Силовая электроника. Теория и конструирование

Е. А. Москатов








            СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА


        ТЕОРИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.314
ББК 32.85
      М82

Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета
В. В. Терешков;
ведущий электроник кафедры теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета Е. В. Гайно






      Москатов, Е. А.
М82       Силовая электроника. Теория и конструирование : монография / Е. А. Москатов. -
      Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 344 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1364-0

           Приведены схемотехнические реализации и изложены теоретические аспекты конструирования, изготовления и настройки импульсных источников электропитания. Даны систематизированные сведения по современным силовым преобразователям. Описаны многочисленные спроектированные и изготовленные автором практические конструкции законченных электропитающих устройств различной сложности и мощности, их блоков, результаты экспериментально-исследовательских работ. Показаны модели, созданные в симуляторе LTspice. Проанализированы причины уменьшения энергетических параметров электропитающих устройств.
           Для инженеров, разрабатывающих устройства силовой электроники, студентов и аспирантов специальных учебных заведений технического профиля и подготовленных радиолюбителей.

УДК 621.314
ББК 32.85















ISBN 978-5-9729-1364-0

              © Москатов Е. А., 2023
              © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                    © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ...............................6

ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................................................7

1.  ПАРАМЕТРЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.......................................................................8
1.1. Терминология....................................................................8
1.1.1. Генеральные положения.........................................................8
1.1.2. Основные параметры ихарактеристики источников электропитания..................8
1.1.3. Эксплуатационные и специальные термины...................................... 10
1.2. Классификация электропитающих устройств....................................... 11
1.3. Структурные схемы электропитающих устройств................................... 12
1.3.1. Обзор вариантов исполнения электропитающей системы.......................... 12
1.3.2. Механизм повышения КПД ИИП по сравнению с линейными электропитающимиустройствами....................................................... 13
1.3.3. Рассмотрение структурных схем линейных источников электропитания............ 16
1.3.4. Описание структурных схем импульсных источников электропитания.............. 17

2.  МОДУЛЯЦИЯ И РЕГУЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ.................................. 19
2.1. Основные сведения о сигналах и разновидностях их модуляции.................... 19
2.2. Широтно-импульсная модуляция...................................................20
2.2.1. Описание основных видов широтно-импульсной модуляции...........................20
2.2.2. Принцип широтно-импульсной модуляции с неизменной частотой в режиме напряжения.21
2.2.3. Принцип широтно-импульсной модуляции с неизменной частотой в режиме тока.......24
2.2.4. Принцип двухпозиционной широтно-импульсной модуляции...........................25
2.3. Получение частотно-импульсной модуляции сигналов.................................27
2.4. Рассмотрение фазово-импульсного регулирования сигналов с жёсткой коммутацией.....28
2.5. Процесс амплитудно-импульсной модуляции сигналов.................................31

3.  ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ........................................................35
3.1. Обзор и классификация импульсных преобразователей вторичных источников электропитания...........................................................35
3.2. Однотактные импульсные преобразователи.........................................36
3.2.1. Однотактный обратноходовой преобразователь...................................36
3.2.2. Однотактный прямоходовой преобразователь с одним электронным ключом..........42
3.2.3. Квазидвухтактный обратноходовой преобразователь с двумя электронными ключами.46
3.2.4. Квазидвухтактный прямоходовой преобразователь с двумя электронными ключами.....47
3.3. Двухтактные импульсные преобразователи.........................................48
3.3.1. Двухтактный преобразователь с отводом от середины обмотки трансформатора.....48
3.3.2. Двухтактный мостовой преобразователь.........................................51
3.3.3. Двухтактный полумостовой преобразователь с двумя ключами.....................53
3.3.4. Двухтактный полумостовой преобразователь с тремя ключами.....................55
3.3.5. Двухтактный полумостовой преобразователь с обмоткой симметрирования..........56
3.3.6. Последовательное включение двухтактных полумостовых преобразователей.........57
3.4. Преобразователи без гальванической развязки нагрузки от питающей сети..........58
3.4.1. Преобразователь повышающего типа.............................................58
3.4.2. Преобразователь понижающего типа.............................................61
3.4.3. Преобразователь инвертирующего типа..........................................63
3.4.4. Моделирование в LTspice стабилизатора напряжения с понижающим преобразователем, выходным напряжением 0,25 кВ и мощностью 5 кВт......................................65
3.4.5. Моделирование в LTspice стабилизатора напряжения с повышающим преобразователем, выходным напряжением 1,2 кВи мощностью 4,8 кВт......................................72


