Импульсные источники питания и их роль в нашей жизни (ЧАСТЬ 1)

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой источников питания постоянного тока, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

Введение

Наш образ жизни окружен разнообразными силовыми электронными продуктами, включая инверторные кондиционеры, инверторные люминесцентные лампы, холодильники, двигатели, усилители и ИБП. Платы управления питанием для этих продуктов содержат микрокомпьютеры, которые измеряют условия нагрузки, чтобы обеспечить оптимальное управление. Например, микрокомпьютеры в кондиционерах оценивают текущую нагрузку, чтобы выполнять точный контроль шума и температуры. Это достигается путем изменения скорости вращения двигателя и без каких-либо ограничений для инвертора двигателя. Аналогично, панель управления инвертором в люминесцентных лампах подавляет мерцание при непрерывном высокочастотном освещении.

Импульсные блоки питания — это блоки питания со встроенными панелями управления питанием, которые выполняют сложное (точное и интеллектуальное) и высокоскоростное управление для электрооборудования и продуктов.

Импульсные блоки питания встроены в различные силовые электронные продукты и применяются во многих областях, как можно увидеть на рисунке 1.

Рисунок 1 – Применения импульсного источника питания.

Фактические импульсные источники питания конфигурируются с панелями управления питанием, которые осуществляют управление и выходные преобразования, как показано на рисунке 2. Помимо микрокомпьютеров, монтируются такие элементы, как конденсаторы, фильтры, трансформаторы, силовые модули (устройства).

Рисунок 2 - Панели управления питанием, встроенные в люминесцентные лампы инверторного типа (выдержка из книги «Транзисторная технология»).

Импульсные источники питания имеют встроенное устройство, которое выполняет «переключение» (элемент, который может включать/выключать часть электрической цепи, такую как MOSFET и IGBT). Выходной сигнал можно изменять без ограничений, выполняя высокоскоростное переключение входного напряжения. Преобразование входного сигнала может происходить в преобразователе переменного тока в постоянный, постоянного тока в постоянный или постоянного тока в переменный. Технология импульсных источников питания во многом зависит от MOSFET, IGBT и других полупроводниковых коммутационных устройств. Не будет преувеличением сказать, что коммутационные устройства являются определяющим фактором общей производительности импульсных источников питания.

Рисунок 3 представляет собой схематический чертеж импульсного источника питания.

Рисунок 3 - Чертеж схемы импульсного источника питания.

Как показано на рисунке 3, электроэнергия поступает слева и переключается с переменного тока на постоянный ток и выходит справа. Импульсный источник питания, применяемый в различных областях, как указано на рисунке 1, преобразует переменный ток в постоянный, постоянный ток в постоянный ток и постоянный ток в переменный ток, как показано на рисунке 3.

Импульсные источники питания обладают следующими характеристиками.

·      Компактность, легкость и высокая эффективность

·      Хорошая точность в широком диапазоне напряжений и токов

·      Хорошая реакция на колебания нагрузки

В целом, последовательные (линейные) регуляторы испытывают большие потери мощности и не способны эффективно управлять мощностью. Напротив, полупроводниковые переключатели, которые чередуются (переключаются) между состояниями ВКЛ и ВЫКЛ, имеют низкие потери и обеспечивают высокоэффективное управление.

В общем, схемы переключения должны быть спроектированы так, чтобы соответствовать следующим требованиям.

1.    Высокая эффективность преобразования мощности

Схема должна эффективно преобразовывать мощность даже при изменяющихся нагрузках, искажении формы сигнала и других помехах.

2.    Высокая надежность

Пользователям требуются схемы, которые могут выдерживать резкие изменения пиковых нагрузок, входного напряжения, а также превосходные температурные характеристики. Также важно, чтобы они были невосприимчивы к внешним шумам (чтобы избежать поломок или неисправностей).

3.    Контрмеры против гармоник

Линии электропитания переменного тока используются для ограничения искаженных форм сигналов с целью предотвращения повреждения другого оборудования. Регулируется стандартами EN (EN61000-3-2).

4.    Низкое энергопотребление

Миниатюризация оборудования путем регулирования тепла, а также достижение низкого энергопотребления для защиты окружающей среды. Чтобы сократить потребление электроэнергии в режиме ожидания, важно быть эффективным не только при нормальном выходе, но и при минутных выходах.

5.    Низкая цена

Измерение форм сигналов переключения и расчет потерь являются двумя наиболее типичными элементами при оценке схем переключения и необходимы для повышения эффективности приборов и снижения энергопотребления. Чтобы повысить эффективность преобразования энергии, инженеры должны оценить потери переключения (устройства).

Из вышесказанного можно выделить следующие проблемы, касающиеся проектирования коммутационных цепей (источников питания).

