Разработка источника вторичного электропитания на базе DC-DC преобразователя

1.

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)»
(СПбГЭТУ «ЛЭТИ»)
Направление
13.04.02 – Электроэнергетика и
электротехника
Профиль
Факультет
Электротехники и автоматики
Электротехнологической и
Кафедра
преобразовательной техники
К защите допустить
Зав. кафедрой
Кудряш М.Н.
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
МАГИСТРА
Тема: Разработка источника вторичного электропитания на базе DC-DC
преобразователя мощностью 1 кВт
Студент
Земский Д.А.
подпись
Руководитель
к.т.н., доцент
Перевалов Ю.Ю
(Уч. степень, уч. звание)
Консультант
подпись
к.т.н., доцент
Буканин В.А.
(Уч. степень, уч. звание)
подпись
Санкт-Петербург
2024

2.

ЗАДАНИЕ
НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ
Утверждаю
Зав. кафедрой ЭТПТ
____________ Кудряш М.Н.
«___»______________20___ г.
Студент
Земский Д.А.
Группа _______
Тема работы: Разработка источника вторичного электропитания на базе DCDC преобразователя мощностью 1 кВт
Место выполнения ВКР: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Исходные данные:
- мощность в нагрузке P2 = 1 кВт;
- входное постоянное напряжение U1 = 400 В;
- частота коммутации 1 Мгц;
- коммутирующие элементы – MOSFET транзисторы.
Содержание ВКР: литературный обзор по DC-DC преобразователям;
электрический расчет планарного трансформатора; исследование схемы
работы преобразователя
Перечень отчетных материалов: выпускная квалификационная работа
магистра, презентация в электронном виде
Дополнительные разделы: Специальные вопросы обеспечения безопасности
Дата выдачи задания
Дата представления ВКР к защите
«___»______________20___ г.
«___»______________20___ г.
Студент
Земский Д.А.
подпись
Руководитель
к.т.н., доцент
(Уч. степень, уч. звание)
Перевалов Ю.Ю.
подпись
2

3.

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ
ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ
Утверждаю
Зав. кафедрой ЭТПТ
____________ Кудряш М.Н.
«___»______________20___ г.
Студент
Группа ____
Земский Д.А.
Тема работы: Разработка источника вторичного электропитания на базе DCDC преобразователя мощностью 1 кВт
№
Наименование работ
п/п
1 Обзор литературы по теме работы
Срок
выполнения
06.02-01.03
2 Разработка источника вторичного электропитания на базе
DC-DC преобразователя мощностью 1 кВт
01.03-01.04
3 Посторенние и исследование характеристик планарного
трансформатора
4 Специальные вопросы обеспечения безопасности
5 Оформление пояснительной записки
6 Оформление иллюстративного материала
01.23-02.23
Студент
02.23-04.23
03.23-05.23
05.23-05.23
Земский Д.А.
подпись
Руководитель
к.т.н., доцент
(Уч. степень, уч. звание)
Перевалов Ю.Ю.
подпись
3

4.

РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 80 страниц, 4 главы, 44 рисунка, 3
таблицы, 16 источников литературы.
Цель работы – исследование работы преобразователя DC-DC мощностью
1 кВт при входном напряжении 400 В и выходном напряжении 24 В при
номинальном токе нагрузки. Тема работы актуальна, потому что она открывает
новые возможности для использования преобразовательной техники. Данный
тип преобразователей уместно использовать там, где надо получить компактное
и высокоэффективное решение, а также в военной технике.
4

5.

ABSTRACT
The explanatory note contains 80 pages, 4 chapters, 44 figures, 1 table, 16
literature sources.
The purpose of the work is to study the operation of a DC-DC converter with a
power of 1 kW at an input voltage of 400 V and an output voltage of 24 V at the rated
load current. The topic of the work is relevant because it opens new opportunities for
the use of conversion technology. This type of converter is appropriate to use where it
is necessary to obtain a compact and highly efficient solution, as well as in military
equipment.
5

