Содержание
Введение
Проблемы развития источников вторичногоэлектропитания
1. Сложившееся положение
2. Тенденции развития транзисторныхпреобразователей электроэнергии
Вывод
Литература
Введение
Тема исследовательскойработы «Проблемы развития источников вторичного электропитания» подисциплине «Конструирование источников питания».
Вработе приведены результаты исследования влияния параметров силовых элементовна габаритно-массовые и энергетические характеристики источников питания, показананеобходимость совершенствования разработки и технологии мощных полупроводниковыхприборов, оптимизации электромагнитных нагрузок и частоты преобразования в источникахвторичного электропитания (ИВЭ).
В2003 г. исполняется 50 лет существования отечественной транзисторнойэлектроники. Главным результатом работ, выполненных за эти десятилетия, следуетсчитать превращение транзистора из экзотического «заменителя электроннойлампы» в массовое и универсальное техническое средство, обеспечившеедальнейшее развитие радиотехники, создание современной вычислительной техники ирождение новой преобразовательной техники.
Дляэнергетического преобразовательного направления создание транзистора означалопоявление возможности применения электронных методов преобразованияэлектрической энергии вместо ранее применявшихся электромеханических методов,что обеспечивало полную бесконтактность устройств и многократное уменьшение ихмассы и объема.
Примерно 15 летпотребовалось для создания основ теории и методов проектирования различныхклассов транзисторных устройств, как правило, не имевших ранее аналогов в наукеи технике. В 1969-70 гг. начался процесс миниатюризации преобразовательныхустройств на основе применения бескорпусных кремниевых приборов,гибридно-пленочных технологий и оптимизации электрических процессов. Вскоревозможности использования транзисторов расширились от напряжений в десяткивольт до сотен вольт.
Накоплениеи обобщение научных и практических результатов позволило в 1977 г. создатьпервую в нашей стране систему постоянно повышенного (270 В) напряжения, вкоторой все энергетические процессы для электропитания электронных устройств,для управления электродвигателями, для бесконтактной коммутации и защитывыполнялись только транзисторными устройствами.
В этиже годы в связи с промышленными, оборонными и бытовыми потребностями началосьбыстрое увеличение количества находящихся в эксплуатации преобразовательныхустройств, превысившее в настоящее время 100 млн.
Продолжаетсяразвитие теории транзисторных устройств самого различного назначения.Продолжается процесс их миниатюризации, ставший одновременно важнойсоставляющей ресурсосбережения в масштабах страны. Системность применениятранзисторных энергетических устройств постепенно развивается. Массовость ихиспользования уже достигнута и продолжается увеличиваться.
энергетический полупроводник электромагнитный частота
1. Сложившеесяположение
Вэлектротехнике и энергетике малых мощностей (до десятков киловатт) сложилосьположение, которого ранее никогда не было. Единственное техническое средство,т.е. силовой транзистор, стал основным и наиболее эффективным для организациивсех процессов: преобразования электроэнергии, регулирования мощности,коммутации, защиты.
Такаяуниверсальность транзистора объясняется тем, что он является регулируемымсопротивлением, которое можно изменять по самым различным законам во времени.Взаимодействие такого полностью управляемого сопротивления с индуктивными иемкостными накопителями энергии позволяет осуществить любые процессыпреобразования электроэнергии. Альтернативы этому методу в теории электрическихцепей нет.
Таковы в самой краткойформе результаты работ за пятьдесят лет существования транзисторнойпреобразовательной техники. Но на каждом этапе этой работы некоторые проблемыбыли наиболее острыми. Современное состояние преобразовательной электроникизаставляет обратить внимание на очередные проблемы миниатюризации устройств, отрешения которых зависит возможность развития новых систем.
Сущность этих проблемвытекает из изображенного на рис.1 соотношения междуконструкторско-технологическими и энергетическими возможностями миниатюризациипреобразовательного устройства заданной мощности. За период с 1953 по 2003 гг.изображен процесс изменения Vk- объема, определяемогоконструкторско-технологическими методами, и VТ — объема, определяемого поверхностью,необходимой для отвода тепла.
/>
Рис.1. Изменения вовремени конструктивного и теплового объема транзисторных преобразователейэлектроэнергии
Обратимвнимание на то, что при очень существенном изменении всех параметров элементнойбазы КПД устройств изменился очень мало. Все отличия высокочастотных кремниевыхприборов от низкочастотных германиевых практически скомпексировались.Совершенно иное положение с минимальным конструктивным объемом Vk, который претерпел два существенныхскачка.