1.    Снижение потерь при коммутации

2.    Повышение надежности (подтверждение SOA)

3.    ЭМС (подавление гармонических токов и снижение шума)

4.    Снижение стоимости

Схема импульсного источника питания

Легко оценить импульсные силовые устройства в или встроенных источниках питания, используя функцию анализа источника питания в цифровых осциллографах серии DLM2000/DL9000. С другой стороны, цифровые измерители мощности серии WT используются для измерения мощности во всем оборудовании. На рисунке 4 представлена блок-схема фактического эксперимента и оценки.

Рисунок 4 - Поток эксперимента и оценки.

Измерение форм сигналов переключения и вычисление потерь являются двумя наиболее типичными элементами оценки цепей переключения и являются необходимыми для повышения эффективности приборов и снижения энергопотребления. Чтобы повысить эффективность преобразования энергии, инженеры должны оценить потери переключения (устройства).

Потери при переключении — это потери электроэнергии, потребляемой в виде тепла, выделяемого при включении/выключении устройства. Потери при переключении можно определить следующими терминами во время работы коммутационного устройства:

1) Потери мощности при переходе из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ — потери при включении (T1-T2)

2) Потери мощности во время состояния ВКЛ: потери проводимости (T2 – T3)

3) Потери мощности при переходе из состояния ВКЛ в состояние ВЫКЛ — потери при выключении (T3-T4)

4) Циклические потери, включая потери проводимости T2 – T3: общие средние потери (T1 – T5)

Рисунок 5 - Поток эксперимента и оценки.

Потери при переключении вычисляются как площадь (интеграл) умноженных форм волн Vds и Id, как показано на рисунке 5. Например, результаты вычислений для потерь при включении (T1 – T2) представляют собой заштрихованную область на рисунке 5.

Используя функцию анализа источника питания DLM2000/DL9000, потери в (1)–(3) выше автоматически вычисляются из измеренных данных формы волны.

Анализ потерь при переключении

Рисунок 6 представляет собой пример измерения и вычисления форм сигналов потерь при выключении с помощью DLM2000. CH1 на DLM2000 измеряет напряжение сток-исток V (Vds), а CH2 измеряет ток стока I (Id). Осциллографы выполняют умножение и интегрирование V*I (мощность).

Рисунок 6 - Пример формы сигнала потерь при выключении.

Измерения потерь 1)–4) вычисляются по следующей формуле для расчета параметров потерь Wp и P.

Включение/выключение, потеря проводимости 1), 2) и 3):

Wh] T 2 ds T 1 (t・)  Id (t) dt

Область потерь (интегральная область) указывается с помощью курсора диапазона вычислений (курсор диапазона). T1–T5 указывается с помощью курсора, когда выбран выделенный параметр Wp или P.

Единица потерь (Wp), полученная из формулы, будет Wh или J (по выбору). В случае, если необходимо рассчитать потерю единицы W, используйте параметр P, а не Wp.

Рисунок 7 - Измерение форм волн потерь при выключении и примеры вычисления потерь (DLM2000).

Контроль подробностей может быть выполнен за короткое время с помощью вычислений в режиме реального времени с помощью серии DLM2000/DL9000. С помощью специальной функции анализа оценка GO/NG может быть скорректирована визуально и количественно.

Оценка переходного отклика потерь при включении

Когда происходят изменения в условиях, таких как запуски, импульс переключения динамически изменяется. В этих обстоятельствах крайне важно понять переходные условия операций при оценке потерь при включении и выключении, которые изменяются за каждый импульс переключения. Функция памяти истории серий DLM2000/DL9000 со встроенной длинной памятью может захватывать все импульсы переключения, которые динамически изменяются с помощью высокоскоростного сбора данных. Она также может измерять импульсы переключения для каждого импульса.

Рисунок 8 представляет собой изображение измерения потерь с использованием функции памяти истории.

Рисунок 8 - Измерение потерь с использованием функции памяти истории (изображение).

Дисплей после захвата каждой из нескольких захваченных форм сигналов цикла переключения можно проверять по одной за раз, как показано на рисунке 9. Несколько циклов форм сигналов также можно накладывать на дисплей (см. рисунок 6) для легкого сравнения цикл за циклом.

Это означает, что несколько циклов форм сигналов можно захватить в память истории, изменяя номинальную нагрузку, приложенную к коммутационному устройству, чтобы оценить корреляцию между потерями при переключении и нагрузкой.

Кроме того, функция ответа на историю может воспроизводить тенденции в форме сигнала переключения с течением времени на экране DLM2000/DL9000 для просмотра позднее.

Рисунок 9 - Отображение захваченных форм сигналов цикла переключения.

ПРОДОЛЖЕНИЕ СЛЕДУЕТ…

Магазин Gtest® - официальный поставщик источников (блоков) питания постоянного тока в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/bloky-pitaniya