Сверхмощные источники питания - нечастые гости на страни­цах радиолюбительских журналов. В некоторой степени лик­видировать этот пробел призвана настоящая статья.

                 Стабилизированный импульсный источник питания от трехфазной сети 380 В

Описанный в статье импульсный источник питания (ИИП) является самым мощным устройством из когда-либо опубликованных в нашем журнале аппаратов. ИИП вырабаты­вает постоянное однополярное вы­ходное напряжение, стабилизиро­ванное по широтно-импульсному методу, имеет системы защиты от перегрева, перегрузки по току на­грузки и короткого замыкания. Прин­ципиальная схема ИИП показана на рис. 1. Аппарат допускает включение в питающую сеть без нагрузки на сколь угодно долгое время без каких - либо негативных последствий. ИИП подключают к трехфазной сети 3x380 В с частотой 50 Гц. Прибор сконстру­ирован так, что входные и выходные цепи ИИП гальванически развязаны. Источник питания собран на 1084 компонентах. Следует отметить, что повторение данного устройства - НЕ ДЛЯ НОВИЧКОВ в области силовой электроники.

В данном источнике питания от­сутствует специальный корректор коэффициента мощности, что позво­лительно для радиолюбительских конструкций. Между тем коэффици­ент мощности устройства весьма высок и теоретически при отсутствии перекоса фаз может достигать 0,955.. .0,96 ввиду особенности рабо­ты шестипульсного сетевого выпря­мителя VD46 с нулевым диодом VD47 и сглаживающим LC-фильтром, что показано в статьях [1, с. 20] и [2, с. 10]. Причем в спектре тока, потребля­емого ИИП, отсутствуют гармони­ческие составляющие, кратные трем [2, с. 10]. При необходимости прохож­дения регистрации ИИП соответству­ющими органами, необходимо учиты­вать нормы ОСТ 45.188-2001, ГОСТ Р 51317.3.4-2006 (МЭК 61000-3-4-1998) и другие. Дополнительно увеличить ко­эффициент мощности аппарата мож­но, применив трехфазный корректор коэффициента мощности или Виенна-выпрямитель [1 ], однако это доро­гое устройство уменьшит общий КПД, и будут примерно такой же фун­кциональной сложности, как и весь остальной источник питания.

Назначение компонентов

Для защиты питающей сети от перегрузки на входе ИИП установлен трехполюсный автоматический вык­лючатель FU1.

Варисторы RU1 ...RU6 защищают входные цепи ИИП от перенапряже­ний, которые могут поступать на его вход из питающей сети.

Дроссели L2, L7, L8, L9 и конден­саторы С12, С15, С17, С32...С63, С66...С82, С85...С102, СЮ8...С123, С230...С245, С350...С365, С377...С392, С501...С516 образуют сетевой помехоподавляющий фильтр, предназна­ченный для уменьшения генерируе­мых импульсным преобразователем напряжения высокочастотных пуль­саций, которые угрожали проникнуть в питающую сеть. Резисторы R22, R23, R26, R27, R34, R35, R46, R47, R49, R50, R53, R54, R60, R61, R63, R64, R68 и R69 выравнивают паде­ния напряжения на включенных пос­ледовательно группах соответствую­щих конденсаторов фильтра. Цепи С124, R56 и С125, R57 и С126, R58- это снабберы, уменьшающие ампли­туду напряжения ЭДС самоиндукции дросселей L7...L9, а, кроме того, ини­циирующие быстрое затухание пара­зитных колебательных процессов.

После прохождения сетевого фильтра трехфазное напряжение питающей сети поступает на шестипульсный мостовой выпрямитель VD46, собранный по схеме Ларионо­ва. Коэффициент пульсации выход­ного напряжения составляет 5,7% [3, с. 138], а пульсация выпрямленного тока имеет в шесть раз более высо­кую частоту, нежели частота пита­ющей сети, то есть 300 Гц. В резуль­тате столь эффективного спрямле­ния вообще-то можно не использо­вать сглаживающий фильтр с боль­шой емкостью конденсатора, а луч­ше, как реализовано в нашем уст­ройстве, ограничиться простейшим LC-фильтром, вносящим минималь­ный вклад в уменьшение коэффици­ента мощности ИИП. Пульсация выпрямленного мостом Ларионова напряжения содержит 6,12,18 и т.д. гармоники, а ток, потребляемый ИИП от питающей сети, имеет 5, 7, 11,13 и т.д. гармоники [4, с. 68]. Ком­понент VD47 - это нулевой диод, за­мыкающий в течение части перио­да обратный ток нагрузки выпрями­теля. Точка соединения Y-конденсаторов С12, С15, С17, С82, С85, С86 через постоянные резисторы R4 и R5 подключена к нулевому защит­ному проводнику РЕ. Для силового питания аппарата не использован нулевой рабочий проводник N, а, следовательно, нейтраль не отгорит даже гипотетически при любом пе­рекосе фаз, т.к. она просто не под­ключена к входной цепи ИИП.