3

3.4.6. Моделирование в LTspice понижающе-повышающего преобразователя с выходным напряжением 0,1 кВ и мощностью 1 кВт....................................81
3.4.7. Моделирование в LTspice стабилизатора напряжения с SEPIC, выходным напряжением 1 кВи мощностью 5 кВт.........................................87
3.4.8. Моделирование в LTspice стабилизатора напряжения с Zeta-преобразователем, выходным напряжением 0,8 кВ и мощностью 5 кВт.................................... 100
3.4.9. Моделирование в LTspice стабилизатора напряжения с преобразователем Кука, выходным напряжением 0,1 кВ и мощностью 1 кВт.................................... 105
3.5. Импульсные преобразователи с мягким переключением........................... 112
3.5.1. Импульсные преобразователи с резонансными колебательными системами........ 112
3.5.2. Несимметричные двухтактные полумостовые преобразователи с мягкой коммутацией... 120
3.6. Описание сдвоенных и многофазных импульсных преобразователей................ 128

4.  ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ............................. 138
4.1. Анализ причин, приводящих к аварийному насыщению магнитопроводов импульсных трансформаторов двухтактных преобразователей, и способы их устранения............ 138
4.1.1. Обоснование необходимости применения систем, контролирующих токи намагничивания импульсных трансформаторов двухтактных преобразователей.......................... 138
4.1.2. Обзор и классификация способов управления положением петли гистерезиса в импульсных трансформаторах двухтактных преобразователей........................ 140
4.1.3. Пассивные способы предотвращения насыщения магнитопроводов трансформаторов..... 140
4.1.4. Активные способы предотвращения насыщения магнитопроводов трансформаторов...... 142
4.1.5. Выявление тока намагничивания с помощью системы, в которую частично отклонён магнитный поток.................................................................. 147
4.1.6. Описание двухтактного импульсного источника электропитания с системой контроля и регулирования тока намагничивания.............................................. 153
4.2. Способы электрической защиты компонентов электропитающих устройств импульсного действия............................................................. 154
4.2.1. Причина возникновения паразитных колебательных процессов.................. 154
4.2.2. Описаниедиссипативныхдемпфирующихцепей.................................... 156
4.2.3. Использование рекуперативных демпфирующих цепей........................... 157
4.2.4. Активные фиксаторы........................................................ 175
4.3. Системы управления зарядом и разрядом затворных ёмкостей электронных ключей...... 177
4.4. Экспериментальное нахождение параметров и формы петли гистерезиса магнитопровода.189
4.5. Моделирование в LTspice каскодного транзистора и высоковольтных мощных суперкаскодов............................................................. 194

5.  ПРАКТИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ ЗАКОНЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ УСТРОЙСТВ И ИХ УЗЛОВ..............................................................204
5.1. Мощный сетевой выпрямитель со ступенчатым запуском...........................204
5.1.1. Описание устройства........................................................204
5.1.2. Основные технические характеристики........................................204
5.1.3. Назначение компонентов устройства..........................................205
5.1.4. Возможные замены компонентов...............................................206
5.1.5. Конструкция выпрямителя....................................................207
5.1.6. Проверка функционирования..................................................208
5.2. Драйвер с отрицательным смещением............................................208
5.2.1. Описание драйвера..........................................................208
5.2.2. Основные технические характеристики........................................210
5.2.3. Назначение компонентов.....................................................210
5.2.4. Возможные замены компонентов...............................................211
5.2.5. Конструкция................................................................211
5.2.6. Настройка ирегулировка.....................................................212
5.3. Обратноходовой импульсный источник питания...................................214
5.3.1. Описание электропитающего устройства.......................................214
5.3.2. Основные технические характеристики........................................217
5.3.3. Назначение и возможные замены компонентов..................................217