6.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ ...................................................................................................................... 6
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ .................................................... 8
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................ 9
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМ .............................. 10
1.1.
Введение в теорию ................................................................................................... 10
1.2. Типы DC-DC преобразователей.............................................................................. 10
1.2.1.
DC-DC преобразователи без индуктивности. .............................................. 10
1.2.2.
DC-DC преобразователи с индуктивностью. ............................................... 11
1.2.3.
DC-DC преобразователь с гальванической развязкой. ............................... 12
1.3. Инверторная ячейка ................................................................................................. 13
1.3.1.
Способ генерирования токов высокой частоты ........................................... 13
1.3.2.
Последовательные инверторы ....................................................................... 15
1.4.
Планарный трансформатор ..................................................................................... 19
1.5.
Выпрямитель ............................................................................................................ 26
2.
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМЫ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .............................. 30
2.1.
Выбор схемы ............................................................................................................. 30
2.2.
Предварительные расчеты....................................................................................... 32
2.3.
Симуляция работы выпрямителя ............................................................................ 35
2.4.
Основная схема преобразователя DC-DC и симуляция работы .......................... 40
3.
ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАНАРНОГО
ТРАНСФОРМАТОРА ..................................................................................................................... 46
3.1.
Расчет геометрии планарного трансформатора .................................................... 46
3.2.
Построение геометрии планарного трансформатора ........................................... 48
3.3.
Численное моделирование трансформатора ......................................................... 49
4.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ .................. 64
4.1.
Основные специальные вопросы безопасности .................................................... 64
4.2.
Требования и процедуры испытаний на климатические факторы ...................... 65
6

7.

4.3.
Требования и процедуры оценки электробезопасности систем .......................... 66
4.4 Требования и процедуры оценки пожароопасности систем ..................................... 67
4.5 Испытания систем на механические и виброакустические факторы ....................... 70
4.6 Испытания систем на электромагнитную совместимость ......................................... 72
4.7 Электрооборудование как источник пожара .............................................................. 73
4.8 Аварийные режимы и способы защиты транзисторных инверторов ....................... 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................................................................................... 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................................................... 78
7

8.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В настоящей пояснительной записке применяют следующие термины с
соответствующими определениями:
ПП – печатная плата.
КПД – коэффициент полезного действия.
ВКР – выпускная квалификационная работа.
ВАХ- вольт-амперная характеристика.
ЭДС- электродвижущая сила
8

9.

ВВЕДЕНИЕ
В современной электронике достигнуты большие достижения в сфере DCDC преобразователей. DC-DC преобразователи применяются в различных
электронных приборах, мобильных устройствах, вычислительной технике,
устройствах телекоммуникации, автоматизированных системах управления
(АСУ), и т. д. DC-DC преобразователи применяются для повышения и
понижения напряжения на выходе, относительно напряжения на входе.
В данной работе представлен DC-DC преобразователь с гальванической
развязкой, состоящий из мостового инвертора, трансформатора и выпрямителя
(диодного моста).
9

10.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМ
1.1. Введение в теорию
При
разработке
DC-DC-преобразователя
необходимо
учитывать
множество факторов, включая назначение изделия, сопутствующие стандарты
безопасности
и
электромагнитной
совместимости,
диапазон
рабочих
температур, входные напряжения и диапазон нагрузок по току. Также
необходимо учитывать номинальное выходное напряжение и его точность
поддержания, а также площадь размещения и максимальную высоту профиля.
Важным фактором является приемлемый уровень КПД и надежность
преобразователя в реальных условиях эксплуатации. Необходимо также
учитывать граничную цену и выбирать изолированный или неизолированный
DC-DC-преобразователь в зависимости от области его применения. Различия
между этими типами преобразователей определяют схемотехнические решения,
электрические характеристики и конструктивное исполнение.
В данной работе представлен DC-DC преобразователь, состоящий из
инвертора, планарного трансформатора и выпрямителя (диодного моста).
Входное напряжение преобразуется с помощью инвертора в переменное
напряжение повышенной частоты (1 МГц), которое затем поступает на
понижающий
высокочастотный
трансформатор.
К
вторичной
обмотке
трансформатора подключен диодный выпрямитель, к которому подключена
нагрузка.
1.2. Типы DC-DC преобразователей
На сегодняшний день на рынке представлены разнообразные виды DC-DC
конвертеров, которые активно применяются потребителями
1.2.1. DC-DC преобразователи без индуктивности.
Для
эффективного
питания
небольших
нагрузок
рекомендуется
использовать DC-DC преобразователи на коммутируемых конденсаторах. Такие
10

11.

