать массивные терморезисторы (терми-сторы) с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). В прохладном состоянии (перед запуском) сопротивление NTC-терморе-зистора огромное, а к моменту окончания запуска оно миниатюризируется в 30-50 раз, что позволяет фактически не снижать КПД источника. Недочет — необходимость выдержать некое время для «остывания» терморезистора с целью восстановления его исходного сопротивления. Это не всегда может быть, к примеру, при несанкционированных отключениях/включениях электропитания.

В массивных импульсных ИВЭ нередко употребляют схемное решение, когда мощнейший неизменный резистор R0, включенный перед конденсатором сетевого выпрямителя, в конце процесса запуска шунтируется автоматическим тумблером — сильноточным электромеханическим реле либо тиристором. В более ординарном случае момент срабатывания тумблера определяется либо по данной продолжительности запуска, либо по напряжению на конденсаторе. Этот резистор вновь подключается при падении напряжения ниже допускаемого уровня при перегрузках и других аварийных ситуациях. Недочеты такового решения: а) усложнение схемы; б) дозаряд конденсатора после замыкания тумблера, приводящий к значимым токам через конденсатор [10, 16]. Вработе [16] обозначено, что в статическом трехфазном инверторе 220 В 400 Гц мощностью 6 кВт с питанием от трехфазного напряжения 380 В 50 Гц, разработанном одним из создателей, описанная схема запуска в процессе пятилетней эксплуатации не отказала никогда. В ближайшее время для ограничения пусковых токов все большее применение находят массивные терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC). При штатном пуске таковой терморезистор так же, как и неизменный резистор, ограничивает величину зарядного тока конденсатора до неопасной величины. После окончания процесса заряда он шунтируется силовым реле. Если же появляются нештатные ситуации (аварии): сбои в момент либо после зарядки конденсатора, пробой (КЗ) конденсатора, неисправность реле, то при использовании неизменного резистора вероятен выход из строя самого резистора и других компонент схемы. В таких ситуациях PTC-терморезистор, стремительно нагреваясь, перебегает в высо-коомное состояние, увеличивая свое сопротивление во много раз, прямо до 10-ов килоом [21]. В этой же статье приведены характеристики массивных PTC-терморезисторов типа J20X компании Epcos, также результаты исследовательских работ внедрения PTC J204 (R0 = 100 Ом ±25%, Umax = 800 В), включенных в схеме массивного выпрямителя в штатном и нештатном режимах Выпрямитель питается от трехфазной сети 3×380 В 50 Гц («треугольник») с конденсатором сглаживающего фильтра емкостью 940 мкФ. Для большей надежности применено параллельное включение 2-ух терморезисторов PTC J204.

В работе [16] показано, что в массивных (более 10 кВт) импульсных ИВЭ, которые, обычно, питаются от трехфазной сети переменного тока, рекомендуется включать сетевые токоограничительные дроссели. Тут же приведены данные неких трехфазных сетевых дросселей компании Elhand [22]. Создателем статьи [16] в пакете MicroCap 7.0 была промоделирована схема входной части статического преобразователя с мощностью 12 кВт с сетевым трехфазным дросселем EDN3N 0,6/32 (0,6 мГн/32 А — в каждой фазе). В сглаживающем LC-фильтре использованы 2 дросселя типа ED1W (2,5 мГн/100 А). Фильтр имеет выходной конденсатор емкостью 1020 мкФ и рассчитан на угнетение пульсаций 300 Гц. Расчетная величина пускового тока, протекающего через диоды трехфазного выпрямительного моста (160MT120KB компании IR), не превосходит допустимого значения. Переходный процесс продолжается менее 10 мс, что не должно привести к срабатыванию установленного на входе автоматического выключателя на ток 25 А.

