СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСАДОЧНОГО РАДИОЛОКАТОРА
VOLTAGE STABILIZER OF THE POWER SUPPLY APPARATUS FOR THE PLANNING RADAR

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в аппаратуре электропитания посадочного радиолокатора.
Известна система электропитания посадочного радиолокатора [1, 2, 3, 4] состоящая из ввода внешней сети, защитно-распределительного блока, первого преобразователя из переменного в постоянный ток (AC-DC), питающих передающее устройство, второго преобразователя из переменного в переменный ток (АС-АС), питающего привод вращения антенно-мачтового устройства, третьего преобразователя типа AC-DC, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, последовательно включенных четвертого преобразователя типа AC-DC и пятого преобразователя из постоянного в постоянный ток (DC-DC), питающих аппаратуру радиолокационной станции с соответствующими связями. AC-DC преобразователь из состава аппаратуры электропитания посадочного радиолокатора [3], питающей передающее устройство, содержит блоки управления БУ ПРД [4], в состав которого входят стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают работу устройств, входящих в аппаратуру электропитания посадочного радиолокатора.
Известны стабилизаторы напряжения (СН), содержащие силовую последовательную цепь из регулирующего элемента и энергонакопительного дросселя, узла управления, выходного конденсатора и коммутирующего элемента.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является СН фиг. 1, содержащий силовую последовательную цепь из регулирующего элемента и энергонакопительного дросселя, подключенную между потенциальной входной и выходной клеммами, узел управления, вход которого подключен к выходу стабилизатора, а выход - к управляющему входу регулирующего элемента, диодный коммутирующий элемент, включенный между точкой соединения регулирующего элемента и энергонакопительного дросселя и другой выходной клеммой, и выходной конденсатор, включенный между двум выходными клеммами [7].
Выполнение диодного коммутирующего элемента производится исходя из значения номинального тока нагрузки - подбирается диод с аналогичным током в прямом направлении, что не оптимально по КПД.
На КПД влияют значения как номинального тока нагрузки, так и входного напряжения питания, что требует при выполнении упомянутого элемента учета на только статических, но и динамических режимов СН.
Целью изобретения является повышение КПД стабилизатора напряжения.
Поставленная цель достигается тем, что упомянутый коммутирующий элемент выполнен на основе диодной твердотельной структуры с площадью рабочей поверхности равной произведению постоянного коэффициента структуры, номинального тока нагрузки и отношения времен закрытого и открытого состояний регулирующего элемента.
Предлагаются варианты формирования диодной твердотельной структуры путем параллельного соединения элементарных структур с суммарной площадью поверхности, равной требуемой площади диодной твердотельной структуры.
Такой принцип построения СН является новым, неизвестным из литературных данных, как в полупроводниковой технике, так и в технике источников питания, так как площадь рабочей поверхности диодного коммутирующего элемента (ДКЭ) в общем случае является переменной величиной, жестко связанной с конкретными электрическими параметрами СН, а выполнение ДКЭ необходимо проводить на основе полуфабриката диодной твердотельной структуры, площадь поверхности которой выбирается индивидуально в зависимости от упомянутых параметров СН.
Найденное соотношение для определения оптимальной поверхности ДКЭ определяет существенное отличие заявленного решения.
На фиг. 2 представлена объединенная конструктивная и электрическая схема СН, понижающего напряжение сети (Пн СН), которая содержит силовую цепь из регулирующего элемента 1 и энергонакопительного дросселя 2, подключенную между потенциальной входной клеммой 3 и выходной клеммой 4, узел управления 5, входом подключенный к выходу стабилизатора, а выходом к управляющему входу регулирующего элемента 2, диодный коммутирующий элемент 6, выполненного во виде параллельно соединенных элементных структур, включенный между точкой соединения регулирующего элемента 1 и энргонакопительного дросселя 2 и другой выходной клеммой 7, к выходу подключен выходной конденсатор 8.
ДКЭ 6 выполнен на основе полуфабриката диодной твердотельной структуры (в данном случае р-n перехода). Характерным для диодной твердотельной структуры является распределение носителей заряда по закону Максвелла-Больцмана. В этом случае независимо от конкретного вида структуры (барьер Шоттки, гетеропереход и т.д.) площадь ее рабочей поверхности выполняется равной произведению постоянного коэффициента структуры, номинального тока нагрузки и отношения времен закрытого и открытого состояний регулирующего элемента.
Выполнение других полупроводниковых узлов - 1 и 5 - может производиться любым известным способом.
На разрезе по АА фиг. 1 узлы 1, 5 представлены в бескорпусном варианте, в виде плоских твердотельных сборок и микросхем, размещенных на общей теплорассеивающей подложке 9 с коммутирующим элементом 6.