устройства не требуют дорогих моточных компонентов, что позволяет создавать
более доступные и компактные блоки питания. Эти преобразователи могут иметь
как фиксированное, так и регулируемое напряжение.
1.2.2. DC-DC преобразователи с индуктивностью.
Преобразователи
единичный
без
изолированный
гальванической
источник
развязки,
питания,
где
используется
пользуются
широкой
популярностью. В таких DC-DC конвертерах напряжение может быть повышено,
понижено или инвертировано в напряжение с обратной полярностью в
зависимости от положения ключа. Основными компонентами часто являются
биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и различные типы
полевых транзисторов (FET).
На
рынке
электроники
доступны
различные
типы
конвертеров
с
индуктивностью:
Понижающий импульсный DC-DC преобразователь, где ключом является
транзистор, управляемый широтно-импульсным модулятором.
Повышающий импульсный DC-DC преобразователь.
Преобразователь с регулируемым выходным напряжением, который
позволяет получить как повышенное, так и пониженное напряжение на
выходе. Это полезно, например, для устройств, работающих от Li-ионной
батареи, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение даже при
изменении напряжения батареи.
Преобразователь с произвольным выходным напряжением, способный
генерировать как повышенное, так и пониженное напряжение на выходе.
Такие устройства необходимы для работы с Li-ионными батареями,
которые имеют напряжение 3,3 В и могут уменьшаться в процессе
эксплуатации, поэтому важно поддерживать неизменное выходное
напряжение.
Составные узлы DC-DC преобразователя изображены на рисунке 1.
11

12.

Рисунок 1– Составные узлы DC-DC преобразователя
1.2.3. DC-DC преобразователь с гальванической развязкой.
В таких преобразователях постоянного тока применяются импульсные
трансформаторы с несколькими обмотками, благодаря чему отсутствует связь
между входной и выходной цепями. Преимуществом преобразователя с
гальванической развязкой является то, что у таких преобразователей шанс
получить выходной сигнал, из-за которого появится перебой на выходе на
порядки ниже из-за защищенности от пробоя.
Для таких устройств характерна большая разница потенциалов между
входным и выходным напряжением. Внешний вид такого преобразователя
изображен на рисунке 2.
Рисунок 2 –DC-DC преобразователь с гальванической развязкой
12

13.

1.3. Инверторная ячейка
1.3.1. Способ генерирования токов высокой частоты
Существует метод генерации высокочастотного сигнала путем создания
замкнутых контуров между источником постоянного тока и нагрузкой, при
котором
возникает
изменение
направления
потока
энергии
через
коммутирующую емкость и нелинейные элементы, а также разряд ее через
разделительную емкость на нагрузку. Однако, при данном способе возникают
проблемы с перегрузкой по мощности и аварийными режимами при работе с
переменной нагрузкой [2].
Отличие данного метода заключается в том, что для предотвращения
перегрузок по мощности и аварийных режимов при работе с переменной
нагрузкой, нелинейные элементы будут объединены в замкнутый контур с
коммутирующей емкостью. Этот контур будет разделять нагрузку от источника
постоянного тока в случае превышения установленной мощности.
На рисунке 3 представлена типовая схема устройства, генерирующего
колебания; на рисунке 4 дана кривая тока на выходе.
Для создания высокочастотных токов используется создание замкнутых
контуров между нагрузкой и источником постоянного тока путем изменения
направления потока энергии в емкости конденсатора 1 с помощью двух
нелинейных элементов: транзисторов 2-5 и диодов 6-9, и разряда ее через
разделительную емкость конденсатора 10 на нагрузку 11. При соблюдении
условия повышения мощности нелинейные элементы соединяются в замкнутый
контур с коммутирующим конденсатором 1, который передает нагрузку 11 от
источника постоянного тока. Формирование подобного контура достигается
благодаря тому, что емкость конденсаторов 1 и 10 имеет значение одного
порядка. Управляющие электроды вентилей 2-5 получают импульсы с удвоенной
частотой по сравнению с выходной частотой. В результате через вентили
13

14.