Дополнительно отметим, что во входных устройствах ИВЭ должны быть интегрированы узлы, которые при выключении автоматом «гасят» («разряжают») энергию конденсаторов сетевых выпрямителей, а именно, мощнейший резистор поочередно с сильноточным реле либо тиристором. В особенности это принципиально для массивных ИВЭ и высоковольтных источников питания. Корректоры коэффициента мощности

Применение стандартных импульсных ИВЭ с конденсаторами большой емкости в сетевом выпрямителе приводит к искажению синусоидальной формы потребляемого тока и понижению коэффициента мощности — КМ/cosφ, либо Power Factor (PF). Это явление обосновано возрастанием реактивной (емкостной) составляющей потребляемого из сети тока, что соответственно приводит к возникновению высших гармоник. При всем этом обычное значение КМ (cosφ) с емкостным фильтром составляет 0,4–0,6. Исходя из убеждений надежности огромные зарядные токи понижают срок службы диодов сетевого выпрямителя и конденсаторов. Начиная с конца 1990-х гг., за рубежом стали стремительно развиваться импульсные ИВЭ с корректировкой коэффициента мощности (KKM/PFC). Такие ИВЭ-ККМ, обычно, применяются при питании их от однофазовой сети переменного тока мощностью до 3–5 кВт и могут обеспечить КМ порядка 0,8–0,99, другими словами фактически синусоидальную форму потребляемого из сети тока. Вступившие в действие в Европе и в продвинутых странах мира новые эталоны ЭМС (EN61000-3-2-95; IEC 6100-3-2) вызвали в Рф возникновение подобных эталонов, а именно ГОСТ Р 51317.3-2-99 [17]. Для уменьшения содержания высших гармоник тока при построении ИВЭ-ККМ употребляется два метода:

  1. Пассивная корректировка методом включения резистора либо НЧ-дросселя (без зазора) в цепи переменного тока после сетевого фильтра, также стандартного НЧ-дросселя после выпрямительного моста (смотри выше при описании схем ограничения пусковых токов).

  2. Активная корректировка, другими словами применение ККМ на базе повышающего стабилизатора выпрямленного сетевого напряжения.

Надежная работа ККМ обеспечивается при последующих критериях:

  • Индуктивность накопительного ВЧ-дроссе-ля гарантирует неразрывный ток дросселя в главных режимах функционирования.

  • В силовом ключе следует использовать IGBT либо MOSFET; но, по воззрению создателей, лучше при частотах коммутации более 100 кГц использовать MOSFET с параметрами: UDSS ≥ 600 В, ID ≥ Pвых ККМ / Uвых ККМ x η x η Кнl, при всем этом лучше, чтоб RDS on = (0,1-2) Ом — соответственно для мощности от 1500 до 100 Вт.

  • В качестве бустерного диодика нормально внедрение высоковольтных (URRM ≥ 600 В) быстродействующих диодов, лучше диодов Шоттки из карбида кремния (SiC) [13].

  • Должна быть обеспечена защита силовых компонент от токовых перегрузок и КЗ.

Вообщем, по теории надежности включение дополнительного силового устройства (активного ККМ) в состав ИВЭ наращивает количество его компонент и тем несколько понижает его надежность. Но следует учесть, что в данном случае преобразователь напряжения работает в более комфортабельном режиме, так как его напряжение питания стабилизировано в широком спектре конфигурации сетевого напряжения и тока нагрузки. Не считая того, обеспечивается первичная защита от перегрузки по току, потому что контроллер в ККМ ограничивает ток перегрузки в допустимых границах. Потому в инфы фирм импульсных ИВЭ, [7, 8] создатели не нашли данных о понижении характеристик надежности (Tс ) при выпуске новых моделей ИВЭ с активной корректировкой коэффициента мощности. Преобразователи напряжения

Выбор рациональной, исходя из убеждений надежности, структуры силовой части преобразователя напряжения (ПН) зависимо от мощности проектируемого ИВЭ можно произвести, к примеру, в согласовании с методикой расчетов утрат мощности в ИВЭ по [10]. Зависимо от мощности ИВЭ приблизительно следует использовать последующие классы ПН:

  • в спектре мощностей до 100–300 Вт — однотактные преобразователи напряжения: обратноходовые (ОПН-О) либо прямоходо-вые (ОПН-П) с размагничивающей обмоткой вследствие относительной простоты силовой части;

  • в спектре мощностей от 300 до 1500 Вт — однотактные прямоходовые ОПН со структурой типа «косой» мост (ОПН-П/КМ) либо сдвоенные двухтактные полумостовые (ДПН-полумост) — с 2-мя поочередно включенными силовыми ключами;

  • в спектре мощностей от 1500 Вт до 3–5 кВт и поболее — вне конкуренции прямоходовые ОПН-П/КМ либо двухтактные мостовые (ДПН-М) одинарные либо сдвоенные.