4

5.3.4. Настройка ирегулировка......................................................220
5.4. Задающий генератор для однотактного преобразователя...........................221
5.4.1. Описание изделия............................................................221
5.4.2. Основные технические характеристики.........................................221
5.4.3. Назначение компонентов......................................................224
5.4.4. Возможные замены компонентов................................................226
5.4.5. Конструкция.................................................................227
5.4.6. Настройка ирегулировка......................................................228
5.5. Двухтактный задающий генератор со специализированным контроллером.............231
5.5.1. Описание задающего генератора...............................................231
5.5.2. Основные технические характеристики.........................................232
5.5.3. Назначение компонентов......................................................233
5.5.4. Возможные замены компонентов................................................236
5.5.5. Настройка, регулировка и проверка функционирования..........................237
5.6. Задающий генератор импульсов с отрицательным смещением для полумостового либо push-pull преобразователя.....................................................239
5.6.1. Описание задающего генератора...............................................239
5.6.2. Основные технические характеристики.........................................241
5.6.3. Назначение компонентов......................................................242
5.6.4. Возможные замены компонентов................................................246
5.6.5. Конструкция.................................................................247
5.6.6. Регулировка и проверка работы...............................................249
5.7. Двухтактный задающий генератор импульсов с bootstrap драйвером................252
5.7.1. Описание генератора.........................................................252
5.7.2. Основные технические и конструктивные характеристики........................254
5.7.3. Назначение компонентов......................................................255
5.7.4. Возможные замены компонентов................................................257
5.7.5. Конструкция.................................................................257
5.7.6. Проверка работы устройства..................................................259
5.8. Задающий генератор с регулируемой защитой с датчиком Холла и драйверами с отрицательным смещением для мостового преобразователя............................261
5.8.1. Описание задающего генератора...............................................261
5.8.2. Основные технические характеристики.........................................262
5.8.3. Назначение компонентов......................................................264
5.8.4. Возможные замены компонентов................................................270
5.8.5. Конструкция задающего генератора............................................271
5.8.6. Настройка, регулировка и проверка функционирования..........................274
5.9. Сетевой импульсный источник питания мощностью 2 кВт для усилителя мощности звуковой частоты...................................................................278
5.9.1. Описание источника электропитания...........................................278
5.9.2. Основные технические характеристики.........................................280
5.9.3. Назначение компонентов электропитающего устройства..........................280
5.9.4. Возможные замены компонентов................................................286
5.9.5. Конструкция.................................................................292
5.9.6. Настройка и регулировка источника электропитания............................292
5.10. Импульсный источник питания для мощного автомобильного усилителя звуковой частоты ... 296
5.10.1. Описание электропитающего устройства.......................................296
5.10.2. Основные технические данные................................................296
5.10.3. Назначение компонентов.....................................................299
5.10.4. Перечисление замен компонентов.............................................302
5.10.5. Конструкция источника электропитания.......................................305
5.10.6. Настройка и регулировка....................................................308
5.11. Радиационно-стойкие озонаторы мощностью 1,5 кВти 1,25 кВт....................311

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................333

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ...............................................................341

5

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БТИЗ или IGBT - биполярный транзистор с изолированным затвором
ВАХ - вольтамперная характеристика
ИИП - импульсный источник питания
КПД - коэффициент полезного действия
ООС - отрицательная обратная связь
fn - частота пульсации, Гц
Грез - резонансная частота контура, Гц
1вх - входной ток, А
1вх.макс - максимальный входной ток, А
1вх.мин - минимальный входной ток, А
1вых - выходной ток, А
1вых.макс - максимальный выходной ток, А
1вых.мин - минимальный выходной ток, А
1н - ток нагрузки, А
1нам - ток намагничивания, А
L - индуктивность, Гн
Рвых - выходная мощность, Вт либо В»А
Ррас - рассеиваемая мощность, Вт
Ывых - выходное сопротивление, Ом
Ын - сопротивление нагрузки, Ом
гп - сопротивление потерь, Ом
T - период, сек
1и - длительность импульса, сек
1пр - длительность импульса прямого хода, сек
Ивх - входное напряжение, В
Ивх.макс - максимальное входное напряжение, В
Ивх.мин - минимальное входное напряжение, В
Ивых - выходное напряжение, В
Ивых.макс - максимальное выходное напряжение, В
Ивых.мин - минимальное выходное напряжение, В
Ин - напряжение, приложенное к нагрузке, В
Un - напряжение пульсации, В
W - энергия, Дж
w - число витков обмотки
у - коэффициент заполнения импульсов
умакс - максимальный рабочий цикл