Сетевой выпрямитель VD46 на­гружен на LC-фильтр, выполненный на полипропиленовых конденсаторах С738...С768 и дросселе L14. Резис­торы R88...R91 снимают заряд с кон­денсаторов фильтра после отключе­ния ИИП от сети.

В момент включения ИИП в сеть заряд конденсаторов фильтра С738...С768 приводит к возникнове­нию импульса тока, протекающего по выпрямителю VD46, что может при­вести к выходу последнего из строя. Чтобы избежать такой перегрузки выпрямителя VD46 по току, между выходом выпрямителя и дросселем L14 сглаживающего фильтра вклю­чена цепь ограничения тока, реали­зованная на компонентах С635, С736, R75, R76, R78, R79, VT11, VS1. Емкость конденсатора С736 и сопро­тивление резистора R79 определяют постоянную времени RC-цепи каска­да, обеспечивающего задержку отпи­рания тиристора VS1. В момент включения ИИП в сеть происходит процесс заряда конденсаторов С738...С768, и ток заряда протека­ет через резистор R75. После завер­шения заряда конденсаторов тири­стор VS1 будет включен и зашунтирует резистор R75. Питание цепи ог­раничения тока, вызванного заря­дом конденсаторов фильтра, осуще­ствляют от вспомогательного источ­ника питания, состоящего из выпря­мителя с LC-фильтром С103, С104, L4, VD25...VD28 и параметрическо­го стабилизатора напряжения R48, VD24, VT7, к выходу которого под­соединен конденсатор С105 емкос­тного фильтра.

Вторичная обмотка линейного трансформатора Т1 нагружена на мостовой выпрямитель, собранный на диодах VD2...VD5, к которому подключен емкостный фильтр на конденсаторе С18. Выпрямленное и отфильтрованное постоянное напря­жение поступает на параметричес­кий стабилизатор R10, VD1, VT1, а с него - на П-образный высокочас­тотный фильтр С1, СЗ...С10, С16, С20...С27, L1.

Задающий генератор выполнен на микросхеме DA1 двухтактного широтно-импульсного контроллера фирмы "Texas Instruments" марки

SG3524 с цепями "обвязки". Гене­ратор микросхемы SG3524 спосо­бен работать в диапазоне частот от 100 Гц до 300 кГц. Максимальный ток каждого из ключевых транзис­торов оконечного каскада микросхе­мы составляет всего лишь 50 мА, что вынуждает применить драйвер для ее согласования с цепями управле­ния силовым импульсным преобра­зователем.

Назначение выводов ИМС SG3524 таково:

I - инвертирующий вход усили­теля ошибки;

2 - неинвертирующий вход усили­теля ошибки;

3 - выход генератора;

4 - неинвертирующий вход усили­теля ограничения тока;

5 - инвертирующий вход усили­теля ограничения тока;

6 - частотозадающий резистор;

7 - конденсатор, задающий час­тоту и длительность dead time;

8 - общий провод;

 9 - вход компенсации;

10 - вход блокировки;

11 - эмиттер транзистора "А" око­нечного каскада;

12 - коллектор транзистора "А" выходного каскада;

13 - коллектор транзистора "В" оконечного каскада;

14 - эмиттер транзистора "В" вы­ходного каскада;

15 - вывод для подключения по­ложительного полюса источника пи­тания;

16 - опорное напряжение +5 В.

Более подробную информацию о микросхеме SG3524 можно обнару­жить в справочнике [5, с. 223-231].

Резисторы R1, R7, R9 - это регули­руемый делитель постоянного выход­ного напряжения, получаемого на кон­денсаторах С367...С376, С495...С499. Резисторы R2 и R13 - это нерегу­лируемый делитель опорного по­стоянного напряжения,подаваемо­го на неинвертирующий вход усили­теля ошибки. Сопротивления рези­сторов R3, R8 и емкости конденса­торов С11 и С14 определяют часто­ту следования импульсов, генериру­емых микросхемой DA1. Керамичес­кий конденсатор С28 - это компо­нент емкостного фильтра источника

опорного напряжения Vref микро­схемы DA1. Резисторы R17 и R18 - это коллекторные нагрузки бипо­лярных транзисторов оконечного каскада микросхемы DA1. СЗО и R19 - это RC-цепь компенсации. Компоненты С31, R20, VD6 - это цепь "мягкого" запуска микросхемы DA1, под действием которой в пе­реходном процессе выходное на­пряжение усилителя ошибки будет отсутствовать, а скважность гене­рируемых импульсов будет макси­мальна.

