2.3. Моделирование силовой части

Рис. 2. Рисунок схемы с реальными моделями п/п приборов

Текст программы на языке Pspiсe для схемы с реальными моделями:

*

R1 15 2 100k

R2 2 0 100k

R3 5 4 10

R4 7 6 10

R5 9 2 0.01

R6 12 0 5.4

C1 15 2 1.5u IC=210

C2 2 0 1.5u IC=210

C3 12 0 0.47u IC=0

V1 1 0 420

Rin 1 15 0.001

V2 5 3 pulse (0 15 0 0.001u 0.001u 3.85u 10u)

V3 7 0 pulse (0 15 5u 0.001u 0.001u 3.85u 10u)

.model IRFPS NMOS (LEVEL=3 GAMMA=0 DELTA=0

+ ETA=0 THETA=0 KAPPA=0 VMAX=0 XJ=0

+ TOX=100n UO=600 PHI=.6 RS=300m KP=20.83u

+ W=1.1 L=1u VTO=3 RD=300m RDS=400k

+ CBD=0.3n PB=.8 MJ=.5 FC=.5 CGSO=2.7n

+ CGDO=0.06n RG=0.1 IS=12f)

.model EPF D (IS=10e-14 CJO=10p VJ=0.71 RS=0.03)

L1 8 3 1.514m

L2 8 9 1.514m

L3 0 10 700u

L4 0 11 700u

K1 L1 L3 0.999999

K2 L2 L4 0.999999

M1 15 4 3 3 IRFPS

M2 3 6 0 0 IRFPS

D1 10 12 EPF

D2 11 12 EPF

.options ABSTOL=1e-10 VNTOL=1e-10 GMIN=1e-12 ITL4=350 RELTOL=1e-4 CHGTOL=1e-7

.tran 1u 1000u skipbp

.probe

.end

Рис. 3. Напряжение на нагрузке при максимальной мощности

и максимальном напряжении питания

Рис. 4. Ток через транзистор M1

Рис. 5. Ток через диод D1

Рис.6. Потери в транзисторе

Потери в транзисторе обусловлены потерями в проводящем состоянии и потерями при коммутации. Как видно из рисунка 6, Pstatic=2.74Вт, Pon=0.812Вт, Poff=0.524 Вт, Psum=4.076 Вт. При максимальной мощности отдаваемой в нагрузку 540Вт.

Рис.7. Потери в диоде

PпотD1=5.461 Вт

3. Система управления

3.1. Описание шим-контроллера

Для управления преобразователем используется ШИМ контроллер серии UC2825.

Рис.8. Структурная схема контроллера UC2825

Основные параметры:

• Напряжение питания цифровой части контроллера и выходных каскадов 15В

• Ток заряда конденсатора для мягкого запуска 9мА

• Порог срабатывания защиты по току 1В

• Напряжение встроенного источника опорного напряжения 5.1В

• Напряжение смещения на входе пилообразного напряжения 1.35В

• Максимальный ток потребления контроллером 33мА

• Номинальный ток потребления контроллера 22мА

• Максимальный ток выходного каскада 200мА

• Номинальный ток выходного каскада 20мА

• Размах напряжения на частотозадающем конденсаторе 1.8В

• Напряжение заряда частотозадающего конденсатора 3В

• Ток заряда частотозадающего конденсатора 10мА

3.2. Расчёт параметров системы управления

Расчет RC – генератора

Так же как и ШИМ-компаратор, компаратор RC – генератора ( рис.13) имеет верхнее и нижнее пороговое напряжения, соответственно равные 2,8В и 1В. Зарядный ток частотозадающего конденсатора Ст является зеркальным току через частотозадающий резистор Rт. Вывод для подключения частотозадающего резистора имеет постоянное температурно стабилизированное смещение, равное 3В. Когда конденсатор заряжается до верхнего порогового напряжения, транзистор Q1 открывается управляющим током 10мА. Разряд Ст прекращается именно тогда, когда компаратор RC – генератора определяет момент прохождения нижнего порогового уровня напряжения. Это так же предотвращает насыщение транзистора Q1 и уменьшает задержки.

Рис. 9. Схема RC-генератора

Выбираем из стандартного ряда R1=3.01 Ом, С1=2.49 нФ.

Расчет элементов в цепи плавного пуска.

В режиме плавного пуска коэффициент заполнения, а значит и длительность импульса увеличиваются плавно, по линейному закону. Тогда напряжение Uout также будет увеличиваться по линейному закону, пока не достигнет своего номинального уровня. Таким образом, необходимо обеспечить такой ток через индуктивность дросселя, чтобы ограничить величину ΔU на заданном уровне (1% от Uout). Для этого необходимо выбрать величину ёмкости С3=Сss.

