Модуль 2

11. Общая характеристика импульсных источников
вторичного электропитания (ИВЭП)

В отличие от традиционных линейных ИВЭП, предполагающих гаше-ние излишнего нестабилизированного напряжения на проходном транзис-торе, работающем в линейном режиме, импульсные ИВЭП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напря-жения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение.

Применение транзисторов в режиме переключения позволяет при значительной разнице в уровнях напряжения питания и напряжения на нагрузке получить КПД преобразования близкий к единице. Если источник постоянного тока подключать к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа, то среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от длительности замкнутого и разомкнутого состояния ключа и частоты работы ключа [1 - 13].

Сетевые импульсные источники питания непосредственно выпрямляют и фильтруют напряжение сети переменного тока без использования 50/60 Гц трансформатора (по этой причине их иногда называют - бестрансформатор-ные). Полученное в результате этого напряжение постоянного тока фильтруется и коммутируется мощным ключом, а затем преобразуется высокочастотным трансформатором, и, наконец, выпрямляется и фильтруется снова. Из-за высокой частоты переключения, которая составляет от 20 кГц до 400 кГц, трансформатор, дроссель и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их 50/60 Гц эквивалент.

Однокристалльные микросхемы АС/DC конверторов применяются обычно в недорогих системах, работающих от сети переменного тока, потребляющих небольшой ток (до 100 мА) и не предъявляющих высоких требований к качеству питающего напряжения. Основной недостаток подобных устройств – это отсутствие гальванической развязки выходного напряжения от напряжения сети. Как правило, преобразователи переменного напряжения в постоянное обеспечивают одно, максимум два выходных напряжения, что иногда затрудняет их использование в источниках питания. В последнее время появились приборы, обеспечивающие выходной ток до 1,5 А, что позволяет значительно расширить сферу их применения.

DС/DC конверторы используют принцип действия импульсных источников питания, но применяются для того, чтобы преобразовать напряжение постоянного тока одного уровня в напряжение постоянного тока другого уровня, обычно хорошо стабилизированное. Эти устройства используются там, где электронное оборудование должно питаться от батареи или другого автономного источника постоянного тока.

Конверторы, выполненные на микросхемах широко используются для преобразования и распределения напряжения постоянного тока для питания потребителей. Это напряжение питания обычно поступает в систему от сетевого источника питания. Сетевое напряжение, как правило, нестабилизированное и имеет значительную шумовую компоненту.

Другое распространенное применение подобных конверторов – это преобразование напряжения аккумуляторной батареи (или другого первичного источника питания) в напряжение требуемого номинала, необходимое для питания различных схем потребителей. Типичные значения напряжения батареи обычно равны 1.5, 3.0, 3.6, 4.5, 9, 12, 24, 48 В постоянного тока, причем каждый номинал используется для определенных применений. Напряжение батареи может изменяться в широких пределах. Например, напряжение двенадцативольтовой системы транспортного средства может подниматься до 15 В или выше во время зарядки и опускаться до 6 В при запуске двигателя. При таком широком диапазоне изменения сети необходимо использовать DС/DC конвертор, с тем, чтобы получить необходимое по величине и стабилизированное выходное напряжение, требуемое для питания электронных потребителей на борту транспортного средства.

Экономически и технологически оправдано конструировать ИВЭП по схеме вторичного импульсного преобразователя для устройств с током потребления 1 - 5 А, для бесперебойных ИВЭП к системам видеонаблюдения и охраны, для усилителей низкой частоты, радиостанций, зарядных устройств и во многих других применениях.

Отличительная черта импульсных ИВЭП - это лучшие по сравнению с линейными ИВЭП массогабаритные характеристики выпрямителя, фильтра, преобразователя, стабилизатора напряжения. Однако их отличает большой уровень помех, поэтому при конструировании необходимо уделить внимание экранированию и подавлению высокочастотных составляющих в шине питания.