протекает импульсный ток, длительность t которого в основном определяется
индуктивностями дросселей 12-15 и емкостями конденсаторов 1,10,16.
Рисунок 3 – Типовая схема устройства
Рисунок 4 – Кривая тока на выходе
14

15.

После пропуска импульсного тока через вентили 2, 5, через диоды 6, 9
протекает ток обратной полярности в течение t . В это время тиристоры 2, 5
находятся под обратным напряжением, равным напряжению на диодах 6, 9. Во
второй половине периода задающей частоты
в вентили 3, 4 активируются, и
этот процесс повторяется на противоположных ветвях моста. В это время на
вентили 3, 4 подается постоянное напряжение, которое является суммой
напряжений на конденсаторе 1 и на одном из дросселей 13 или 14
соответственно. Это же напряжение представляет собой обратное напряжение
для диодов 7, 8.
Поскольку прямое напряжение, подаваемое на тиристоры 2-5, снимается
только с определенной части колебательной цепи (одного из дросселей 12-15 и
конденсатора 1), то оно сохраняет свой знак, и одновременное включение
тиристора и диода в интервалах между коммутациями ветвей невозможно. Тот
же эффект можно достичь, если дроссели 12-13 будут магнитно связаны, но с
противоположной полярностью ЭДС.
Генерация высокочастотных токов осуществляется путем создания
замкнутых контуров между источником постоянного тока и нагрузкой, изменяя
направление потока энергии через коммутирующую емкость с помощью
нелинейных элементов и разряда ее через разделительную емкость на нагрузку.
Данный метод отличается тем, что при превышении установленной мощности
нелинейные элементы объединяются в замкнутый контур с коммутирующей
емкостью, чтобы отсоединить нагрузку от источника постоянного тока в целях
предотвращения перегрузок и аварийных режимов при работе с переменной
нагрузкой.
1.3.2. Последовательные инверторы
На
рисунках
5-8
показаны
схемы
симметричных
однофазных
последовательных инверторов без использования диодов встречного тока.
15

16.

Рисунок 5 – Принципиальная схема мостового инвертора
Ключевой особенностью мостовой схемы, изображенной на рисунке 5
является то, что такая компоновка инвертора может выдерживать работу на
мощности от сотни Ватт и выше. Транзисторы периодически переключают свое
состояние: VT1, VT4 – замкнуты, VT2, VT3 – разомкнуты, и наоборот.
Полярность прикладываемого напряжения на стадии коммутации вентилей VТ1
и VТ4 противоположна полярности напряжения на предыдущей стадии
коммутации транзисторов VТ2 и VТ3, то есть направление токов полностью
инвертируется по сравнению с предыдущим интервалом.
К недостаткам мостовой схемы относится и то, что при одинаковых токах
потери в транзисторах несколько больше, чем в основной схеме со средней
точкой. Однако каждый из транзисторов мостовой схемы испытывает в два раза
меньшее напряжение коллектор – эмиттер в запертом состоянии. В связи с этим
преимущества мостовой схемы более ощутимы при значительных напряжениях
источника постоянного тока.
16

17.

Рисунок 6 – Принципиальная схема инвертора со средней точкой
Нулевая схема, изображенная на рисунке 6, включает в себя минимальное
количество элементов и предполагает соединение одного вывода входного
источника питания с отводом от нулевой – средней точки первичной обмотки
трансформатора. Транзисторы VT1 и VT2 поочерёдно замыкаются и
размыкаются. Магнитные потоки от соответствующих полуобмоток направлены
в противоположных направлениях в магнитопроводе, что приводит к отсутствию
постоянного
подмагничивания
в
идеальном
случае.
Далее
колебания,
измененные с учетом коэффициента трансформации, образуются на вторичной
обмотке, что приводит к появлению синусоидальных колебаний на нагрузке
Главным
недостатком
нулевой
схемы
является
относительно
высокое
напряжение на закрытом вентиле, поэтому данная схема применима для
преобразования исключительно низких напряжений.
17

18.

