Расчет.

Исходные данные.

U_н=15 В

I_н=10 А

U_вх= U_п=10 В

DU_вх=DU_п=1 В

К_{н и}=0.01

К_{п вх}=0.2

К_{п вых}=0.01

(t₁¸t₂)= (0¸30) ⁰С

I_{н max}=11 А

I_{н min}=9 А

Расчет.

Рис. 1. Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора
(повышающего типа).

К_ст=1/К_{н и}=1/0.01=100

К_ст=(DU_вх/U_вх)/(DU_н/U_н)

DU_н=(DU_вх U_н)/(К_ст U_вх)=1*15/(100*10)=0.015 В

К_з=(U_н-U_п)/U_н=(15-10)/15=0.33

U_КЭ=U_н=15 В

R_н=U_н/I_н=15/10=1.5 Ом

Выбираем частоту преобразования f_п=300 кГц и принимаем h_ст = 0.9.

Определяем минимальное, номинальное и максимальное значения относительной длительности открытого состояния регу­лирующего транзистора:

g_min = [1 - (U_п + DU_п) / (U_н - DU_н)] / h_ст=[1 - (10 + 1) / (15 - 0.015)] / 0.9=0.29

g_ном = (1 - U_п / U_н) / h_ст=(1 - 10 / 15) / 0.9=0.37

g_max = [1 - (U_п - DU_п) / (U_н + DU_н)] / h_ст=[1 - (10 - 1) / (15 + 0.015)] / 0.9=0.44

Из условия обеспечения режима непрерывности токов дросселя, определяем его минимальную индуктивность:

L_min ³ (U_п - DU_п)g_max (1 - g_max)/(2I_{н min} f_п)=(10 - 1)*0.44*(1 – 0.44)/(2*9*300*10³)=4.11 мкГн

Определяем средний, минимальный и максимальный ток дросселя:

I_{L ср} = I_{н max} / (1 - g_max)=11/(1-0.44)=19.64 А

I_{L min} = I_{L ср} - U_{п min} g_max / (2L_min f_п)=19.64-9*0.44/(2*4.11*10^-6*300*10³)=18.03 А

I_{L max} = 2I_{L ср} - I_{L min}=2*19.64-18.03=21.25 А

Задаемся током I_{K m} = (1.2¸2) I_{L ср} и с учетом частоты пре­образования f_п выбираем регулирующий транзистор по току и на­пряжению:

I_{K max} > I_{K m} = 1.5 I_{L ср}=1.5*19.64=29.46 А [или при больших изменениях тока дросселя I_{K max} > (I_{н max} + I_{н min}/2)]

U_{КЭ max} > U_{н max}=15.015 В

Данным параметрам соответствует транзистор 2Т874А.

Его параметры:

I_{K max} =30 А

U_{КЭ max}=100 В

h_21Э=15

С_к=200 пФ

I_Б=8 А

U_ЭБ=5 В

DU_ЭБ=0.5 В

R_К=3.3 Ом

f_гр=20 МГц

U_{КЭ нас}=1 В

t_вкл=0.6 мкс

t_выкл=0.7 мкс

Выбираем силовой диод с параметрами:

I_пр > I_{L max}=21.25 А

U_обр > U_{н max}=15.015 В

t_{вос. обр} << 1/f_п=10 мкс

Данным параметрам соответствует диод КД2995Б.

Его параметры:

I_пр=30 А

U_обр =20 В

t_{вос. обр} =200 нс

U_пр=0.6 В

I_{обр max}=20000 мкА

Определяем относительное значение выброса коллектор­ного тока: K_тр1 = I_{K m} / I_Б h_{21Э max}=29.46/(8*15)=0.25

И коэффициент:

K_тр2 = I_{L min} / I_Б h_{21Э max}=18.03/(8*15)=0.15

По графику на рис. 2 находим:

t_Б/t_эфф=5

C_Б = 1.6I_Б t_Б/DU_ЭБ=1.6*8*40*10^-9/0.5=1.02 мкФ

t_Б=0.2*t_{вос. обр.}=0.2*200*10^-9=40 нс

Рис. 2. Зависимости относительной величины выброса коллекторного тока K _тр1 = I _{К m} / I _Б h _21Э от относительной величины тока дросселя K _тр2 = I_L / I _Б h _21Э для различных значений t_Б/t_эфф