При срабатывании любого из тер­мозамыкателей SA1 ...SA7 по обмот­ке реле К1 потечет ток, что иниции­рует срабатывание реле. При этом контактная группа К1.1 реле элект­рически подсоединит постоянный резистор R21 к положительному по­люсу источника питания микросхе­мы, на которой собран задающий генератор. Появление на выводе 10 ИМС DA1 сигнала блокировки при­ведет к прекращению генерации им­пульсов. Замыкание контактной группы К1.2 электромагнитного реле обеспечит протекание тока по рези­стору R25 и светодиоду HL1, который будет индицировать о перегреве ком­понентов ИИП. Постоянный резистор R25 нужен для ограничения тока, протекающего по светодиоду HL1. Термозамыкатель после остывания разорвет цепь питания обмотки реле К1, и система защиты от перегрева вернется в исходное состояние. Диод VD11 купирует импульс напряжения ЭДС самоиндукции обмотки реле К1, который мог бы привести к помехам в работе или даже выходу из строя компонентов задающего генератора.

Если в нагрузке ИИП произойдет перегрузка по току или короткое за­мыкание, то возрастет ток, потреб­ляемый импульсным преобразовате­лем от сетевого выпрямителя. При этом сила тока, протекающего по первичной обмотке трансформатора тока Т10, будет значительно больше, чем в рабочем режиме. Импульсы тока проходят по резисторам R32, R33, R36...R39, которые подключены к обеим частям вторичной обмотки трансформатора Т10, и в результате на этих резисторах будет иметь ме­сто падение напряжения, которое пропорционально силе тока в пер­вичной обмотке трансформатора Т10. Снабберы С83, R42 и С84, R43 повышают помехоустойчивость си­стемы защиты, однако их в принци­пе можно исключить. Двунаправлен­ные ограничительные диоды VD9 и VD10 препятствуют образованию импульсов напряжения чрезмерно большой амплитуды, что могло бы привести к пробою компонентов цепи защиты ИИП от перегрузки по току. Диоды Шоттки VD7 и VD8, на­груженные на конденсатор С29 и на разряжающий его постоянный рези­стор R24-это пиковый детектор. Ре­зисторы R15 и R16-3TO регулируе­мый делитель напряжения сигнала о перегрузке. Компоненты С2, С13, С19, R6, R11, R12 и R14 - это пас­сивный фильтр, препятствующий поступлению высокочастотных пуль­саций на неинвертирующий вход 4 усилителя ограничения тока микро­схемы DA1.

Биполярные транзисторы VT4 и VT5 структуры п-р-п нужны для умощнения импульсов с паузой на нулевом уровне, вырабатываемых микросхемой DA1 задающего гене­ратора. Пауза на нулевом уровне, по- английски называемая "dead time", необходима для предупреждения протекания сквозного тока через выводы коллектор-эмиттер IGBT транзисторных модулей VT6 и VT8. Выводы коллектор-эмиттер транзис­торов VT4 и VT5 шунтируют оппозитными диодами Шоттки VD20 и VD21.

Согласующие трансформаторы Т2, ТЗ, Т11 и Т12 обеспечивают галь­ваническую развязку форсирующих цепей между собой, а также развяз­ку от буферного каскада.

Форсирующие цепи, позволяю­щие обеспечить подходящую дли­тельность отпирания и запирания IGBT модулей VT6 и VT8, выполне­ны на компонентах: С64, R28, R29, R40, VD12, VD14, VD16, VT2; С65, R30, R31, R41, VD13, VD15, VD17, VT3; С627, R72, R81, R82, VD44, VD48, VD50, VT9; и, наконец, С628, R73, R83, R84, VD45, VD49, VD51, VT10. Постоянные резисторы R40, R41, R72 и R73 необходимы для уменьшения скорости заряда и раз­ряда емкостей затвор-эмиттер IGBT в силовых модулях VT6 и VT8. Без указанных резисторов в IGBT про­изошло бы защелкивание паразит­ных тиристорных структур. В резуль­тате транзисторные модули потеря­ли бы управляемость и перешли в открытое состояние, что привело бы к аварии. Компоненты VD18, VD19, VD42 и VD43 - это двунаправленные ограничительные диоды, защищаю­щие управляющие входы IGBT от выхода из строя, связанного с пре­вышением напряжения затвор-эмиттер выше максимально допустимой величины в момент заряда паразит­ных емкостей затвор-коллектор. Длительность срабатывания данных ограничительных диодов исключи­тельно мала, хотя время рассасыва­ния и паразитная емкость у этих ком­понентов довольно велики. Постоян­ные резисторы R44, R45, R66 и R67 помогают ускоренному разряду па­разитных емкостей затвор-эмиттер IGBT в модулях VT6 и VT8, а также емкостей ограничительных диодов VD18, VD19, VD42 и VD43.