Предложенные советы основаны на исследовании огромного количества публикаций и опыте создателей. Но вероятны и отличия от этих советов, связанные с традициями и опытом проектирования разных разработчиков и компаний. А именно, некие исследователи считают, что, к примеру, сдвоенные ОПН-О могут применяться в импульсных ИВЭ до мощностей порядка 1 кВт. Посреди структур ПН создатели отдают бесспорное предпочтение ОПН-П/КМ, в каком принципно нет сквозных токов. В таковой структуре нетрудно организовать защиту от токовых перегрузок и по мощности, так как оба силовых ключа и первичная обмотка силового трансформатора включены поочередно.

Двухтактные структуры преобразователей (ДПН-полумост, ДПН-М) отличаются большей сложностью. Невзирая на их некие плюсы (к примеру, двойная частота пульсаций на выходе), эти структуры имеют такие значительные недочеты, как принципная возможность протекания сквозных токов через силовые ключи при их переключении. В мостовых схемах находится явление подмагничивания силового трансформатора при работе на LC-фильтр. Для ликвидации подмагничивания приходится использовать разделительный конденсатор с большой реактивной мощностью, включенный поочередно с первичной обмоткой силового трансформатора, либо/и вводить схему контроля под-магничивания силового трансформатора. Не считая того, из опыта прошлых разработок один из создателей (С. А. Эраносян) показал [24], что можно получить схему мостового преобразователя, в каком опасное подмагничивание сердечника трансформатора фактически отсутствует. Для этого необходимо сочетать, выбирая частоту работы, материал магнитопро-вода (наклонная петля перемагничивания), также характеристики силового трансформатора (уменьшение Ls). Ослабление воздействия сквозных токов обычно осуществляется включением поочередно с транзисторами дросселей насыщения, работающих исключительно в моменты переключения транзисторов. В остальное время скопленная в их энергия рассеивается в параллельно включенных RCD-цепях. Совместно с тем в неких случаях, к примеру, в большинстве высоковольтных преобразователей, более отлично внедрение конкретно структур ДПН полумостовых даже при маленьких мощностях (от 10–20 Вт) либо в более массивных (более 400–500 Вт) мостовых ПН. Такое положение обьясняется рвением очень использовать плюсы двухполупериодных высоковольтных выпрямителей-умножителей.

Общие советы по выбору надежных силовых ключей и режимов их работы были коротко рассмотрены ранее. Более тщательно об этом сказано в работе [3]. Развитие массивных высоковольтных MOSFET и IGBT нередко ставит перед разработчиком вопрос: что из их избрать? Советы на данную тему даны в работе [25]. По воззрению создателей, в текущее время главные условия выбора в пользу того либо другого класса массивных транзисторов для внедрения в преобразователях ИВЭ заключаются в соблюдении баланса последующих причин:

  1. При единичной мощности ИВЭ наименее 3–5 кВт лучше использовать MOSFET, а не IGBT (другими словами если не употребляется параллельное соединение нескольких импульсных ИВЭ).

  2. В текущее время при частотах преобразования более 50 кГц (может быть, 75–100 кГц) предпочтение необходимо отдавать MOSFET.

    В каждом определенном случае, не считая приведенных советов, нужно также учесть условия эксплуатации (наивысшую рабочую температуру, наличие ионизирующих излучений), ограничения по поставке и цены компонент и т. д.

После выбора надежных силовых компонент (по публикациям, советам фирм-изготовителей и т. п.) нужно их экспериментально проверить для определения способности действенной работы на требуемой частоте преобразования (коммутации) в принятой структуре преобразования. Для обеспечения большей мощности ИВЭ можно использовать параллельное соединение силовых ключей (транзисторов), при этом при использовании MOSFET фактически не требуется внедрение симметрирующих компонент в их цепях.