В последнее время получили достаточно широкое распространение импульсные ИВЭП, построенные на основе высокочастотного преобразователя с бестрансформаторным входом. Эти устройства, питаясь от промышленной сети, не содержат в своем составе громоздких низкочастотных силовых трансформаторов, а преобразование напряжения осуществляется высокочастотным преобразователем на частотах десятки, сотни кГц. Такие источники питания обладают на порядок лучшими массогабаритными показателями по сравнению с линейными, а их КПД может достигать 90 % и более. с импульсным высокочастотным преобразователем существенно улучшают многие характеристики устройств, питаемых от этих источников.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП-транзисторы), работающий с частотой частотой, периодически на короткое время (не более 50 % времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток, протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. В данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Миниатюризации и повышению КПД при разработке и конструировании импульсных источников питания способствует применение нового класса полупроводниковых инверторов – МДП-транзисторов, а также: мощных диодов с быстрым обратным восстановлением, диодов Шоттки, сверхбыстродействующих диодов, полевых транзисторов с изолированным затвором, интегральных схем управления ключевыми элементами. Все эти элементы доступны на отечественном рынке и могут использоваться в конструировании высокоэффективных источников питания, преобразова-телей, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), систем запуска ламп дневного света (ЛДС). Большой интерес может вызвать класс силовых приборов под названием HEXSense – МДП-транзисторы со считыванием тока. Они являются идеальными переключающими элементами для импульсных источников питания с готовым управлением. Возможность считывать ток ключевого транзистора может быть использована в импульсных ИВЭП для обратной связи по току, требуемой для контроллера широтно-импульсной модуляции. Этим достигается упрощение конструкции источника питания – исключение из него токовых резисторов и трансформаторов.

Важным технологическим преимуществом импульсных ИВЭП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИВЭП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИВЭП строятся без применения громоздкого низкочастот-ного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИВЭП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямлен-ное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента - высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

На летательных аппаратах, наземных и морских транспортных средствах, других автономных устройствах, где энергоресурсы весьма ограничены, а масса и объем имеют решающее значение, в системах электропитания получили широкое распространение импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (DC/DC). Такие стабилизаторы применяются для питания потребителей большой мощности и в тех случаях, когда напряжение первичной системы электроснабжения изменяется в больших пределах [1-13].

Стабилизатор напряжения, регулирующее усройство которого работает в импульсном режиме (в режиме переодического переключения с частотой 20…200 кГц и более), называется стабилизатором с импульсным регулированием или импульсным стабилизатором напряжения (ИСН).

Импульсный стабилизатор состоит из силовой части и системы управ-ления, в качестве которой используются специальные интегральные схемы (ИС). В качестве РУ силовой части ИСН обычно используются мощные биполярные, полевые и IGBT транзисторы, которые управляются от ИС.

По способу построения силовой части различают при типа ИСН. Стабилизатор напряжения (СН) с выходным напряжением меньшим входного, называют «понижающим» ИСН. От импульсного стабилизатора можно получить выходное напряжение, превышающее входное, в этом случае такой ИСН называют «повышающим». Когда необходимо получить выходное напряжение с полярностью, обратной полярности входного, используют инвертирующий ИСН.

Использование импульсного режима работы регулирующего транзистора ИСН, который переодически переключается из режима насыщения в режим отсечки, приводит к тому, что резко уменьшается мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором, значительно повышается КПД ИСН (приближенно он составляет 70…90% и более), в результате чего уменьшаются масса и габариты теплоотводящих устройств. В этом существенное преимущество ИВЭП с ИСН по сравнению с ИВЭП, выполненными на базе непрерывных стабилизаторов напряжения.

К недостаткам импульсных ИВЭП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, сложность схемы и надежность, меньшую чем у линейных ИВЭП, необходимость применения дорогосто-ящих высоковольтных высокочастотных компонентов. При конструировании сетевых импульсных ИВЭП нужно быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

Основные схемы ИСН описываются с помощью системы математических выражений, определяющих параметры электрических процессов в силовых цепях устройства, энергитических соотношений. Инженерный анализ ИСН основан на кусочно-линейной аппроксимации тока силового дросселя, что дает малую погрешность при расчете схем с высоким КПД [1- 22 ].