Компоненты VD22, VD23, VD40 и VD41 - это мощные ограничительные диоды, купирующие перенапряже­ния, которые могут возникнуть на выводах коллектор-эмиттер IGBT в модулях VT6 и VT8.

Защиту силовых IGBT модулей VT6 и VT8 от коммутационных пере­напряжений осуществляют снабберные LCD-цепи С106, L5, VD29, VD33; С107, L6, VD30, VD34; С248, L10, VD37, VD38; С249, L11, VD35, VD39. Можно было бы использовать и RCD- цепи, однако при этом могли бы воз­никнуть определенные трудности с утилизацией тепла, рассеиваемого безындукционными резисторами.

Конденсаторы С130...С229, С250...С349, С393...С492, С517...С616, С636...С735, С769...С868 предупреж­дают долговременное подмагничива- ние сердечников импульсных транс­форматоров Т4...Т9 постоянным то­ком, которое привело бы к смещению петель гистерезиса их магнитопрово- дов в область насыщения. Но от пере­коса частных петель гистерезиса им­пульсных трансформаторов в динами­ке и повышения намагничивающего тока они, естественно, не защитят. Не подключенные к этим конденсаторам выводы первичных обмоток импуль­сных трансформаторов Т4...Т9 про­пускают сквозь окно помехоподавляющего ферритового колечка, выпол­няющего роль магнитопровода дрос­селя L3, так, что обмотки образуют один виток.

Пары компонентов С127, R55 и С246, R62и С366, R65и С500, R74 и С629, R77 и С737, R87, а также С493, R70 и С494, R71 - это снабберы, ко­торые необходимы для уменьшения амплитуд напряжения паразитных колебательных процессов. Эту же функцию выполняет дроссель L3. Кроме того, снабберами являются RC-цепи С128, R51 и С129, R52 и С247, R59, включенные параллель­но соответствующим диодам VD31, VD32 и VD36.

Диоды VD31, VD32 и VD36 игра­ют роль мощных выходных импульс­ных выпрямителей. Варисторы RU7...RU9 защищают диоды VD31, VD32 и VD36 от пробоя импульсным обратным напряжением в переход­ном процессе. Дроссель 1_12-демодулирующий; его подключают после выходного выпрямителя, но обяза­тельно до сглаживающего конденса­тора фильтра. Демодулирующий дроссель нужен для того, чтобы на­пряжение на выходе выпрямителя со­ответствовало среднеквадратическому напряжению, а в случае отсутствия дросселя оно было бы пропорцио­нально пиковому напряжению. Кон­денсаторы С367...С376, С495...С499, С617...С626, С630...С634 и двухобмоточный дроссель L13 - это выходной П-образный сглаживающий фильтр, подавляющий высокочастотные пуль­сации. Конденсаторы С495...С499 и С630...С634, обладающие как можно меньшими параметрами паразитно­го сопротивления и паразитной ин­дуктивности, шунтируют выходную цепь по высокой частоте. Варисторы RU10...RU12 ограничивают импульсы напряжения ЭДС самоиндукции дросселей L12 и L13 по месту возник­новения перенапряжений. Постоян­ный резистор R80, а также цепь ин­дикации включенного состояния ИИП R85, R86 и HL2 участвуют в процессе разряда конденсаторов выходного фильтра после выключения аппара­та. Предохранитель FU4 защищает нагрузку от протекания экстратока и возникновения дуги в случае, если в нагрузке возникнет короткое замы­кание.

Литература

1. Чаплыгин Е., Тьинь В.М., Ан Н.Х. Виенна-выпрямитель-трехфаз­ный корректор коэффициента мощ­ности. - Силовая электроника, № 1, 2006, с. 20-23.

2.   Твердов И. Пассивные корректо­ры коэффициента мощности для одно­фазных и трехфазных модулей пита­ния. - Компоненты и технологии, № 4, 2009, с. 8-11.

3.   Источники электропитания ра­диоэлектронной аппаратуры: Спра­вочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Ма- зель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986.-576 е., ил.

4.   Энергетическая электроника: Справочное пособие: Перевод с немец­кого. / Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -464 е.: ил.

5.   Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источни­ков питания и их применение. Издание 2-е. - М.: ДОДЭКА, 2000. - 608 с.

Продолжение следует.

Евгений Москатов

г. Таганрог httр://moskatov. narod.ru