Σ
пр
обр
пр
о6р
пp
о6р
обр
Физическое объяснение предложенного выполнения ДКЭ в виде параллельно соединенных элементных структур заключается в следующем: общие потери энергии в ДКЭ - P - определяются потерями как в прямом (Р), так и в обратном (Р) направлениях. Однако, при описываемой диодной структуре потери в прямом направлении, точнее прямое напряжение U - является функцией от обратного тока I, причем U уменьшается с увеличением I, тогда как Р при этом увеличивается.
обp
o6p
Величина i для данной структуры с постоянной плотностью обратного тока i определяется величиной рабочей поверхности структуры S.
р
н
о
з
Σ
Таким образом, для данной структуры существует всегда оптимальная площадь рабочей поверхности S, зависящая от токов нагрузки I и режима коммутации - времен открытого (t) и закрытого (t) состояний регулирующего элемента, при которой величина P - минимальная.
Ниже приведены теоретические выкладки, подтверждающие вышесказанное.
Для рассматриваемого класса диодных твердотельных структур [6], вольтамперная характеристика может быть обобщена в виде:
д
где I - среднее значение диодного тока за время,
U - напряжение на диоде,
0
ϕ - тепловой потенциал,
n - коэффициент неидеальности структуры.
обp
обp
обp
Величина i в общем случае является величиной, зависящей от U, при этом наиболее типовые зависимости i - следующие:
обр
s
обр
0
1. i=i=const при (U)>>ϕ - для классических р-n перехода и контакта металл-полупроводник [6].
2.  - при учете процессов генерации рекомбинации в р-n переходе,
R
oбp
i ~ U - при наличии утечек в р-n переходе и для гетеропереходов [6].
При оценке режимов в прямом направлении имеем
Потери в прямом направлении определяются в виде [6]:
где  Т - период коммутации,
Из (1) с учетом (2) имеем:
В обратном направлении потери определяются в виде:
пр
обр
Не учитывая коммутационные потери, которые всегда можно существенно уменьшить по сравнению с Р и Р, суммарные потери можно представить с учетом (4)-(6) в виде:
Σ
р
Таким образом, из (7) очевидно, что так как с возрастанием S потери в прямом направлении уменьшаются, а потери в обратном направлении увеличиваются, то существует минимальное значение Р при некотором оптимальном S.
Σ
p
Определяя из (7) экстремум функции Р, находим значение S.
0
bx
п
В табл. 1 представлены для типовых схем стабилизаторов уравнения для величин Р, U,  с использованием рассчитанных ранее известных уравнений для стабилизаторов. При этом предполагается, что  где r - удельное динамическое сопротивление структуры диода в обратном направлении. Полагается также, что напряжение питания схемы много больше напряжения насыщения регулируемого элемента, тогда U=U. На фиг. 3 иллюстрируются зависимости потерь от величины S.
Приведенные выше уравнения для понижающего (Пн) и повышающего (Пв) СН сведены в таблицу 1.
p
0
Из уравнений, представленных в табл. 1, следует, что оптимальная площадь рабочей поверхности S для СН описывается одним уравнением. Представляя i в виде:
получим обобщенное уравнение в виде
Или (8) можно представить, используя (4), в виде:
где  - постоянный коэффициент структуры (при заданном входном и выходном напряжениях).
p
Таким образом, уравнение (9) определяет величину S в соответствие полученными решениями.
p
p
В случае использования элементарных структур с рабочей поверхностью, меньшей S, следует использовать параллельное соединение их, чтобы площадь суммарной рабочей поверхности была равна S, а при идентичности таких структур, чтобы суммарная поверхность элементарных структур была связана с их числом N соотношением:
д
где S - площадь элементарной структуры.
0
Σ
д
Из уравнения (5) вычислим: nϕ=0.12 В, из (3-7) определим величину Р при S=kS, где k = 1; 2; 3; 5. Данные расчетов приведены в таблице:
п
н
н
к0
к0
д
пp
-3
Сравнение расчетных данных с экспериментальными, полученными при испытании СН приведенного на фиг. 2 с параметрами U=+27 В; U=5 В; I=3 А, τ=0.2 и при использовании кремниевых структур на основе диодов Шоттки (I=iS=20⋅10 А, U=0.6 В), показали достаточность для практического использования при совпадение ≤ 5%, причем повышение КПД составляет более 10%, таким образом увеличение КПД, учитывая количество используемых стабилизаторов напряжения улучшает показатели работы посадочного радиолокатора.
Источники литературы
1. РШПИ.462725.001 Э4 - Схема электрических соединений
2. РШПИ.468324.011 Э3 Схема электрическая принципиальная
3. РШПИ.462725.001 Модуль ПРЛ-27С
4. РШПИ.468324.011 ТУ БУ ПРД
5. Б.В. Кабелев. Высокочастотные конвенторы на мощных МДП-транзисторах. В сб. Электронная техника в автоматике вып. 15, 1984, стр. 24, рис. 2.
6. ЗИ. Физика полупроводниковых приборов. «Мир», 1984, т. 1, стр. 325-429.
7. Источники вторичного электропитания под ред. Ю.И. Конева, М, «Сов. Радио», 1983 г., стр. 80-94.