Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности являются преобразователями вида и качества электрической энергии. Довольно редко (и только в автономных системах) удается осуществить питание всех устройств -непосредственно от первичного источника электроэнергии, т. е. 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, преобразующих электрическую энергию, весь--ма разнообразен и охватывает диапазон мощностей от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Преобразователи электрической. энергии широко используются в наземных стационарных установ--ках, на автомобилях, кораблях и летательных аппаратах. Поэтому первич1ные источники могут быть весьма различными, а преобразуемое напряжение-постоянным от нескольких вольт или переменным до сотен вольт.

Из-за большого разнообразия преобразовательных устройств? невозможно изложить все методы их проектирования в ограниченном объеме. В этом и нет необходимости, так как преобразовательная техника разделилась на ряд существенно различных областей,.

В данном издании, входящем в серию книг-справочников «Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на интегральных микросхемах», изложены методы проектировдния транзисторных ИВЭП мощностью от нескольких ватт до сотен ватт, необходимых, для литания различ)ных электронных устройств. Основной задачей" проектирования ИВЭП является их миниатюризация, т. е. получение заданной мощности при минимальном объеме. Для этого опи--сываются средства и методы, способствующие .миниатюризацию ИВЭП и получению требуемого качества электрической энергии.

Основное внимание уделяется актуальным вопросам теории,, проектирования и конструирования ИВЭП, включая методы комплексной миниатюризации, обеспечения безопасных режимов работы, расчета статических и динамических параметров. Значительный-объем книги занимают описания типовых схемных решений и прак-

тических схем, конструкторские и технологнчеокие вопросы создания ИВЭП.

В основу книги положены результаты обобщения опыта разра-•боток и .производства ИВЭП в ряде организаций и промышленных предприятий, представленных коллективом авторов.

Глава 1 написана Ю. И. Коневым; гл. 2 -С. С. Букреевым и К. П. Поляниным; гл. 5 - Г. М. Малышковым и И. Н. Соловьевьгм; гл. 6 -Ю. Н. Шуваевым; гл. 7 -Г. Н. Гуляковичем; § 3.1, 4.1 - 4.5 В. И. Мелешиным и Ю. Ф. Опадчим; § 3.2, 3.3, 3.5, 3.6, 3.10, 4.6-4.9 В. А. Голавацким и А. И. Юрченко; § 3.4 -Ю. И. Коневым, В.И. Мелешиным, Ю. Ф. Опадчим; § 3.7-В. А. Головацким, Ю. И. Коневым, А. И. Юрченко; § 3.8, 3.9 -С. С. Букреевым, В. И. Мелешиным, Ю. Ф. Опадчим.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензенту П. Н. Заике за ценные замечания, способствовавшие улучшению содержания книги.

Отзывы о книге просим присылать по адресу: 101000, Москва, Главиочтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь».

Авторы

ГЛАВА 1

ПРИНЦИПЫ МИНИАТЮРИЗАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

1.1. Общие положения

Миниатюризация является генеральным направлением развития современной электронной техники.

На фоне успехов миниатюризации цифровых и аналоговых устройств преобразования сигналов становится все более заметной недостаточ1ная степень миниатюризации преобразователей электрической энергии и других силовых электронных устройств.

Источники вторичного электропитания предназначены для получения заданной мощности в нагрузке при определенном законе преобразования энергии. Требуемая мощность часто оказывается значительной, и поэтохму достижения интегральной техники в смысле повышения плотности упаковки электронных элементов не оказывают прямого и решающего влияния на миниатюризацию ИВЭП.

Миниатюризация потребителей энергии приводит к увеличению относительного объема ИВЭП в системе, если их миниатюризация не осуществляется одновременно и с такой те эффективностью.

Нельзя оставить без веимания сложившийся десятилетиями взгляд на ИВЭП как на простейшиеи второстепенные по значению устройства, что отразилось на уровне подготовки специалистов в этом направлении. Однако жизнь уже доказала, что рассматривать ИВЭП как сочетание простейших элементов: трансформаторов, выпрямителей, сглаживающих фильтров и стабилизаторов непрерывного действия - дальше нельзя, так как объем и масса ИВЭП становятся больше объема и массы питаемой ими Микроэлектронной аппаратуры.

Попытки изменить сложившееся положение в рамках традиционных способов проектирования и производства ИВЗП закончились почти безрезультатно, так как электромагнитные и тепловые нагрузки элементов доведены до физических пределов, а дальнейший прогресс материалов идет крайне .медленно. Преодоление существующих трудностей в031м0жн0 путем перехода от преобразований энергии на стандартных низких частотах (50 и 400 Гц) к преобразованиям на частотах в десятки и сотни килогерц при преимущественно прямоугольной форме напряжения. Такие устройства известны давно, и нх принципы действия и методы проектирования изучены и описаны.

