Кафедра Промышленной электроники НГТУ

Курс Силовые полупроводниковые приборы

Расчетно-графическое задание

Тема: анализ токовой и тепловой загрузки силовых полупроводниковых приборов в схемах силовой электроники

Схема: DC/DC Boost-преобразователь постоянного напряжения

Методические рекомендации

по выполнению расчетно-графического задания

Составил: Р.Я.Заболев

НОВОСИБИРСК – 2012

Предварительные замечания.

Детальное изучение принципа действия, основных параметров и характеристик схемы рассматриваемого DC/DC- преобразователя в задачу расчетно-графического задания не входит.

При выполнении расчетно-графического задания студенту предстоит решить следующие задачи.

1. Используя упрощенную методику аналитического расчета…

1. определить значения параметров элементов схемы силовых цепей DC/DC- преобразователя;

2. определить параметры загрузки силовых полупроводниковых приборов по току и напряжению;

3. провести анализ полученных данных, проверить их соответствие паспортным данным используемых приборов;

4. выбрать по информационным материалам фирм-производителей конкретный типоразмер охладителей (радиаторов).

2. Подготовить макет исходных данных для постановки численных экспериментов с использованием программного обеспечения “PSIM ”.

3. Используя программное обеспечение“PSIM ” …

1. поставить численный эксперимент по определению параметров токовой и тепловой силовых полупроводниковых приборов при номинальных параметрах схемы. Сопоставить полученные результаты с результатами аналитического расчета;

2. представить графическую информацию о временных диаграммах токов и напряжений в DC/DC- преобразователе при номинальных параметрах схемы.

4. Оформить пояснительную записку к расчетно-графическому заданию, в которую следует включить:

1. краткое описание схемы DC/DC- преобразователя и принципа ее действия с использованием поясняющих временных диаграмм и частных эквивалентных схем замещения;

2. результаты аналитического расчета по упрощенной методике параметров элементов схемы DC/DC- преобразователя, а также параметров токовой и тепловой загрузки СППП (с указанием используемых формул и пояснений к ним);

3. результаты численных экспериментов с использованием программного обеспечения “PSIM ” в виде числовой и графической информации; их анализ и сопоставление с результатами аналитического расчета;

4. выводы по результатам, полученным в ходе выполнения расчетно-графического задания.

1.1. Схема и принцип действия Boost dc/dc-преобразователя

Boost-преобразователь– это широтно-импульсный преобразователь энергии постоянного токас параллельно включенным регулирующим элементом. Напряжение на выходе такого преобразователябольшепо величине, чем напряжение на его входе.

В упрощенном виде схема Boost-преобразователя приведена на рис.1.1.

Рис. 1.1. Схема силовых цепей Boost DC/DC-преобразователя

Источник преобразуемого напряжения (источник питания) представлен на схеме в виде источника фиксированной ЭДС Е₁и резистораR₁. В качестве регулирующего элементаSиспользуетсяMOSFET, которыйработает в режиме силового ключа, периодически замыкаясь и размыкаясь с частотой коммутацииF_Sимпульсами, подаваемыми на его затвор.

В соответствии с алгоритмом функционирования силового ключа (“замкнут” – “разомкнут”) процессы в схеме на периоде повторения удобно рассматривать в пределахдвух последовательных интервалов. При этом для каждого из этих интервалов может быть использована своя частная эквивалентная схема замещения, как это показано на рис. 1.2.

Схема, приведенная на рис. 1.2,а, соответствует замкнутомусостояниюсилового ключа, а схема на рис. 1.2,б – егоразомкнутомусостоянию.

Рис. 1.2. Частные эквивалентные схемы замещения Boost DC/DC-преобразователя

Временные диаграммы для квазиустановившегося номинального режима работы преобразователя приведены на рис. 1.3.

Анализ временных диаграмм показывает, что токи и напряжения в схеме – это периодические функции с периодом повторения T_S, содержащим два характерных интервала.