Запишем баланс энергий для этапа выхода преобразователя на режим:

Отсюда находим требуемую величину тока дросселя:

Теперь можем определить необходимую скорость изменения напряжения Uout:

.

Такой скорости заряда выходной ёмкости должна соответствовать следующая скорость заряда ёмкости С5: , где - изменение выходного сигнала усилителя ошибки при изменении длительности импульса от 0 до номинального (а в наихудшем случае - до максимального) значения. Tini- время выхода на режим (время заряда ёмкости) равное: мкс

Тогда В/с.

Конденсатор С3 заряжается постоянным током Iss=9мкА и, зная время её заряда, можем найти её величину: .

Выберем из стандартного ряда С3=0.499 нФ.

Усилитель ошибки

Усилитель сигнала ошибки представляет из себя усилитель напряжения, имеющий хорошие значения полосы пропускания и скорости нарастания сигнала. На рисунке 14 показана упрощенная схемотехника усилителя сигнала ошибки. Передаточная характеристика имеет два нуля, расположенные до частоты единичного усиления на расширенной фазовой диаграмме. Для нормальной работы схемы напряжение на выводе EAIn+ должно быть больше 1.25В. Зададимся R1=15кОм, R2=10кОм.

Рис. 10. Схема усилителя сигнала ошибки

Расчет обратной связи по напряжению

Рис. 11. Организация обратной связи по напряжению

Величины сопротивлений делителя рассчитаны по схеме (рис. 12)

Рис.12. Усилитель ошибки

Рассчитаем выходное сопротивление усилителя ошибки для двух граничных режимов работы преобразователя.

Рис. 13. Uвых усилителя ошибки

Рассчитаем напряжение на выходе операционного усилителя при двух граничных случаях: времени импульса 4.05 мкс (D = 0.81) и 3.85 мкс (D=0.77).

Рассмотрим уравнения для двух граничных режимов:

1)

2)

Выберем из стандартного ряда: R3=1кОм, R5=100кОм.

Организация питания контроллера.

В техническом описании на данную микросхему рекомендуется шунтировать выводы Vcc, Vc с помощью керамических конденсаторов малой ёмкости, порядка 4.7 мкФ.

CVref - 0.1 мкФ.

Тогда

C5 = 4.7мкФ

C6 = 4.7 мкФ

C7 = 0.1мкФ

Резистор R7 для ограничения тока потребляемого силовой частью схемы:

Из стандартного рядаR7 = 22,1 Ом.

Трансформаторы коммутации ключей:

Резистор R8 служит для ограничения тока трансформатора, зададимся 10 Ом.

Конденсатор C8 служит для равенства вольт-секундных площадей на трансформаторе, зададимся 0.1 мкФ.

Коэффициент передачи трансформатора TW1, который служит для гальванической развязки цепей зададим равным 1.

Токоограничивающий компаратор

На инвертирующий вход токоограничивающего компаратора подается опорное напряжение, что позволяет непосредственно задавать уровень ограничения тока. Когда уровень напряжения на выводе 9 превышает уровень опорного напряжения, токоограничивающий компаратор, подобно ШИМ-компаратору, устанавливает ШИМ-защелку, что переводит вывод в состояние выключено до окончания текущего цикла.

Защита силового ключа от перегрузки по току

Рис. 14. Защита по току

По заданию нам необходимо контролировать ток, потребляемый нагрузкой так, чтобы он не превышал значение 10А. Т.к., сигнал ОС должен сниматься так, чтобы при этом силовая часть преобразователя и СУ были гальванически развязаны, то это можно сделать с помощью трансформатора. Но ток нагрузки у нас постоянный и его невозможно снимать таким образом, поэтому будет сниматься ток транзистора – ток в первичной обмотке трансформатора TW2, пропорциональный Iout. В общем, получаем, что ОC должна быть организована так, чтобы току Iout=10A соответствовало напряжение в 1В на 9 ножке микросхемы.

При Iout=10A ток первичной обмотки трансформатора TW2 (коэффициент трансформации n = 0.68) равен . Зададимся коэффициентом трансформации TW1 k = 50. Тогда .

. UR11 должно быть равно 1В. Тогда .

Конденсатор С5 также подключённый к выводу 9 микросхемы необходим для подавления помех и имеет малую ёмкость. Выберем её значение C5=100 пФ.

Конденсатор C2 ставится, чтобы убрать нежелательные всплески на входе RAMP, выбираем её равной C2=100пФ.