Однако, несмотря на легкость и простоту принципиальной реализации таких ИВЭП, разработка устройств с высокими удельными показателями, высокой надежностью и воспроизводимостью является сложной задачей, и на практике часто результаты разработок не оправдывают ожиданий. Это объясняется сложностью и своеобразием процессов в ИВЭП нового типа и необходимостью

выполнения многих требований и реализации сложных процессов обязательно в комплексе. К этим требованиям и процессам молено отнести следующее:

обоснованный выбор структуры и схемы ИВЭП;

обеспечение достаточно высокого КПД;

формирование безопасных траекторий переключения силовых транзисторов;

обеспечение безопасных для всех элементов переходных электрических процессов при включении устройств;

защита от перегрузок и аварийных режимов;

предотвращение сквозных неконтролируемых токов силовых транзисторов;

симметрирование режима силовых трансформаторов в двухтактных схемах;

обеспечение заданных динамических параметров импульсных ИВЭП;

проектирование и расчет схем с учетом температурных и технологических разбросов параметров элементов;

подавление помех, возникающих при импульсном принципе действия ИВЭП;

оптимальное проектирование ИВЭП с учетом особенностей интегрально-гибридной технологии.

Только при выполнении всех требований к рел<имам элементов ИВЭП и оптимальном выборе их параметров могут быть получены высокие удельные показатели, обеспечены надежность и воспроизводимость ИВЭП нового типа.

Следует подчеркнуть, что большинство неудачных результатов при разработке и попытках промышленной реализации современных ИВЭП объясняется невыполнением именно комплекса требований, перечисленных выше, в предположении, что наличие мощных транзисторов является достаточным условием построения ИВЭП с нужными параметрами. Однако этого недостаточно. Особенно обострились проблемы обеспечения необходимых режимов транзисторов и других элементов в связи с применением высоковольтных транзисторов для построения преобразователей сетевого напряжения.

Другими важными вопросами при оценке направлений развития новых типов ИВЭП являются обоснованное определение возможностей полупроводниковой технологии и максимальное ее использование для построения ИВЭП и систем электропитания. Полупроводниковые специализиро!ванные микросхемы для ИВЭП обладают большими функциональными возможностями при малом объеме, но их энергетические возможности ограничены этим же малым, объемом.

Для реализации принципа импульсного регулирования, согласования уровней питающего напряжения и напряжения на нагрузке, гальванической развязки силовых цепей и построения силовых фильтров остаются необходимыми трансформаторы, дроссели и конденсаторы. Поэтому различные элементы преобразователя 6

электрической энергии нельзя рассматривать отдельно. Для осуществления процессов преобразования энергии одинаково необходимы силовые транзисторы н диоды, специализированные микросхемы, конденсаторы, дроссели, трансформаторы. Элементная база ИВЭП должна рассматриваться, оцениваться и совершенствоваться в комплексе.

1.2. Критерии и принципы миниатюризации ИВЭП

Критериями миниатюризации преобразователей электрической энергии являются удельная мощность (Вт/дм) и относительный объем, т. е. отношение объема преобразователя Уп к объему потребителя (нагрузки) Ун или к суммарному объему системы Vj.= = V.+ Vn.

Известно, что габариты любого электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплоотвода, либо<он-структивным объемом, необходимым для размещения деталей.

Требуемая поверхность теплоотвода при заданных выходной мощности и условиях теплоотвода полностью определяется КПД преобразователя, который зависит от его принципа действия, количества последовательных преобразований энергии и удельных на грузок в элементах схемы, т. е. от плотности тока /, максимальной индукции В, рабочей частоты ю. Объем, необходимый для размещения деталей, зависит от их конструктивного исполнения и тех же удельных нагрузок: /, В, (о.

Результаты исследований подтверждают общее положение о том, что при увеличении удельных нагрузок уменьшается суммарный объем деталей, уменьшается КПД, увеличивается требуемая поверхность теплоотвода. При некоторой совокупности удельных нагрузок конструкция имеет минимальный объем, соответствующий оптимальному КПД, плотной упаковке деталей и требуемой поверхности теплоотвода при заданной температуре. Отступление от оптимальной совокупности удельных нагрузок приводит к тому, что объем конструкции увеличится из-за увеличения объема деталей или требуемой поверхности теплоотвода. В первом случае при сохранении плотной упзковки деталей их температура будет ниже заданной. Во втором случае температура деталей будет заданной, но неполностью использован объем [26].

Миниатюризация силовых устройств требует совместного решения, по крайней мере, пяти взаимосвязанных проблем: энергетических, структурных, конструкторско-технологичеоких, системных, организационных.

Энергетические проблемы миниатюризации заключаются в необходимости получения в любом ИВЭП достаточно высокого КПД, чтобы рассеиваемая мощность не требовала поверхности охлаждения, препятствующей миниатюризации. Энергетические проблемы решаются различными способами для двух классов ИВЭП: непрерывного действия и импульсных.