Рис. 1.3. Временные диаграммы токов и напряжений Boost DC/DC-преобразователя в установившемся режиме работы

На первом интервалепротяженностьюt_onна управляющий электрод силового ключаS(в нашем случае на затворMOSFET) подается отпирающий импульс (рис. 1.3,а), обеспечивающийзамкнутое состояние ключа.

Через замкнутый ключ Sвходная индуктивностьL₁подключается непосредственно к выходным зажимам источника питания (рис. 1.2,а). Входной токi₁(и равный ему ток ключаi_S) нарастает от некоторого минимального значения в начале интервала до некоторого максимального значения в конце интервала (рис. 1.3,б). При этом в индуктивностиL₁ запасается избыточная электромагнитная энергия.

Диод Dна первом интервале находится под обратным напряжением, равным напряжениюu_cна конденсаторе выходного сглаживающего фильтраC_o, и поэтомувыключен. Контур нагрузки отсечен от источника питания выключенным диодом, так что ток в нагрузкеi_oподдерживается лишь током разряда конденсатораC_o (рис 1.3,д и рис. 1.3,е).

На втором интервалепротяженностьюt_offотпирающий импульс с управляющего электрода силового ключаSснят (рис. 1.3,а), и поэтому он находитсяв разомкнутом состоянии.

Ток через индуктивность L₁продолжает протекать в том же самом направлении, замыкаясь через открывшийся диодDв конденсатор выходного фильтраC_oи в контур нагрузки. Благодаря тому, что ЭДС самоиндукции индуктивностиe_L суммируется с входным напряжениемu₁, напряжениеu_cна выходеBoost-преобразователя оказывается большим по величине, чем напряжениеu₁ на его входе.

Данное соотношение оказывается справедливым и для средних значений напряжений, т. е. в данной схеме выполняется условие U_o=U_c>U₁.

По мере того, как энергия, запасенная в индуктивности L₁на предыдущем интервале, отдается в нагрузку, входной токi₁уменьшается (рис. 1.3,б), а выходное напряжениеu_cувеличивается (рис. 1.3,д). В квазиустановившемся режиме в момент окончания второго интервала токi₁ снижается до исходного для первого интервала минимального значения, тогда как напряжениеu_cдостигает максимальной величины.

При выполнении расчетов обычно бывает удобнее использовать не абсолютную длительность включенного состояния силового ключа t_on, а ее относительную величинуD, определяемую соотношением (рис. 1.3)

(1.1)

где T_S= 1/F_S – период повторения отпирающих импульсов, подаваемых на управляющий электрод силового ключа.

Таким образом,в квазиустановившемся режиме:

1. входной ток преобразователя i₁совершает циклические колебания (с периодом коммутации силового ключаT_S) на величину ±ΔI₁/2 относительно среднего уровняI₁(рис. 1.3,б);

2. мгновенное значение импульса тока силового ключа i_Sдлительностью t_onна интервале проводимости возрастает от минимального значения до максимального на величинуΔI₁(рис. 1.3,в). В выключенном состоянии силовой ключ должен блокировать прямое напряжение, равное по величине выходному напряжению преобразователяu_c(рис. 1.2,б);

3. ток диода i_Dна интервале его проводимости длительностью t_offнаоборот уменьшается на величинуΔI₁ (рис. 1.3,г). В выключенном состоянии диод должен блокировать обратное напряжение, равное по величине выходному напряжению u_c(рис. 1.2,а);

4. выходное напряжение u_cв пределах периода повторения колеблется относительно своего среднего уровняU_сна некоторую величину ± ΔU_с/2 (рис. 1.3,д);

5. размах колебаний тока нагрузки ± ΔI_o/2 относительно его среднего значенияI_o(рис. 1.3,е) при прочих равных условиях определяется параметрами выходного сглаживающегоC_oL_o -фильтра.