Первыйскачок произошел в начале 70-х гг. в связи с появившимися возможностямииспользования бескорпусных приборов и гибридно-пленочных технологий. Появилиськонструкции, для которых характерно было примерное равенство Vk=Vt, т.е. которые при естественной конвекции не требовали илипочти не требовали дополнительной тепло отводящей поверхности. При этомудельная мощность устройств определялась в диапазоне 100-300 Вт/дм3.Однако уже тогда обнаружились возможности создания конструкций, у которых Vk ≤Vt, но это различие еще не былосущественным.
Второйскачок произошел в конце 80-х гг. в связи с повышением частоты коммутации досотен килогерц и выше на основе использования резонансных и квазирезонансныхпроцессов. Удельная мощность устройств стала обозначаться некоторымиизготовителями равной нескольким тысячам Вт/дм3. Но КПДпреобразователей остался прежним, и очень существенным стало различие между Vk и Vt (рис. 1). Само понятие удельной мощности приобреловторой смысл, так как она стала определяться при заданной температуре корпуса,а не окружающей среды.
Одновременновыпускаются ИВЭ, имеющие все необходимое для обеспечения теплоотвода вопределенных эксплуатационных условиях, но их удельная мощность обычносоставляет 150-300 Вт/дм3.
Появилисьдве системы определения удельной мощности ИВЭ, значения которой отличаются напорядок. Возникает естественный вопрос, насколько же отличаются собственно ИВЭ,к которым относятся эти обозначения.
Однозначноеопределение удельной мощности ИВЭ невозможно, так как она зависит от конкретныхусловий теплоотвода, а условия эти очень разнообразны.
Еслиудельную мощность ИВЭ определить как Рн/ Vk то это значение формально становитсяоднозначным, но несущим очень мало информации, так как характеризует в основномконструкторско-технологические достижения и не раскрывает энергетических..Например, увеличение Рн/ Vk может быть достигнуто при неизменномКЦЦ путем уменьшения теплового сопротивления конструкции ИВЭ.
Крометого, уменьшение площади (и объема) корпуса ИВЭ приводит к локализациитепловыделения, уменьшению эффективности радиатора и к необходимости увеличенияего объема и массы [1,5]. Таким образом, увеличение удельной мощностисобственно ИВЭ приводит к уменьшению реальной удельной мощности ИВЭ совместно срадиатором.
Если удельную мощностьИВЭ определить как PН/VТ, то это значение становится неоднозначным без указанияреальных условий теплообмена. Обычно эти условия принимают стандартными, как идля всех других электро-радиокомпонентов, т.е. естественная конвекция при 20°С,хотя могут быть приняты и любые другие.
Тогдазначение PН/VТполностьюопределяет эксплуатационные возможности ИВЭ в конкретных условиях. Если этиусловия приняты самыми тяжелыми, то ИВЭ характеризуется полностью. Теперьтолько повышение КПД ИВЭ позволит увеличить удельную мощность PН/VТ.
Тольков одинаковых условиях теплообмена можно сравнивать ИВЭ как поконструкторско-технологическому уровню, так и по значению КПД в совокупности.
Очевидно,что оба способа определения удельной мощности несовершенны, но из двухкритериев надо выбирать более строгий и более информативный. Критерий Рн/ Vk выгоден некоторым производителям ИВЭ,а критерий PН/VТ — потребителям. Поэтомуочень осторожно следует относиться к впечатляющим значениям удельной мощности ИВЭ,так как за новыми большими числами скрывается в значительной мере лишь другаясистема обозначений.
Заэтим просматривается тенденция свести прогресс ИВЭ всего лишь к уменьшениюконструктивного объема при заданной выходной мощности, а все заботы оминимизации объема системы в конкретных условиях теплообмена возложить наразработчиков систем, т.е. на потребителей (покупателей) ИВЭ.
Наблюдаемоепротиворечие в развитии ИВЭ и особенно в количественной оценке их эффективностиявляется отражением двух тенденций в производстве. Первая тенденция — создаватьсистему электропитания из готовых стандартных, максимально универсальныхизделий. Вторая -создавать систему в целом, учитывая свойства и ИВЭ ипотребителей энергии в конкретных условиях эксплуатации.
Система,созданная из универсальных устройств, по ресурсозатратам всегда будет хужесистемы,- созданной в целом. Таких примеров множество во всех областях техники.