Для предотвращения в процессе коммутации появления на выводах транзисторов перенапряжений к переходам транзисторов (сток-исток для MOSFET, коллектор-эмиттер для биполярных транзисторов и IGBT) должны быть подключены особые составляющие и цепи — поглотители энергии выбросов. К числу таких цепей относятся: RC-цепи (демпферы), RCVD-цепи (снабберы — snabbers, фиксаторы уровня — clampers). В маломощных ИВЭ для этой цели можно использовать массивные стабилитроны с поочередно включенными быстродействующими диодиками. Силовые переходы транзисторов должны быть зашун-тированы встречно-параллельными (антипараллельными) быстродействующими диодиками для ограничения напряжений оборотной полярности. Такие напряжения могут появляться из-за неверного выбора силового трансформатора (огромные значения Ls, Cs), собственных ВЧ-колебаний в силовых ключах большой амплитуды и т. д. При всем этом время восстановления оборотного сопротивления trr этих диодов должно быть, по последней мере, не ужаснее времени включения ton и выключения toff транзисторов. Почти всегда в структурах транзисторов уже имеются такие диоды. К огорчению, нужно отметить, что их быстродействие не отвечает изложенным требованиям. Потому на больших частотах преобразования (к примеру, для MOSFET при частоте более 150 кГц) приходится использовать транзисторы без интегрированных диодов. В данном случае встречно-параллельно транзисторам врубаются дискретные сверхбыстродействующие (ultrafast) диоды. Всеохватывающая защита импульсных ИВЭ от разных аварийных ситуаций

Наличие хорошей всеохватывающей защиты импульсных ИВЭ, как и всех других силовых устройств, от разных аварийных ситуаций — одно из основных критерий надежной работы источников. В общем случае защита массивных импульсных ИВЭ иерархически производится многоуровневой и функциональной:

  • Защита по входу:
    • общая защита от токовых перегрузок и КЗ (входные предохранители, автоматы включения);
    • защита от не нормальных явлений в питающей сети переменного тока.
  • Защита преобразователя (инвертора) и силовых ключей:
    • защита от токовых перегрузок и КЗ;
    • защита силовых ключей по моментальной мощности;
    • защита силовых ключей от перегрева.
  • Защита выхода ИВЭ:
    • защита от перенапряжений;
    • защита от уменьшения либо исчезновения выходного напряжения (выходных напряжений);
    • допусковый контроль выходных напряжений (только для ИВЭ специального предназначения);
    • защита по току — общая либо/и по каждому выходному каналу.
  • Защита устройства управления от токовых перегрузок, от перенапряжений по входу и по цепи электропитания.

Плавкие предохранители и автоматы включения и защиты

Невзирая на наличие разных узлов электрической и термический защиты, в составе защиты ИВЭ нужно всегда использовать плавкие предохранители. Это связано с тем, что автоматы и контакторы до момента отключения цепи пропускают импульсы тока большой величины, которые способны вывести из строя полупроводниковые диоды либо связанные с ними цепи. Плавкие предохранители ограничивают импульс тока КЗ цепи, и потому выделяющаяся при всем этом энергия меньше. Следует указать, что всегда существует возможность пробоев и КЗ в разных частях схемы ИВЭ вне обычных «мест» установки узлов и компонент электрической защиты. Не считая того, при сгорании плавкого предохранителя на физическом уровне разрывается силовая цепь (в особенности по сети переменного тока). Тем сразу обеспечиваются условия как по пожаробезопасности, так и по электробезопасности. В ближайшее время номенклатура плавких предохранителей была значительно расширена, а их характеристики усовершенствованы. В работе [26] приведены пояснения по главным характеристикам плавких предохранителей и советы по их выбору.