6

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Различную аппаратуру обеспечивают токами и напряжениями, требуемыми для её успешного функционирования, силовые аппараты, называемые источниками электропитания. Источники электропитания входят в состав почти всех технических устройств. К исключению можно отнести детекторные приёмники, которые получают электропитание от передатчика, изымая энергию из эфира.
     В настоящее время среди устройств вторичного электропитания главенствующие позиции занимают импульсные источники питания (ИИП или SMPS), обладающие высокими показателями удельной мощности и КПД. Современный ИИП представляет собой сложный электронный прибор с нелинейными свойствами, состоящий из многих взаимовлияющих узлов, например, задающего генератора, умощняющих драйверов переключательных транзисторов, силового преобразователя напряжения, цепей стабилизации, защиты от аварийного режима и прочих. Лишь при правильном конструировании и проектировании каждого узла ИИП возможно успешное функционирование аппарата в целом и обеспечение заданных параметров работы. А тенденция к миниатюризации и повышению надёжности ИИП в тандеме с одновременным уменьшением массогабаритных характеристик усложняет труд разработчиков. Для возможного его облегчения был написан сей magnus opus. Первое издание этого труда было опубликовано в 2013 году. База книги построена на моих разработках многочисленных устройств и SPICE-моделей силовой электроники. С целью демонстрации крупных эпюр на представленных осциллограммах уровень нуля не соблюден, если не сообщено обратное. На осциллограммах, приведённых в третьем разделе книги, развёртка составляла 10 мкс/деление, если в сопроводительном тексте не было указано иное.
     Представленные в книге устройства не предназначены для повторения и применения. При конструировании устройств силовой электроники всегда существует вероятность поражения электротоком, применения некондиционных компонентов, ошибок, погрешностей средств измерения и считывания данных и пр. Поэтому если читатели станут повторять и эксплуатировать описываемые в книге устройства, то будут делать это на свой страх и риск, который особенно возрастает при недостатке квалификации и знаний. За травмы, моральные и материальные потери, включая упущенную выгоду, и любые убытки иного характера ни автор, ни издательство ответственности не несут.

                  Автор, ведущий инженер, Евгений Анатольевич Москатов из города Таганрога, Ростовской области, Российской Федерации vk.com/moskatov_e www.moskatov.narod.ru


7

1. ПАРАМЕТРЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1.1. Терминология

1.1.1. Генеральные положения

    Импульсный источник питания - это устройство, преобразующее электроэнергию импульсным методом на частоте, отличной от частоты питающей сети, и обеспечивающее нагрузку электроэнергией определённого качества. Конструктивно ИИП может быть оформлен как блок, модуль и т. п.
    Линейный источник питания - это устройство, снабжающее электроэнергией нагрузку, не осуществляя преобразования частоты.
    Инвертор (DC/AC) - это не содержащий подвижных частей преобразователь постоянного тока (direct current) в переменный ток (alternating current).
    Конвертор (DC/DC) - это электрическое устройство, не имеющее подвижных частей, в котором происходит преобразование постоянного тока одного значения в постоянный ток другого значения. Кроме того, в приборах силовой электроники применяют преобразователи AC/AC (пример - трансформатор) и AC/DC (пример - выпрямитель).
    Стабильность - это точность поддержки некоторого параметра заданным при влиянии на устройство различных дестабилизирующих факторов.
    Стабилизатор - это узел аппарата либо отдельная конструкция, поддерживающая определённый параметр неизменным с заданной степенью точности.
    Стабилизатор напряжения - это устройство, обеспечивающее фиксированное значение выходного напряжения, прикладываемого к нагрузке, при изменениях её сопротивления, флюктуации питающего напряжения и наличии прочих дестабилизирующих факторов.
    Стабилизатор тока - это устройство, отдающее ток заданной силы в нагрузку, в условиях непостоянств её сопротивления и питающего напряжения, а также при иных дестабилизирующих факторах.