Всеэто давно известно, но в разных случаях предпочтение отдается тому направлению,которое лучше удовлетворяет интересам или возможностям конкретногопроизводителя в конкретной экономической обстановке. Не следует лишь какое-либоиз направлений считать единственно возможным или самым лучшим в любом случае.
Итак,первой характерной чертой современного состояния ИВЭ являются большиедостижения в решении конструкторско-технологических проблем миниатюризации.
Второйхарактерной чертой является многолетний застой в решении энергетических проблемминиатюризации ИВЭ, который препятствует дальнейшей миниатюризации систем. Этипроблемы очень серьезны и их не решить изменением способа расчета удельноймощности.
Поэтомувполне естественно использовать и развить те выводы, которые были получены иопубликованы в начале 70-х гг. при анализе энергетических возможностей иограничений миниатюризации силовых полупроводниковых устройств. В отношениистатических потерь в полупроводниковых приборах этих выводов три:
1. КПД выпрямителяна полупроводниковых диодах имеет теоретический предел, и он недопустимо малпри выходных напряжениях в единицы вольт [1]. Поэтому в качестве вентилей в таких выпрямителях следует использовать недиоды, а полевые транзисторы как ключи в синхронном выпрямителе [3].
2. Для уменьшенияпотерь в транзисторном ключе следует оптимизировать плотность тока в структуретранзистора, что достигается при заданном токе применением определенногоколичества параллельно включенных транзисторов или изменением площади кристалла[1,2].
3.Для уменьшения потерь в транзисторном ключе необходимо уменьшать не тольковыходное сопротивление, но и мощность управления, причем значительная мощностьуправления может препятствовать получению полезного результата от оптимизацииплотности тока. Поэтому полевой транзистор имеет принципиальные преимуществаперед биполярным [1,4]. Из этих выводов наиболее быстро был реализован второй,и экспериментальная транзисторная сборка, описанная в [2], стала прототипомсерийной сборки 2ТС843, выпускаемой до настоящего времени.
Правильностьтретьего вывода подтверждается всем состоянием и тенденциями развитиясовременных силовых транзисторов. Длительное время не использовался первыйвывод, но в последние года в связи с необходимостью получения напряжений 3,3; 2,2;І,5 В замена диодов синхронными ключамина МДП-транзисторах признается неизбежной.
Всеэти выводы выдержали проверку временем и остаются важнейшими способамиуменьшения статических потерь в преобразователях. Поэтому кратко рассмотрим ихобоснования. КПД двухлолупериодного выпрямителя прямоугольного напряжения наидеальных диодах максимален при условии 2Vh /φT = IH/IV и определяется выражением
/>
На рис.2 изображенызначения теоретически предельного КПД выпрямителя на идеальных диодах в областималых выпрямленных напряжений. Штриховкой отмечена область значений КПД, недостижимых для диодного выпрямителя. В.диапазоне VH от 1,5 До 5 В напряжение на переходе при максимальном КПДсоставляетІ20-І5С мВ, а значение Ін /Iо изменяетсяот 120 до 400. Это значит, что в данном режиме плотность тока в диоде нанесколько порядков меньше обычно используемой, а площадь перехода на несколькопорядков больше обычно применяемо, т.е. она неприемлемо велика. Посколькусоздать идеальный р-п-переход невозможно, следует рассматривать переход скоэффициентом m =2 при φT. КПДстановится еще ниже и неприемлемая площадь перехода сохраняется. При увеличенииплотности тока до обычно используемой напряжение на диоде возрастает до 0,5 В(диод Шотки), что и определяет реальную зависимость КПД от напряжения на нагрузке(см.рис.2). Очевидно,что любые варианты использования диодов, вплоть до теоретически идеальных, непозволяют получить приемлемых значений КПД в выпрямителях низких напряжений. Вто же время достаточно использовать даже не специальный, а серийныйнизковольтный МДП-транзистор с выходным сопротивлением 0,005 Ом при токе 20 А,получить падение напряжения 0,1 В, и КПД синхронного выпрямителя становитсявыше, чём идеализированного диодного (см.рис,2) при вполне приемлемой площадикристалла. Сравнивая выпрямители на диодах Шотки и на МДП-транзисторах,заметим, что потери в выпрямителе могут быть уменьшены примерно в 5 и болеераз, что очень существенно для повышения общего КПД преобразователя.
