Проектирование силового широтно-импульсного модулятора

 Введение

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности являются преобразователями вида и качества электрической энергии. Довольно редко и только в маломощных автономных системах удается осуществить питание всех устройств непосредственно от первичного источника электроэнергии, то есть от преобразователя неэлектрической энергии в электрическую. В большинстве случаев первичный источник или стандартная сеть по частоте, стабильности или напряжению оказываются непригодными для питания электронных устройств. Поэтому возникает необходимость преобразования электрической энергии.

Класс устройств, преобразующий электрическую энергию, весьма разнообразен и охватывает диапазон мощностей от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Преобразователи электрической энергии широко используются в наземных стационарных установках и на всех подвижных объектах. Поэтому первичные источники могут быть весьма различными, а преобразуемое напряжение – постоянным от нескольких вольт или переменным до сотен вольт.  

В настоящее время все большее внимание уделяется импульсным методам регулирования в полупроводниковых стабилизаторах напряжения. Импульсные стабилизаторы отличаются от устройств с непрерывным регулированием более высоким КПД, значительной выходной мощностью, повышенной надежностью и, кроме того, способны работать при более широких пределах изменения входного напряжения.

Разработка новых поколений электронной аппаратуры связана с ее интеграцией и усложнением функциональных возможностей. Все более жесткими становятся требования: к точности стабилизации выходных параметров ИВЭП; подавлению пульсаций и импульсных помех, поступающих со входа; качеству переходных процессов при коммутации нагрузок; времени включения и значениям выбросов выходного напряжения и токов РЭ при включении, то есть к тем показателям ИВЭП, которые образуют единое понятие «Качество электроэнергии».

ИВЭП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) являются нелинейными дискретными системами автоматического управления. Основные причины нелинейности: широтно-импульсный характер регулирования; ограниченность диапазона измерения напряжения на входе сглаживающего фильтра, которое как правило, не может изменить полярность и не превышает входного напряжения ИВЭП; изменение структуры силовой части и появление прерывистых токов (потоков) дросселей. Помимо описанных могут быть и другие, менее существенные причины появления нелинейности, связанные, например, с работой схемы управления.             

На практике используются однофазные и многофазные схемы ШИМ. При использовании однофазных схем возникает необходимость применения больших индуктивностей, вследствие чего увеличиваются электромагнитные помехи, а также огромные пульсации входного и выходного токов. Также очень высоки динамические потери в ключе.  

Поэтому лучше всего использовать многофазные схемы, которые позволяют работать схеме при тех же параметрах, что и однофазные, но с меньшими требованиями к элементам схемы. Вследствие чего уменьшаются входные и выходные пульсации, электромагнитные помехи, а также снижаются динамические потери в ключе, значительно улучшается качество переходных процессов, исключаются погрешности в области средних частот в установившемся режиме и подавляются входные пульсации в этой области.

Особенно интересно отметить изменение экономических и габаритных показателей устройств с использованием многофазных силовых ШИМ.

1.АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Общие сведения о преобразователях с ШИМ

Для упрощения процесса проектирования часто используется квазинепрерывное представление импульсных ИВЭП. При таком подходе могут быть применены хорошо разработанные методы синтеза непрерывных систем. Проектирование на основе непрерывной модели импульсного ИВЭП требует значительного отдаления частот среза  и коммутации .

Увеличение отношения   в ИВЭП достигается за счет габаритных размеров фильтра, создания узкополосной системы при помощи цепей коррекции или в результате повышения частоты коммутации.

При первом и втором способах ухудшаются переходные процессы и подавление пульсаций в широком диапазоне частот, а при третьем-растут потери в мощных элементах.

Использование первого и третьего способов увеличения отношения   противоречит требованию миниатюризации ИВЭП. Поэтому требования миниатюризации  и высокого качества выходного напряжения ИВЭП определяют сближение частот коммутации, среза и резонансной частоты фильтра  . В этом случае непрерывное представление становится недостоверным, а часто и недопустимым. Сказанное свидетельствует о необходимости формирования динамических свойств ИВЭП на основе методов, разработанных для дискретных систем управления. Один из них основан на применении импульсной линейной модели (ИЛМ) ИВЭП.