Проблемы развития источников вторичного электропитания (стр. 2 из 3)
Итак, первой характерной чертой современного состояния ИВЭ являются большие достижения в решении конструкторско-технологических проблем миниатюризации.
Второй характерной чертой является многолетний застой в решении энергетических проблем миниатюризации ИВЭ, который препятствует дальнейшей миниатюризации систем. Эти проблемы очень серьезны и их не решить изменением способа расчета удельной мощности.
Поэтому вполне естественно использовать и развить те выводы, которые были получены и опубликованы в начале 70-х гг. при анализе энергетических возможностей и ограничений миниатюризации силовых полупроводниковых устройств. В отношении статических потерь в полупроводниковых приборах этих выводов три:
1. КПД выпрямителя на полупроводниковых диодах имеет теоретический предел, и он недопустимо мал при выходных напряжениях в единицы вольт [1]. Поэтому в качестве вентилей в таких выпрямителях следует использовать не диоды, а полевые транзисторы как ключи в синхронном выпрямителе [3].
2. Для уменьшения потерь в транзисторном ключе следует оптимизировать плотность тока в структуре транзистора, что достигается при заданном токе применением определенного количества параллельно включенных транзисторов или изменением площади кристалла [1,2].
3. Для уменьшения потерь в транзисторном ключе необходимо уменьшать не только выходное сопротивление, но и мощность управления, причем значительная мощность управления может препятствовать получению полезного результата от оптимизации плотности тока. Поэтому полевой транзистор имеет принципиальные преимущества перед биполярным [1,4]. Из этих выводов наиболее быстро был реализован второй, и экспериментальная транзисторная сборка, описанная в [2], стала прототипом серийной сборки 2ТС843, выпускаемой до настоящего времени.
Правильность третьего вывода подтверждается всем состоянием и тенденциями развития современных силовых транзисторов. Длительное время не использовался первый вывод, но в последние года в связи с необходимостью получения напряжений 3,3; 2,2;І,5 В замена диодов синхронными ключами на МДП-транзисторах признается неизбежной.
Все эти выводы выдержали проверку временем и остаются важнейшими способами уменьшения статических потерь в преобразователях. Поэтому кратко рассмотрим их обоснования. КПД двухлолупериодного выпрямителя прямоугольного напряжения на идеальных диодах максимален при условии 2Vh/φT= IH/IVи определяется выражением
На рис.2 изображены значения теоретически предельного КПД выпрямителя на идеальных диодах в области малых выпрямленных напряжений. Штриховкой отмечена область значений КПД, не достижимых для диодного выпрямителя. В .диапазоне VHот 1,5 До 5 В напряжение на переходе при максимальном КПД составляет І20-І5С мВ, а значениеІн /Iо изменяется от 120 до 400. Это значит, что в данном режиме плотность тока в диоде на несколько порядков меньше обычно используемой, а площадь перехода на несколько порядков больше обычно применяемо, т.е. она неприемлемо велика. Поскольку создать идеальный р-п-переход невозможно, следует рассматривать переход с коэффициентом m =2 при φT . КПД становится еще ниже и неприемлемая площадь перехода сохраняется. При увеличении плотности тока до обычно используемой напряжение на диоде возрастает до 0,5 В (диод Шотки), что и определяет реальную зависимость КПД от напряжения на нагрузке (см.рис.2). Очевидно, что любые варианты использования диодов, вплоть до теоретически идеальных, не позволяют получить приемлемых значений КПД в выпрямителях низких напряжений. В то же время достаточно использовать даже не специальный, а серийный низковольтный МДП-транзистор с выходным сопротивлением 0,005 Ом при токе 20 А, получить падение напряжения 0,1 В, и КПД синхронного выпрямителя становится выше, чём идеализированного диодного (см.рис,2) при вполне приемлемой площади кристалла. Сравнивая выпрямители на диодах Шотки и на МДП-транзисторах, заметим, что потери в выпрямителе могут быть уменьшены примерно в 5 и более раз, что очень существенно для повышения общего КПД преобразователя.
Рис.2. Зависимость предельного КПД диодных выпрямителей от требуемого значения напряжения на нагрузке в сравнении с КПД синхронного выпрямителя на МДП – транзисторах
Другой вопрос, требующий рассмотрения, - это методы уменьшения статических потерь в транзисторном ключе при заданном токе нагрузки. Этот метод основан на оптимизации плотности тока в силовой цепи параллельно включенных транзисторов при изменении их количества [1].