/>
Рис.2. Зависимостьпредельного КПД диодных выпрямителей от требуемого значения напряжения нанагрузке в сравнении с КПД синхронного выпрямителя на МДП – транзисторах
Другойвопрос, требующий рассмотрения, — это методы уменьшения статических потерь втранзисторном ключе при заданном токе нагрузки. Этот метод основан на оптимизацииплотности тока в силовой цепи параллельно включенных транзисторов при измененииих количества [1].
Энергетическиевозможности транзистора характеризуются двумя параметрами: произведениемплощади кристалла (или корпуса) на выходное сопротивление R1S1, ом*см2, и удельной мощностью, затрачиваемой вцепи управления, Pупр1/S1Вт/см2. Изменяя количество параллельно включенных транзисторов илиплощадь кристалла одного транзистора при заданном токе I, т.е. изменяяплотность тока, можно определить условия, при которых суммарная рассеиваемаямощность будет минимальна, и значение этой мощности составит
/>
Суммарная рассеиваемаямощность минимальна при равенстве потерь в выходной цепи и в цепи управления.Абсолютное значение этой мощности в десятки раз меньше, чем в типовых режимахсовременных МДП-транзисторов, но и плотность тока должна бытьуменьшена в десятки раз, что приводит к соответствующему увеличению объематранзистора или транзисторной сборки. Таким образом, методы существенногоуменьшения статических потерь в силовых транзисторах и диодах достаточно ясны ивесьма эффективны, но их реализация обойдется недешево, так как МДП- транзисторв принципе должен быть дороже диода, а стоимость любого транзистора возрастаетс увеличением площади, кристалла. Наблюдается тенденция к повышению частотыкоммутации транзисторов до мегагерца и даже нескольких мегагерц с цельюуменьшения объема реактивных элементов и ИВЭ в целом. Для всех электротехническихустройств на основе фундаментальных соотношений справедливы зависимости,заключающиеся в том, что по мере увеличения j, β,ω и уменьшается конструктивный объем иувеличиваются потери, т.е. увеличивается необходимая теллоотводящаяповерхность. Во всех случаях объем конструкции с заданным перегревом получаетсяминимальным при оптимальном сочетании j, β,ω. Поэтому повышение частоты, если это не есть приближениек ее оптимальному значению, отвлекает силы и средства на создание новой, болеедорогой элементной базы, параметры которой должны обеспечивать в первую очередьмалые частотные потери, а статические остаются на втором плане. Вновь ничего неделается для повышения КПД, и прогресс ИВЭ сводится к уменьшениюконструктивного объема.
2.Тенденции развития транзисторных преобразователей электроэнергии
Тенденцииразвития транзисторных преобразователей электроэнергии можно в обобщенном видепредставить и качественно прогнозировать на основе развития электротепловоймодели транзисторной сборки.
Полагаемзаданными ток нагрузки I и поверхность, необходимую для теплоотвода I Втмощности
STO=1/KT∆T,
где KT — коэффициент теплопередачи;
∆T — разность температур переход-среда.
Транзисторпредставляем выходным сопротивлением R1 и занимаемой им площадью S1. При изменении количествапараллельно включенных транзисторов n определяемповерхность, необходимую для отвода тепла, ST, и поверхность, необходимую для их размещения, SK:
/>
Графическоепредставление этих зависимостей (рис.3) позволяет рассматривать множествоконструкций, каждая из которых характеризуется точкой в координатах S и п,. Выше линии ST расположеныизображающие точки недогретых конструкций, ниже ST — перегретых. Очевидно, что площадьконструкции минимальна (точка I) при ST= SK, т.е. при оптимальном количестветранзисторов
/>
/>
Этому оптимальномуколичеству транзисторов соответствуют оптимальная плотность тока и вполнеопределенное значение КПД при заданном напряжении питания.
/>
Рис.3.Обобщенные тепловые и конструктивные параметры транзисторного ключа какварианты выполнения конструкции при разных плотностях тока
Рассмотримконструкцию с количеством транзисторов n2≤n1(точка 2), имеющуюменьшую площадь SK=n2 S1 и перегретую при заданных условиях теплообмена. Для созданиярасчетного теплового режима необходима дополнительная теплоотводящаяповерхность Sg.