Автоматы включения и защиты (пускатели) обычно употребляются в массивных источниках питания, выполненных конструктивно в блочном (не модульном) выполнении. Из забугорных автоматов более нередко используются изделия компаний [27, 28]. Защита преобразователя (инвертора) от аварийных ситуаций

За ранее отметим общепринятое правило: перед конкретным выключением преобразователя (ИВЭ) при его работе в компьютеризированной аппаратуре в нем должен быть сформирован информационный сигнал об этом событии. Сигнал передается в аппаратуру как для сигнализации, так и для сохранения обработанной инфы во избежание ее утраты. Защита преобразователя (инвертора) от токовых перегрузок и КЗ

Такая защита обычно организуется при помощи компараторов, интегрированных в устройство (микросхему) ШИМ- либо ЧИМ-управления, на которые приходит сигнал токовой перегрузки с датчика (датчиков) тока. В качестве датчиков тока употребляются резисторы, трансформаторы тока и датчики Холла, которые врубаются либо поочередно с силовыми транзисторами, либо/и с силовым трансформатором. Защита от перегрузки по току в большинстве случаев происходит при ограничении средней величины тока за счет уменьшения продолжительности импульсов при ШИМ-управлении либо уменьшения частоты преобразования при сохранении продолжительности импульсов при ЧИМ-управлении. Для массивных и высоковольтных источников нужно стопроцентно выключать инвертор при значимом превышении (более 15–25%) тока либо КЗ. Это делается через куцее время (менее 10–100 мкс при частоте преобразования 200–20 кГц соответственно), пока происходит ограничение тока. Для массивных высоковольтных источников непременно резвое выключение преобразователя. Исполнительный узел (компонент) резвого выключения должен быть с памятью, к примеру, на базе триггера либо маломощного тиристора. Принципно это может быть выполнено либо в самой микросхеме управления, либо в ее обрамлении при внедрении элемента выключения с памятью, либо «снятием» напряжения питания с устройства управления.

Для защиты от значимых токовых перегрузок и КЗ может быть дополнительное применение быстродействующего предохранителя в цепи электропитания инвертора (после конденсатора сетевого выпрямителя либо выходного конденсатора ККМ). Один из создателей увидел такую защиту в мостовом преобразователе массивного (3 кВт) высоковольтного (10–60 кВ) источника типа Compact 3K5 компании Ital Structures (Италия) [29] с питанием от однофазовой сети переменного тока 230 В 50–60 Гц. В этой связи можно указать, к примеру, на быстродействующие предохранители компаний Tyco Electronics [30] и Wickmann [31]. Защита силовых ключей от перегрева

В верно спроектированном, с учетом наибольшей температуры эксплуатации, преобразователе (импульсном ИВЭ), работающем в номинальном режиме при подходящих критериях, такая защита может и не потребоваться. Но если ИВЭ работает от «плохой» сети электропитания, когда вероятны нередкие несанкционированные включения/отключения, также токовые перегрузки (с ограничением тока, к примеру, на уровне 120–135%) либо изменение критерий отвода термический мощности от ИВЭ, такая защита нужна. В простом случае роль защитного элемента делает биметаллический термовыключатель (термопредохранитель), устанавливаемый на теплоотводах — радиаторах силовых ключей. В качестве примера можно привести термовыключатели серии BTL-xxx компании Nedis [32]. Может быть также применение термовыключателей типа G4-05 компании Thermodisk [33] и DFxxxS компании Dong-Yang [34].

В массивных источниках питания, обычно, употребляется принудительная вентиляция (обдув) силовых ключей и блоков в целом при помощи высокопроизводительных вентиляторов. На случай остановки (отказа) вентиляторов (заклинивание вала с крыльчаткой, сгорание обмоток электродвигателя, пробой электроизоляции и т. д.) в струе воздуха инсталлируются датчики температуры (к примеру, терморезисторы). Сигнал аварии с этих датчиков поступает на узел защиты для отключения преобразователя либо ИВЭ в целом. Защита выхода ИВЭ Защита выхода (выходов) ИВЭ от перенапряжений

Для большинства потребителей (РЭА на базе цифровых, аналоговых, аналого-цифровых микросхем, высокоточный электропривод и т. д.) неприемлемы даже краткосрочные превышения номинальных значений напряжения питания сверх установленного допуска. В то же время при реальной эксплуатации вероятны некие аномальные явления (аварийные ситуации), когда могут происходить импульсные, краткосрочные либо долгие превышения номинального значения выходного напряжения (выходных напряжений). К примеру, из-за превышения напряжения сети электропитания (к примеру, более чем на +20% из-за отключения более массивных потребителей от сети, перекоса фаз в сети), при скачкообразном сбросе тока нагрузки (на 100%) более нагруженных выходных каналов за большее время, чем быстродействие импульсного ИВЭ. Также вероятны сбои и отказы в устройстве управления и другие случаи. Защиту выходов ИВЭ от перенапряжений (импульсных, краткосрочных либо долгих) можно производить разными методами, к примеру:

  • установкой массивных ограничителей перенапряжений (стабилитронов, TVS-диодов, варисторов, электровакуумных разрядников в высоковольтных цепях) параллельно выходам ИВЭ;

  • установкой параллельно самому массивному выходу ИВЭ тиристора-замыкателя с управлением от узла обнаружения перенапряжений (защита типа Crowbar либо Shut down);

  • выключением преобразователя после прихода сигналов о перенапряжениях на устройство управления и защиты.

1-ый способ применяется тогда, когда нужно ограничить импульсные перенапряжения. А именно, TVS-диоды (Transient Voltage Supressors) способны ограничивать импульсные перенапряжения мощностью в сотки ватт и единицы кв, но в течение времени 1–10 мс. К примеру, униполярный TVS-диод типа P6KE6,8A имеет последующие характеристики [34]: ограничение напряжения (изначальное значение) на уровне 6, 8 В ±0,35 В, импульсная мощность 600 Вт (1 мс), импульсный ток до 57 А, неизменная рассеиваемая мощность (с теплоотводом) 5 Вт. При превращении краткосрочного перенапряжения в долгое предполагается, что должна сработать защита от перегрузок по току в этом канале (смотри дальше) и отключить преобразователь (ИВЭ). Естественно при всем этом, что массивные ограничители перенапряжений должны быть установлены на надлежащие теплоотводы-радиато-ры и так выбраны по мощности, чтоб остаться в работоспособном состоянии после снятия перенапряжений.

2-ой способ обширно применялся с 1975-го и до 1990-х годов. Его сущность в том, что при появлении перенапряжения с допустимой временной задержкой срабатывает мощнейший тиристор-замыкатель, шунтируя выход ИВЭ и вызывая значительную токовую перегрузку прямо до КЗ. При всем этом, естественно, должна сработать защита от токовых перегрузок и КЗ с неотклонимым выключением этого канала либо ИВЭ в целом. Чтоб на каждом из выходных каналов не устанавливать тиристоры, сигналы о перенапряжениях конкретно (при гальванически связанных каналах) либо, если они гальванически не связаны друг с другом, то через оптроны, передаются на узел управления тиристором в самом массивном канале. Недочеты этого типа защиты:

  1. Протекание дополнительных огромных токов через составляющие ИВЭ, которые могут их разрушить.

  2. Возможность неверных срабатываний тиристора от разных ВЧ-помех.

  3. Не достаточно применим для очень массивных ИВЭ. В последнем случае принято выклю-чать преобразователь после прихода сигналов о перенапряжениях на устройство управления и защиты.

Защита от уменьшения либо исчезновения выходного напряжения (выходных напряжений)

Защита подобного типа неотклонима для импульсных ИВЭ всех компов, информационно-измерительных систем и систем автоматизации, чтоб предупредить возникновение неверной инфы и, соответственно, неправильных либо вообщем неверных управляющих воздействий. К примеру, в компьютерах с самого начала было принято, что сигналы о наличии и мало допустимом уровне каждого из каналов электропитания (+5, +12, –12, +24 В) поступают на 4-канальный узел сопоставления (к примеру, 4-канальный компаратор LM 339N).

Допусковый контроль выходных напряжений употребляется, обычно, только для неких ИВЭ специального, к примеру, оборонного предназначения. Принцип его организации подобен предшествующему с той только различием, что уставки напряжения должны быть двухуровневыми (к примеру, ±5%, ±8% и т. д.). Защита выходов ИВЭ по току.

