Імпульсні джерела живлення та їх роль у нашому житті (ЧАСТИНА 1)

Посилання на сторінку сайту Магазину Gtest(R) з номенклатурою джерел живлення постійного струму, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти - наприкінці цієї Розділу

Вступ

Наш спосіб життя оточений різноманітними силовими електронними продуктами, включаючи інверторні кондиціонери, інверторні люмінесцентні лампи, холодильники, двигуни, підсилювачі та ДБЖ. Плати керування живленням цих продуктів містять мікрокомп'ютери, які вимірюють умови навантаження, щоб забезпечити оптимальне управління. Наприклад, мікрокомп'ютери в кондиціонерах оцінюють поточне навантаження, щоб виконувати точний контроль шуму та температури. Це досягається шляхом зміни швидкості обертання двигуна та без будь-яких обмежень для інвертора двигуна. Аналогічно, панель управління інвертором в люмінесцентних лампах пригнічує мерехтіння при високочастотному безперервному освітленні.

Імпульсні блоки живлення - це блоки живлення з вбудованими панелями керування живленням, які виконують складне (точне та інтелектуальне) та високошвидкісне керування для електроустаткування та продуктів.

Імпульсні блоки живлення вбудовані в різні силові електронні продукти та застосовуються у багатьох областях, як можна побачити на рисунку 1.

Рисунок 1 – Застосування імпульсного джерела живлення.

Фактичні імпульсні джерела живлення конфігуруються з панелями керування живленням, які здійснюють керування та вихідні перетворення, як показано на рисунку 2. Крім мікрокомп'ютерів, монтуються такі елементи, як конденсатори, фільтри, трансформатори, силові модулі (пристрою).

Рисунок 2 - Панелі керування живленням, вбудовані в люмінесцентні лампи інверторного типу (витяг із книги «Транзисторна технологія»).

Імпульсні джерела живлення мають вбудований пристрій, який виконує перемикання (елемент, який може включати/вимикати частину електричного ланцюга, таку як MOSFET та IGBT). Вихідний сигнал можна змінювати без обмежень, виконуючи високошвидкісне перемикання вхідної напруги. Перетворення вхідного сигналу може відбуватися в перетворювачі змінного струму на постійний, постійного струму на постійний або постійного струму на змінний. Технологія імпульсних джерел живлення залежить від MOSFET, IGBT та інших напівпровідникових комутаційних пристроїв. Не буде перебільшенням сказати, що комутаційні устрою є визначальним чинником загальної продуктивності імпульсних джерел живлення.

Рисунок 3 є схематичним кресленням імпульсного джерела живлення.

 Рисунок 3 - Креслення схеми імпульсного джерела живлення.

Як показано на рисунку 3, електроенергія надходить зліва і перемикається зі змінного струму на постійний струм і виходить праворуч. Імпульсне джерело живлення, що застосовується в різних областях, як зазначено на малюнку 1, перетворює змінний струм на постійний, постійний струм на постійний струм і постійний струм на змінний струм, як показано на рисунку 3.

Імпульсні джерела живлення мають такі характеристики.

·      Компактність, легкість та висока ефективність

·      Хороша точність у широкому діапазоні напруг та струмів

·      Хороша реакція на коливання навантаження

В цілому, послідовні (лінійні) регулятори зазнають великих втрат потужності і не здатні ефективно керувати потужністю. Навпаки, напівпровідникові перемикачі, які чергуються (перемикаються) між станами ВКЛ та ВИМК, мають низькі втрати та забезпечують високоефективне керування.

Загалом схеми перемикання повинні бути спроектовані так, щоб відповідати наступним вимогам.

1.    Висока ефективність перетворення потужності

Схема повинна ефективно перетворювати потужність навіть при змінних навантаженнях, спотворенні форми сигналу та інших перешкод.

2.    Висока надійність

Користувачам потрібні схеми, які можуть витримувати різкі зміни пікових навантажень, вхідної напруги та чудові температурні характеристики. Також важливо, щоб вони були несприйнятливими до зовнішніх шумів (щоб уникнути поломок або несправностей).

3.    Контрзаходи проти гармонік

Лінії електроживлення змінного струму використовуються для обмеження спотворених форм сигналів з метою запобігання пошкодженню іншого обладнання. Регулює стандарт EN (EN61000-3-2).

4.    Низьке енергоспоживання

Мініатюризація обладнання шляхом регулювання тепла та досягнення низького енергоспоживання для захисту навколишнього середовища. Щоб скоротити споживання електроенергії в режимі очікування, важливо бути ефективним не лише за нормального виходу, але й за хвилинних виходів.

5.    Низька ціна

Вимірювання форм сигналів перемикання та розрахунок втрат є двома найбільш типовими елементами при оцінці схем перемикання та необхідні для підвищення ефективності приладів та зниження енергоспоживання. Щоб підвищити ефективність перетворення енергії, інженери повинні оцінити втрати перемикання (пристрою).

З вищесказаного можна назвати такі проблеми, що стосуються проектування комутаційних ланцюгів (джерел харчування).