Новаяизображающая точка 3 характеризует конструкцию, состоящую из корпуса сборки сприсоединенным к нему радиатором. Суммарная их площадь обязательно большеплощади оптимальной конструкции:
/>
Аналитическиезависимости и их графическое представление остаются справедливыми для плоскойтонкой конструкции высотой h, призамене S объемом V=Sh (пренебрегая теплоотводом от боковыхсторон сборки). С учетом двухстороннего теплоотвода надо полагать
ST=2 SK
Всевыводы остаются справедливыми для объемной модели, состоящей из корпуса сприсоединенным к нему ребристым радиатором, если учесть, что в результатепреобразования пластины площадью Sg внабор ребер с шагом m получается радиатор, габаритный объемкоторого равен m Sg. Тогда суммарный объем корпуса и радиатора определяется выражением
/>
Для плоских конструкцийпри h=10-20 мм значения h и т обычно очень близки, так какуменьшение шага ребер ограничено условиями теплообмена и толщиной ребер. Приэтом условии практически всегда справедливо неравенство.
/>
Очевидно,что при неизменных параметрах элементов суммарный объем любой конструкции сприсоединенным радиатором больше, чем объем оптимальной конструкции. В общемвиде это подтверждается выражениями
/>
Поэтомунеограниченное уменьшение конструктивного объема устройства являетсябессмысленным, так как это приводит к неограниченному увеличению требуемойповерхности теплоотвода.
Переходяот соотношений, справедливых для транзисторной сборки или ключа, к соотношениямдля различных преобразовательных устройств, необходимо отметить два основныхотличия: не все составляющие потерь пропорциональны второй степени тока; не всеэлементы силовой части можно представить сопротивлениями.
Составляющаямощности потерь, которая при заданном токе нагрузки постоянна (часть мощностипотерь в диодах, составных транзисторах, мощность в цепях управления и пр.), элементарноучитывается в исходном уравнении
/>
Графическиэто приводит к подъему линии SТ (см.рис.3) на величину SТo Р0. При этом все ранее выявленные закономерности сохраняются иизменяются лишь количественно.
Представлениев модели индуктивных элементов становится возможным, если в объеме V1=S1h размещается трансформатор единичной мощности с сопротивлениемомических потерь R1. Параллельное соединение n таких трансформаторов при неизменном токе нагрузки приводит куменьшению потерь в n раз. Если в объеме V1=S1h размещается конденсатор с сопротивлением потерь R1, то параллельное соединение n таких конденсаторов приводит к уменьшению потерь в n раз. Параллельное соединение любых элементов совершенно необязательно понимать в буквальном смысле; необходима лишь эквивалентностьпараметров.
Поэтомуисходная модель и основной параметр R1S1 являются достаточно обобщенными для того, чтобыполученные выводы были полезны для оценки методов миниатюризации различныхклассов преобразовательных устройств. К тому же не следует сводить все проблемыИВЭ к созданию только конверторов, которые состоят из разнообразных элементов.Для импульсных регуляторов электродвигателей, устройств коммутации и защиты,регуляторов тока в обмотках управления (возбуждения) модель на основе R1S1 — элементов применима непосредственно.
Необходимо обратитьвнимание на результаты использования более совершенной элементной базы приразных подходах к развитию ИВЭ. Если прогресс параметров элементной базыиспользовать для увеличения Рн / VK, топри уменьшении площади корпуса ИВЭ будут возрастать все тепловые сопротивленияи уменьшаться эффективность радиатора. Возникнет тупиковая ситуация.
Вывод
Еслипрогресс параметров элементной базы, т.е. уменьшение R1S1использовать длясоздания конструкций, близких к оптимальным, будет обеспечено непрерывноеувеличение реальной удельной мощности устройств
Рн /Vt и повышение их КПД при отсутствии теоретическогопредела такому, совершенствованию преобразовательных устройств.
Литература
1. Конев Ю.И. Некоторые предельныевозможности миниатюризации силовых полупроводниковых устройств. — ЭТВА, 3. — М.: Советское радио, 1972. — С.3-16.
2. Ковев Ю.И. Энергетическиевозможности миниатюризации силовых полупроводниковых интегральных устройств. — ЭТВА, №4. — М.: Советское радио, 1973. — С.3-16.
3. Ковев Ю.И. О миниатюризациивторичных источников питания. -ЭТВА, & 5. — М.: Советское радао, 1973.- С.З-І2.
4. Машуков Е.В., Конев Ю.И. МДП-транзисторыв ключевых регуляторах мощности. — ЭТВА, А 6. — М.: Советское радио,1974,-С.13-23.
5. Тодд П. Импульсные источники питания становятся системнымикомпонентами. — Электроника/Пер.с англ., — № 9-10. — М.: Мир, 1992. — С.75, 76.
6. Кашкаров А.П., Колдунов А.С. Оригинальные конструкцииисточников питания. – М., ДМК- Пресс, 2010 – 160 с.