Более просто такая защита смотрится для 1-го выходного канала. В данном случае можно использовать уже рассмотренную защиту преобразователя от токовых перегрузок. В многоканальном ИВЭ, зависимо от специфичности нагрузки, токовая защита по выходу может быть общей либо/и по каждому выходному каналу, если каналы существенно отличаются по мощности. В первом случае сигналы от датчиков тока (резисторов, трансформаторов тока и других) через элементы согласования и развязки поступают для обьединения на схему «ИЛИ» и дальше на устройство управления и защиты ИВЭ. Более просто организовать такую защиту при помощи трансформаторов тока, включаемых поочередно с вторичными обмотками силового ВЧ-трансформатора. При их использовании, во-1-х, просто получить сигнал перегрузки подходящего уровня по напряжению, а во-2-х, выполнить гальваническую развязку сигнала от силовой цепи.

Во 2-м случае, к примеру, в маломощных (слаботочных) каналах, где употребляются линейные интегральные стабилизаторы напряжения, происходит ограничение выходного тока при перегрузках благодаря интегрированным в их узлам защиты. При всем этом появляется перегрев стабилизатора и начинает срабатывать интегрированная термическая защита. Также может быть внедрение быстродействующих полупроводниковых предохранителей (IC-protectors) на токи 0,25–2,7 А (сопротивление 0,035–0,023 Ом) для разрыва цепи при КЗ на выходе стабилизаторов. В данном случае после выключения ИВЭ нужно произвести подмену предохранителя, что не всегда комфортно. В упомянутых вариантах информация о появившейся аварии, благодаря наличию защиты от уменьшения (исчезновения) выходного напряжения какого-то канала, передается в устройство управления и защиты ИВЭ. Защита устройства управления (УУ)

Для надежной работы импульсного ИВЭ в целом принципиально, чтоб само УУ было отлично защищено от токовых перегрузок по выходу, от перенапряжений по входу и по цепи электропитания. Не считая того, нужно обеспечить защиту УУ как от наружных, так и от внутренних помех, чтоб исключить сбои в работе устройства и соответственно нарушения в обычном функционировании преобразователя (и ИВЭ в целом). Значение последнего требования в особенности растет с повышением мощности ИВЭ. Обеспечение ЭМС устройства управления получается из-за:

  • установки «своего» фильтра помех по питанию;
  • использования для электропитания УУ напряжения не ниже 12–15 В (а не 5 В);
  • по мере надобности увеличения порога по входам УУ;
  • гальванической развязки фактически ШИМ-контроллера, к примеру, через оптопару, с наружным узлом сопоставления в цепи оборотной связи на стороне нагрузки;
  • гальванической развязки сигналов о перегрузках с устройством управления и защиты;
  • пространственного разделения при электромонтаже сигнальных цепей, цепей электропитания УУ и силовых цепей ИВЭ (может быть, совместно с элементами экранирования).

Заключение

  1. Советы по обеспечению надежной работы импульсных источников питания в принципе имеют много общего с изложенными ранее советами по проектировании надежных силовых устройств [3]. Сначала, это относится к таким моментам, как:
    • наличие узлов контроля состояния первичной сети электропитания и отключения по мере надобности;
    • ограничение пусковых токов и плавный запуск,
    • выполнение силовой части на надежных, экспериментально испытанных силовых компонентах;
    • выбор хороших коэффициентов электронной нагрузки (Кнj) силовых компонент;
    • наличие устройств всеохватывающей защиты от токовых и других перегрузок;
    • выполнение мероприятий по обеспечению электрической сопоставимости;
    • оптимальные конструктивные решения по действенному отводу тепла, обеспечению нужного свойства электроизоляции, оптимальному электромонтажу.
  2. Особенное значение для обеспечения надежности импульсного ИВЭ имеют оптимальный выбор и наилучшее проектирование последующих устройств, узлов и компонент:
    • надежные схемы ограничения пусковых токов соответственно особенностям структуры ИВЭ;
    • корректоры коэффициента мощности при питании от однофазовой сети переменного тока;
    • преобразователи напряжения, выполненные зависимо от мощности, также от частоты преобразования;
    • силовой ВЧ-трансформатор, спроектированный по аспектам минимума утрат мощности, хорошей паразитной индуктивности (Ls), также требований по высочайшему качеству электроизоляции;
    • аналитическая и экспериментальная отработка всеохватывающей защиты импульсных ИВЭ от разных аварийных ситуаций как одно из основных критерий надежной работы источников.