Энергетические возможности транзистора характеризуются двумя параметрами: произведением площади кристалла (или корпуса) на выходное сопротивление R1S1 , ом*см2, и удельной мощностью, затрачиваемой в цепи управления, Pупр1/S1Вт/ см2. Изменяя количество параллельно включенных транзисторов или площадь кристалла одного транзистора при заданном токе I , т.е. изменяя плотность тока, можно определить условия, при которых суммарная рассеиваемая мощность будет минимальна, и значение этой мощности составит
Суммарная рассеиваемая мощность минимальна при равенстве потерь в выходной цепи и в цепи управления. Абсолютное значение этой мощности в десятки раз меньше, чем в типовых режимах современныхМДП-транзисторов, но и плотность тока должна быть уменьшена в десятки раз, что приводит к соответствующему увеличению объема транзистора или транзисторной сборки. Таким образом, методы существенного уменьшения статических потерь в силовых транзисторах и диодах достаточно ясны и весьма эффективны, но их реализация обойдется недешево, так как МДП- транзистор в принципе должен быть дороже диода, а стоимость любого транзистора возрастает с увеличением площади, кристалла. Наблюдается тенденция к повышению частоты коммутации транзисторов до мегагерца и даже нескольких мегагерц с целью уменьшения объема реактивных элементов и ИВЭ в целом. Для всех электротехнических устройств на основе фундаментальных соотношений справедливы зависимости, заключающиеся в том, что по мере увеличения j, β,ω и уменьшается конструктивный объем и увеличиваются потери, т.е. увеличивается необходимая теллоотводящая поверхность. Во всех случаях объем конструкции с заданным перегревом получается минимальным при оптимальном сочетании j, β,ω. Поэтому повышение частоты, если это не есть приближение к ее оптимальному значению, отвлекает силы и средства на создание новой, более дорогой элементной базы, параметры которой должны обеспечивать в первую очередь малые частотные потери, а статические остаются на втором плане. Вновь ничего не делается для повышения КПД, и прогресс ИВЭ сводится к уменьшению конструктивного объема.
2. Тенденции развития транзисторных преобразователей электроэнергии
Тенденции развития транзисторных преобразователей электроэнергии можно в обобщенном виде представить и качественно прогнозировать на основе развития электротепловой модели транзисторной сборки.
Полагаем заданными ток нагрузки I и поверхность, необходимую для теплоотвода I Вт мощности
STO=1/KT∆T,
где KT- коэффициент теплопередачи;
∆T- разность температур переход-среда.
Транзистор представляем выходным сопротивлением R1 и занимаемой им площадью S1. При изменении количества параллельно включенных транзисторов nопределяем поверхность, необходимую для отвода тепла, ST, и поверхность, необходимую для их размещения, SK:
Графическое представление этих зависимостей (рис.3) позволяет рассматривать множество конструкций, каждая из которых характеризуется точкой в координатах Sи п, . Выше линииSTрасположены изображающие точки недогретых конструкций, нижеST- перегретых. Очевидно, что площадь конструкции минимальна (точка I) при ST= SK, т.е. при оптимальном количестве транзисторов
Этому оптимальному количеству транзисторов соответствуют оптимальная плотность тока и вполне определенное значение КПД при заданном напряжении питания.
Рис.3. Обобщенные тепловые и конструктивные параметры транзисторного ключа как варианты выполнения конструкции при разных плотностях тока
Рассмотрим конструкцию с количеством транзисторов n2≤n1 (точка 2), имеющую меньшую площадь SK=n2S1и перегретую при заданных условиях теплообмена. Для создания расчетного теплового режима необходима дополнительная теплоотводящая поверхность Sg.
Новая изображающая точка 3 характеризует конструкцию, состоящую из корпуса сборки с присоединенным к нему радиатором. Суммарная их площадь обязательно больше площади оптимальной конструкции:
Аналитические зависимости и их графическое представление остаются справедливыми для плоской тонкой конструкции высотой h, при замене Sобъемом V=Sh(пренебрегая теплоотводом от боковых сторон сборки). С учетом двухстороннего теплоотвода надо полагать
ST=2 SK
Все выводы остаются справедливыми для объемной модели, состоящей из корпуса с присоединенным к нему ребристым радиатором, если учесть, что в результате преобразования пластины площадью Sgв набор ребер с шагом mполучается радиатор, габаритный объем которого равен mSg. Тогда суммарный объем корпуса и радиатора определяется выражением