Спектральная оценка сигналов силовой цепи импульсных преобразователей напряжения

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.314.1:004.94

Л. А. Самотик, А. С. Каржаев Научный руководитель - Н. Н. Горяшин Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СПЕКТРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СИГНАЛОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

В работе предложены результаты оценки спектрального состава сигналов силовой цепи повышающего импульсного преобразователя напряжения (ПН) с резонансным переключением в сравнении с классическим ПН с ШИМ.

Как известно, импульсные преобразователи напряжения являются источником электромагнитных помех, что создает дополнительные проблемы при их использовании в системах электропитания чувствительных к электромагнитному излучению электронных устройств. Импульсные преобразователи могут производить два типа электромагнитных помех (ЭМП). ЭМП, генерируемые непосредственно импульсной работой ключевого элемента (КЭ), и ЭМП, генерируемые паразитными резонансными цепями электрической схемы в моменты отпирания или запирания ключевого элемента КЭ. ЭМП, генерируемые за счет паразитных элементов, как правило, имеют узкий спектр, где гармонике с максимальной амплитудой соответствует собственная частота паразитного резонансного контура (РК). В случае, если один из элементов паразитного РК носит нелинейный характер, как, например, барьерная емкость диода, или емкость сток-исток МДП-транзистора, то генерируемая помеха может иметь более широкий спектр. Такой тип помех главным образом зависит от используемой элементной базы, условий монтажа и компоновки элементов преобразователя на печатной плате. Поэтому теоретический анализ помех такого рода затруднителен и сводится, как правило, к лабораторным исследованиям. ЭМП, генерируемые непосредственно импульсной работой КЭ, могут быть проанализированы путем разложения функций сигналов тока и напряжения в ряд Фурье [1]:

г« ( )=^+

Х

;

а0 =

1 1

-• | /(г; ап = — | /(/)• сов(п• ;

1 2-—

Ьп = — • | /(г)• вш(п • —0

а = а0 ;Ап =40^,

где (1) - уравнение ряда Фурье; (2) - коэффициенты Фурье; формула (3) определяет амплитуду п-й гармоники, - функция времени исследуемого сигнала. Также Фурье анализ сигналов в цепи КЭ позволит оценить амплитуды высших гармоник, на которых могут входить в резонанс паразитные РК реальной схемы.

Современные тенденции развития преобразовательной электроники направлены на применение резонансных режимов при переключении КЭ [2]. При этом наихудшим с точки зрения спектрального состава излучаемой помехи является классический тип ПН с прямоугольной формой тока и напряжения и ши-ротно-импульсной модуляцией (ШИМ), т. к. по сравнению с ним резонансные режимы переключения КЭ позволяют приблизить форму сигналов в цепи КЭ к гармонической. Таким образом, анализ ЭМП предлагается проводить путем сравнения гармонических составляющих сигналов в цепи КЭ с резонансным переключением с аналогичными в режиме ШИМ с «жестким» переключением КЭ при прочих равных условиях.

Далее введем понятие относительного логарифмического коэффициента, показывающего разницу между амплитудами соответствующих гармоник сигналов ШИМ и ПНТ режимов при прочих равных условиях:

Iп0ТН = 201ои

г пнт

V п J

где 1п - амплитуда тока п-й гармоники сигнала соответствующего режима.

а б

Рис. 1. Сигналы тока через ключевой элемент для повышающего преобразователя напряжения с резонансным переключением

Секция ««Автоматика и электроника»

30 22 14 6 -2 -10 -18 -26 -34 -42 -50

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

п

Рис. 2. Относительная спектральная характеристика тока КЭ повышающего ПН с резонансным переключением при нулевых значениях тока

Т Отн JU - In ,db it Л. .. „ 1 "ТтЛт. 1 1 гТт J!T Т 1 1 1 ^ - н и mm

ii 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1

На рис. 1 показаны формы анализируемых сигналов в преобразователе напряжения повышающего типа. На рис. 2 показан относительный спектр тока в соответствии с (4) для двух приведенных сигналов при прочих равных условиях. Относительный коэффициент заполнения у в случае ПН с жестким переключением и ШИМ определен исходя из заданных условий с учетом неидеальности фронтов (рис. 1, б).

Предложенная относительная логарифмическая оценка спектрального состава показывает, что резонансный режим работы КЭ имеет существенно меньший вклад высших гармоник по сравнению с ПН с ШИМ с жестким переключением в частотный спектр сигнала тока в цепи ключевого элемента.

Библиографические ссылки

1. Hsiu, L. Characterization and Comparison of Noise Generation for Quasi-Resonant and Pulsedwidth-Modulated Converters, / M. Goldman, R. Carlsten, F. Witulski, W. Kerwin, // IEEE Trans. Power Electron., Vol. 9, No.4, pp 425-432, july 1994

2. Abu-Qahouq, J. Unified Steady-State Analysis of Soft-Switching DC-DC Converters / I. Batarseh, J. Abu-Qahouq // IEEE Trans. Power Electron., Vol. 17, No. 5, pp. 684-691, sep. 2002.

© Самотик Л. А., Каржаев А. С., 2012

УДК 621.314

А. А. Соломатова Научный руководитель - Н. Н. Горяшин, Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАТНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ВСТРОЕННОГО В МДП-ТРАНЗИСТОР ДИОДА

Представлен сравнительный экспериментальный анализ процесса обратного восстановления встроенного в МДП-транзистор диода при жестком и резонансном режимах работы преобразователя напряжения.

При использовании встроенного в МДП-транзитор диода для обеспечения существования резонансного процесса в высокочастотных преобразователях напряжения с резонансным контуром и полной волной тока резонансного цикла [1] проявляется процесс его обратного восстановления, что приводит к дополнительным потерям мощности. Рассмотрим механизм этого процесса в кремниевых МДП-транзисторах с блокирующим напряжением более 100В. Проблемам анализа процесса обратного восстановления полупроводниковых силовых диодов в импульсных преобразователях посвящены многие работы, например [2]. На рис. 1 приведена схема повышающего ПН, где в качестве силового диодного ключа используется встроенный в МДП-транзистор диод, причем затвор самого транзистора соединен с истоком с целью исключения индуцирования в нем проводящего канала. С помощью данной экспериментальной установки были сняты осциллограммы переходных процессов

тока во встроенном в МДП-транзистор диоде при его переключении для разных режимов: скорости спада тока при запирании диода и амплитуды тока при его прямом смещении (рис. 2).

Рис. 1. Схема устройства для исследования процесса обратного восстановления диода, встроенного в МДП-транзистор, ПИЭ - первичный источник электропитания, Rз и Rн - сопротивление затвора и нагрузки соответственно