1.    Зниження втрат при комутації

2.    Підвищення надійності (підтвердження SOA)

3.    ЕМС (придушення гармонічних струмів та зниження шуму)

4.    Зниження вартості

Схема імпульсного джерела живлення

Легко оцінити імпульсні силові пристрої або вбудованих джерелах живлення, використовуючи функцію аналізу джерела живлення в цифрових осцилографах серії DLM2000/DL9000. З іншого боку, цифрові вимірювачі потужності серії WT використовуються для вимірювання потужності у всьому обладнанні. На рисунку 4 представлена ​​блок-схема фактичного експерименту та оцінки.

Рисунок 4 - Потік експерименту та оцінки.

Вимірювання форм сигналів перемикання та обчислення втрат є двома найбільш типовими елементами оцінки ланцюгів перемикання та є необхідними для підвищення ефективності приладів та зниження енергоспоживання. Щоб підвищити ефективність перетворення енергії, інженери повинні оцінити втрати перемикання (пристрою).

Втрати при перемиканні — це втрати електроенергії, що споживається у вигляді тепла, що виділяється під час увімкнення/вимкнення пристрою. Втрати під час перемикання можна визначити наступними термінами під час роботи комутаційного пристрою:

1) Втрати потужності при переході зі стану ВИМК в стан ВКЛ - втрати при включенні (T1-T2)

2) Втрати потужності під час стану ВКЛ: втрати провідності (T2 – T3)

3) Втрати потужності при переході зі стану ВКЛ у стан ВИМКН - втрати при вимкненні (T3-T4)

4) Циклічні втрати, включаючи втрати провідності T2 – T3: загальні середні втрати (T1 – T5)

Рисунок 5 - Потік експерименту та оцінки.

Втрати при перемиканні обчислюються як площа (інтеграл) помножених форм хвиль Vds і Id, як показано на рисунку 5. Наприклад, результати обчислень для втрат при включенні (T1 - T2) є заштрихована область на рисунку 5.

Використовуючи функцію аналізу джерела живлення DLM2000/DL9000, втрати (1)–(3) вище автоматично обчислюються з виміряних даних форми хвилі.

Аналіз втрат під час перемикання

Рисунок 6 являє собою приклад вимірювання та обчислення форм сигналів втрат при вимиканні за допомогою DLM2000. CH1 на DLM2000 вимірює напругу стік-витік V (Vds), а CH2 вимірює струм стоку I (Id). Осцилографи виконують множення та інтегрування V*I (потужність).

Рисунок 6 - Приклад форми сигналу втрат при вимиканні.

Вимірювання втрат 1)–4) обчислюються за такою формулою розрахунку параметрів втрат Wp і P.

Включення/вимкнення, втрата провідності 1), 2) та 3):

Wh] T 2 ds T 1 (t・)  Id (t) dt

Область втрат (інтегральна область) вказується за допомогою курсора діапазону обчислень (курсор діапазону). T1–T5 вказується за допомогою курсору, коли вибрано виділений параметр Wp або P.

Одиниця втрат (Wp), отримана з формули, буде Wh або J (на вибір). Якщо необхідно розрахувати втрату одиниці W, використовуйте параметр P, а не Wp.

Рисунок 7 - Вимірювання форм хвиль втрат при виключенні та приклади обчислення втрат (DLM2000).

Контроль подробиць може бути виконаний за короткий час за допомогою обчислень у реальному часі за допомогою серії DLM2000/DL9000. За допомогою спеціальної функції аналізу оцінка GO/NG може бути скоригована візуально та кількісно.

Оцінка перехідного відгуку втрат при включенні

Коли змінюються умови, такі як запуски, імпульс перемикання динамічно змінюється. У цих обставинах дуже важливо зрозуміти перехідні умови операцій при оцінці втрат при включенні та виключенні, які змінюються за кожний імпульс перемикання. Функція пам'яті історії серій DLM2000/DL9000 із вбудованою довгою пам'яттю може захоплювати всі імпульси перемикання, які динамічно змінюються за допомогою високошвидкісного збору даних. Вона також може вимірювати імпульси перемикання кожного імпульсу.

Рисунок 8 є зображенням вимірювання втрат з використанням функції пам'яті історії.

Рисунок 8 - Вимірювання втрат за допомогою функції пам'яті історії (зображення).

Дисплей після захоплення кожної з декількох захоплених форм сигналів циклу перемикання можна перевіряти по одній за раз, як показано на рисунку 9. Кілька циклів форм сигналів можна накладати на дисплей (див. рисунок 6) для легкого порівняння цикл за циклом.

Це означає, що кілька циклів форм сигналів можна захопити в пам'ять історії, змінюючи номінальне навантаження, додане до комутаційного пристрою, щоб оцінити кореляцію між втратами при перемиканні та навантаженні.

Крім того, функція відповіді на історію може відтворювати тенденції у формі сигналу перемикання з часом на екрані DLM2000/DL9000 для перегляду пізніше.

Рисунок 9 - Відображення захоплених форм сигналів циклу перемикання.

ПРОДОВЖЕННЯ СЛІДУЄ…

Магазин Gtest® - офіційний постачальник джерел (блоків) живлення постійного струму в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/bloky-pitaniya