Потери мощности на транзисторе определяются в основ­ном потерями в режиме насыщения и динамическими (в моменты переключения):

P_{K нас} = I_{L ср} U_{КЭ нас} g_max=19.64*1*0.44=8.64 Вт

P_{K дин} = 0.5f_п (U_н - U_пр) (I_{K m} t_вкл + I_{L max} t_выкл)=

=0.5*300*10³*(15-0.6)*(29.46*0.6*10^-6 + 21.25*0.7*10^-6)=70.31 Вт

P_K = P_{K нас} + P_{K дин}=8.64+70.31=78.95 Вт

Потери мощности на диоде определяются в основном по­терями в прямом направлении и динамическими при его выключении:

P_д = I_{L ср}U_пр (1 - g_max) + U_н I_{обр max} t_{вос. обр} f_п /6=

=19.64*0.6*(1 - 0.44) + 15*10*10^-6*50*10^-9*300*10³/6=6.6 Вт

Пульсация напряжения на нагрузке определяется из вы­ражения:

U_н~ = I_н (1 - g) / f_п C_н + I_{L max} r_п

Также пульсацию напряжения на нагрузке можно определить из выражения:

U_н~= К_{п вых}U_н=0.01*15=0.15 В

К_{п вых}= U_н~/ U_н

Емкость нагрузки:

C_н=I_н (1 - g)/[(U_н~ - I_{L max} r_п)f_п]

Т. к. r_п слишком маленькое значение, то мы можем пренебречь произведением I_{L max} r_п.

Тогда емкость нагрузки:

C_н=I_н (1 - g)/[U_н~f_п]=10*(1 – 0.37)/[0.15*300*10³]=140 мкФ

При включении в качестве С_н нескольких параллельно вклю­ченных конденсаторов, их общее число:

N_C = I_{н max} (1 - g_min)/(C₀ f_п 2U_н~) + I_{L max} r_{п. о} /(2U_н~)

Т. к. r_{п. о} слишком маленькое значение, то мы можем пренебречь отношением

I_{L max} r_{п. о}/(2U_н~).

Тогда общее число конденсаторов:

N_C = I_{н max} (1 - g_min) / (C₀ f_п 2U_н~)= 11*(1 - 0.29)/(140*10^-6*300*10³* 2*0.15)=0.62

Т. е. общее число конденсаторов N_C=1

Импульсное и действующее значения тока через один кон­денсатор фильтра:

I_{С max} = (I_{L max} - I_н) / N_C=(21.25 - 10) / 1=11.25 А

I_{C д} = I_{н max} [g_max / (1 - g_max)]^1/2 / N_C= 11*[0.44/ (1 - 0.44)]^1/2 / 1=9.75 А

По заданному коэффициенту стабилизации вычисляем коэффициент передачи схемы управления:

K_ШИМ = (g_ном - g_min) K_ст U_п / [(U_{п max} - U_п) U_н]=

=(0.37 - 0.29)*100*10 / [(11 - 10)*15]=5.33

Вычисляем потери в дросселе определяем КПД ста­билизатора (мощностью, потребляемую схемой управления P_{с. у} мы пренебрегаем):

P_L» I_{L ср}² r_L=19.64²*0.0026=1 Вт

r_L=2pFL_min=2p*100*4.11*10^-6=0.0026 Ом

h_ст = U_н I_{н max} / (U_н I_{н max} + P_К + P_д + P_L + P_{с. у})=

=15*11 / (15*11 + 78.95 + 6.6 + 1)=0.65

Внутреннее сопротивление ИСН (полагаем дифференци­альное сопротивление диода равным r_диф):

r_н = U_н (R_и + r_L + r_диф) / (K_ст U_п)=15*(0.05 + 0.0026 + 0.02)/(100*10)=0.0012 Ом

R_и=0.05 Ом

r_диф=DU_пр/DI_пр=0.06/3=0.02 Ом

КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. А. Н. Туполева

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Электропреобразующие устройства»

Кафедра ТРЭ.

Дата добавления: 2015-07-19