1.1.2. Основные параметры и характеристики источников электропитания

    Время удержания - это время, в течение которого при исчезновении напряжения на входе электропитающего устройства выходное напряжение не покидает заданный

8

диапазон (например, благодаря энергоёмкости дросселя, постепенному разряду конденсатора большой ёмкости), сек. Энергия, накопленная конденсатором, равна:
Wc = C • U² /2,Дж,                        (1.1)
где C - ёмкость конденсатора, Ф;
    U - напряжение между обкладками, В.
     А энергия, запасённая в магнитном поле дросселя, составляет:
Wl = L • I2 /2,Дж,                        (1.2)
где L - индуктивность дросселя, Гн;
    I - ток, протекающий по обмотке, А.
     Длительное время удержания полезно устройствам электропитания вычислительной техники для снижения вероятности потерь данных при возникновении аварийного режима.
     Время установления - это длительность времени переходного процесса, начинаемого в момент импульсного возрастания напряжения либо тока, выходящего за границы диапазона восстановления, и заканчиваемого при окончательном возврате в него, сек.
     Выходное сопротивление аппарата (по-другому внутреннее динамическое сопротивление) - это отношение изменения приложенного к нагрузке напряжения Ливых к изменению выходного тока Л1вых:
Квых = Ливых / Л1вых, Ом.                     (1.3)
     Диапазон рабочих температур - это интервал температур окружающей среды, пребывая в котором источник питания способен функционировать, отвечая заданным требованиям к постоянству свойств в условиях флюктуации температуры окружающей среды, °C.
     Дрейф или нестабильность во времени - это наибольшее относительное отклонение параметра (например, тока, частоты, напряжения) от номинального значения за предопределённый интервал времени после установления теплового режима устройства, измеряемое при фиксированном входном напряжении, стабильной нагрузке и прочих неизменных внешних факторах, %.
     Коэффициент готовности - это вероятность правильного функционирования устройства в определённый интервал времени.
     Коэффициент мощности - это отношение потребляемых устройством от сети мощностей: активной к общей; это безразмерная величина, не превышающая единицы. Для сетей с синусоидальными колебаниями коэффициентом мощности будет совф, где Ф - это угол фазового сдвига между потребляемым от сети током и входным напряжением. В случае теоретического максимума совф = 1, ф = 0, т. е. фазовый сдвиг отсутствует, что на практике недостижимо, однако, применяя активные корректоры коэффициентов мощности, можно получить высокие коэффициенты мощности, достигающие 0,95...0,99.

9

     Коэффициент полезного действия - это отношение активной мощности, потребляемой нагрузкой, к активной мощности, поглощаемой электропитающим устройством. КПД источника электропитания в номинальном режиме работы можно вычислить согласно выражению:
                             п
^ P вых.ном.к
ц= --------------100, %,                    (1.4)
Рп.ном
где п - число выходов электропитающего устройства;
    Рвых.ном.к - номинальная выходная мощность, поглощаемая нагрузкой k-го выхода, Вт;
    Рп.ном - номинальная мощность, потребляемая от сети электропитающим устройством, Вт.
     Нагрузочная характеристика - это зависимость напряжения на выходных зажимах электропитающего устройства от тока нагрузки. По графику нагрузочной характеристики можно определить ток, протекающий по нагрузке, и приложенное к ней напряжение при изменении её сопротивления, а также выходное сопротивление электропитающего устройства.


1.1.3. Эксплуатационные и специальные термины

     Аварийный режим - это сбой нормального функционирования электропитающего устройства.
     Дестабилизирующий фактор - это воздействие, приводящее к изменению какого-либо параметра относительно постоянного значения. К отклонениям от заданного параметра могут приводить флюктуации сетевого напряжения, потребляемого нагрузкой тока, колебания температуры, изменения параметров компонентов вследствие их старения и др.
     Диапазон регулирования - это участок, при нахождении в котором некоторого параметра возможна его стабилизация или иное управление им с целью обеспечения выдвигаемых требований, %.
     Надёжность источника питания - это свойство электропитающего устройства не менять свои параметры функционирования сверх заданных пределов в установленных режимах и в течение предопределённого интервала времени.
     Нестабильность по напряжению сети - это относительное предельное изменение напряжения либо тока нагрузки по сравнению с номинальным значением, получаемое при отклонении сетевого напряжения в заданном диапазоне при условии постоянства прочих воздействующих факторов, %.
     Пульсация - это наибольшее значение амплитуды либо размаха переменной составляющей напряжения или переменного тока, учитывающее наводки, на входных и выходных шинах источника электропитания, мВ либо %.

10

1.2. Классификация электропитающих устройств


     По назначению устройства электропитания могут быть либо первичными, либо вторичными. К первичным устройствам электропитания относят генераторы переменного либо постоянного токов. По разновидностям преобразований энергий из неэлектрической в электрическую выделяют такие первичные электропитающие устройства как атомные и солнечные батареи, механические и термогенераторы, топливные элементы, химические источники тока и пр. Как правило, первичные устройства электропитания не обеспечивают необходимые нагрузкам параметры и качество электроэнергии, например, возможны быстрые либо медленные флюктуации выходных напряжений. Поэтому для достижения необходимых параметров и заданной надёжности функционирования между первичным устройством электропитания и нагрузкой подсоединяют промежуточный аппарат - вторичный источник питания, который может располагать цепями защиты, стабилизации и др. Вторичные электропитающие устройства могут содержать звенья преобразователей частот, а могут их и не иметь.
     По входным параметрам выделяют аппараты, имеющие входы постоянного либо переменного токов и напряжений. По числу фаз устройства электропитания могут быть подключены к однофазным либо трёхфазным сетям. В Российской Федерации согласно ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009) приняты однофазные сети 230 В ± 10 % и трёхфазные 400 В±10 % линии переменного тока с частотой 50 ± 0,5 % Гц. Постоянное выходное напряжение устройств электропитания разработчикам отечественной аппаратуры рекомендовано выбирать из ряда: 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,5; 9,0; 12; 15; 24; 30; 36; 40; 48; 60; 72; 80; 96; 110; 125; 220; 250; 440; 600 В. Конечно, существует множество устройств, электропитание которых должно быть осуществлено нетиповым напряжением. Например, 7,4 В составляет номинальное постоянное напряжение литий-ионных аккумуляторов EN-EL14, используемых со многими фотоаппаратами фирмы «Nikon». А номинальное постоянное выходное напряжение зарядных устройств ко многим ноутбукам «Acer Extensa» составляет 19 В.
     По числу выходов электропитающие устройства могут быть одноканальными либо многоканальными.
     По разновидности энергии, отдаваемой в нагрузку, различают аппараты с выходами постоянного, переменного токов, а также комбинированные. Переменное выходное напряжение может быть как однофазным, так и многофазным.
     По мощности (Рвых), подаваемой в нагрузку, электропитающие устройства условно классифицируют на микромощные (Рвых < 1 Вт), малой мощности (Рвых = = 1. ..10 Вт), средней мощности (Рвых = 0,01. ..0,1 кВт), повышенной мощности (Рвых = = 0,1.1 кВт) и большой мощности (Рвых > 1 кВт) [109, с. 12; 129, с. 11].
     По номинальному выходному напряжению (Ивых) выделяют электропитающие устройства с высоким (Ивых > 1 кВ), повышенным (Ивых = 0,1.1 кВ) и низким (Ивых < 100 В) напряжением [129, с. 12]. Электропитающее устройство называют высоковольтным, если его выходное напряжение превышает 1 кВ. А высокопотенциальным называют электропитающее устройство, любая из выходных цепей которого об

ll

ладает потенциалом относительно общего провода системы или заземления, превышающим 1 кВ.
     По степени постоянства выходного тока либо прикладываемого к нагрузке напряжения рассматривают стабилизирующие и нестабилизирующие электропитающие устройства. Стабилизирующие электропитающие устройства поддерживают постоянство выходного тока либо приложенного к нагрузке напряжения на фиксированном уровне в условиях влияния дестабилизирующих факторов. Коэффициент стабилизации по напряжению (Ксти) характеризует отношение относительных изменений входного (АИвх) и выходного (АИвых) напряжений при заданной силе тока нагрузки [64, с. 25]:

Кст и =

АИ вх/ _____/И вх АИ вых/ /И вых

(1.5)

где АИвх = Ивх.макс - Ивх.мин, а АИвых = Ивых.макс - Ивых.мин.
     Аналогично коэффициент стабилизации по току (Кси) отображает отношение относительных изменений входного (А1вх) и выходного (А1вых) токов при заданном напряжении, приложенном к нагрузке:

Кст I =

AI вх/ _____/I вх AI вых/ /I вых

(1.6)

где А!вх = [вх.макс - [вх.мин, а А!вых = [вых.,макс - [вых.мин.
     По способу стабилизации такие устройства могут быть параметрическими (их принцип действия основан на использовании нелинейности ВАХ компонентов), компенсационными, либо комбинированными, а по дискретности её осуществления - непрерывного либо импульсного действия.
     По допустимому отклонению выходного напряжения либо тока от номинального значения точность электропитающих устройств может быть низкой (отклонение превышает 5 %, что обычно бывает при отсутствии стабилизации), средней (1...5 %), высокой (0,1.. .1 %), а при отклонении менее 0,1 % устройство называют прецизионным.



1.3. Структурные схемы электропитающих устройств

1.3.1. Обзор вариантов исполнения электропитающей системы

    Идеальное электропитающее устройство должно иметь 100 % КПД, неизменное выходное напряжение (либо ток) при воздействии любых дестабилизирующих факторов, равное нулю (либо бесконечности) внутреннее динамическое сопротивление на

12

любой частоте, не должно генерировать пульсации и шум на входных и выходных шинах, не должно обладать какими-либо массой, габаритами и стоимостью. Идеальных устройств на практике не бывает. Можно лишь приблизить некоторые критические параметры и характеристики к недостижимому идеалу, причём в ущерб остальным. Поэтому выбор технического решения - это компромисс.
     Современное электропитающее устройство строят на принципах централизованного, децентрализованного (распределённого) либо комбинированного исполнений. Электропитающее устройство централизованного исполнения содержит единственный блок, обеспечивающий энергией все нагрузки. Как правило, такой источник электропитания обладает небольшими габаритами, однако могут иметь место трудности в преодолении паразитных связей и помех между выходами, и возникновение аварийного режима обычно приводит к нарушению электропитания всех потребителей. Электропитающее устройство децентрализованного исполнения содержит дискретные источники питания для каждой нагрузки, либо его функциональные части, соединённые посредством распределительного устройства. В таком исполнении маловероятны сложности обеспечения нагрузок электропитанием оптимального качества и достижении высокой помехозащищённости, однако такая система обычно громоздка и дорога. В комбинированном исполнении электропитающей системы присутствуют как централизованные, так и децентрализованные фрагменты. Так, часть нагрузок может получать электропитание от центрального источника питания, а часть - от собственных преобразователей и стабилизаторов. Комбинированную систему можно выполнить компактной, недорогой, обеспечивая каждую нагрузку электроэнергией требуемого качества при необходимой помехозащищённости.
     Устройство вторичного электропитания в зависимости от требований технического задания, стоимости проектирования и изготовления может быть выполнено в соответствии либо с линейной, либо с бестрансформаторной структурой. Линейный источник питания содержит силовой трансформатор, который функционирует на частоте сети переменного тока. Бестрансформаторный ИИП не имеет силового линейного трансформатора (что повлияло на название структуры), а вместо него располагает преобразователем, в котором обычно установлен импульсный трансформатор, работающий на высокой частоте.


1.3.2. Механизм повышения КПД ИИП по сравнению с линейными электропитающими устройствами

    Активный режим энергетически невыгоден тем, что регулирующий компонент постоянно рассеивает мощность, которая тем значительней, чем больше ток нагрузки (пример: ток стока либо коллектора транзистора), а также разность входного и выходного напряжений (пример: напряжение сток-исток, коллектор-эмиттер), что запишем формулой:
Ррас = 1вых • (Ивх - Ивых), Вт.           (1.7)


13