Рисунок 7 - Принципиальная схема полумостового инвертора
На рисунке 7 представлена схема полумостового инвертора, где два плеча
образованы коммутирующими или фильтрующими конденсаторами, ток
нагрузки равномерно распределяется между емкостными плечами, обеспечивая
то, что ток в каждом плече в каждый момент времени составляет половину тока
нагрузки. Когда верхний вентиль находится в состоянии проводимости, входной
ток i равен току, проходящем через конденсатор в нижнем плече, а при
активации нижнего транзистора, току, проходящем через конденсатор в верхнем
плече. В результате, в моменты проводимости каждого из транзисторов в
полумостовом инверторе мгновенные значения входного тока будут составлять
ровно половину.
На рисунке 8 изображена принципиальная схема однотактного инвертора.
Когда транзистор VT1 выключен, и его рабочая точка на коллекторной
характеристике переходит в режим отсечки из режима насыщения, ток не
проходит через первичную обмотку трансформатора. Следовательно, в
соответствии с правилом Ленца, полярность индуцированных ЭДС в обмотках
18

19.

меняется. На изображении изменённая полярность отмечены в круглых скобках.
Благодаря
энергии,
осуществляется
сохраненной
протекание
тока
в
магнитном
через
нагрузку
поле
трансформатора,
в
противоположном
направлении. Отсюда следует, что на выходе данного инвертора, изображенного
на рисунке 8 возникает переменное напряжение
Рисунок 8 – Принципиальная схема однотактного инвертора
1.4.Планарный трансформатор
Преимуществом планарных трансформаторов, в первую очередь, является
их размер. Данный тип трансформаторов уместно использовать там, где надо
получить компактное и высокоэффективное решение, а также в военной технике
[3].
Размеры планарных трансформаторов могут быть на порядок ниже их
классических аналогов. Все дело в том, что такие трансформаторы, как и входной
дроссель интегрированы в печатную плату преобразователя, т. е. при таком
решении роль привычного провода выполняет многослойная печатная плата.
Внешний вид планарного трансформатора, интегрированного в печатную плату
преобразователя, изображен на рисунке 9.
19

20.

Рисунок 9 – Преобразователь с интегрированным планарным
трансформатором
В зависимости от конструкции планарных трансформаторов, могут быть
разделены на различные типы. Например, навесные компоненты имеют обмотки
в виде отдельных ПП и могут заменить обычные детали на одно- и двухслойных
платах (см. рисунок 10а). Они используются в мощных преобразователях и
требуют хороших тепловых характеристик. В случае низкопрофильных
применений можно погрузить навесные компоненты в вырез платы для
уменьшения высоты сборки, сохраняя при этом их местоположение (см. рисунок
10б). Из-за их малой высоты планарные компоненты представляют собой
перспективный вариант для использования в портативном и стоечном
оборудовании. Гибридные компоненты позволяют уменьшить количество
навесных обмоток, используя дорожки на ПП проектируемого устройства. При
этом, как видно на рисунке 10в, навесные и встроенные обмотки соединяются на
материнской плате, и необходимо предусмотреть отверстия для размещения
ферритового сердечника [4].
20

21.

Рисунок 10 – Варианты изготовления планарных устройств
а – навесной, б – навесной низкопрофильный
в – гибридный г – интегрированный
В интегрированном варианте компонентов навесные обмотки отсутствуют,
а вместо них используются витки, нанесенные на отдельные слои многослойных
ПП (см. рисунок 10г). Этот тип компонентов подходит для использования в
преобразователях с небольшой мощностью и током, а также в устройствах
обработки сигналов благодаря своей малой высоте и хорошим высокочастотным
характеристикам. На рынке электронных компонентов доступны типовые
изделия первого типа. Для сборки магнитопровода планарных трансформаторов
можно использовать склеивание или специальный зажим. Преимущества
склеивания - фиксация трансформатора на печатной плате, малая высота сборки,
однородность поперечного сечения магнитопровода, меньшие размеры выреза в
плате (для интегрированной версии) и простота автоматизации производства.
Преимуществами зажимного крепления являются отсутствие проблем при
использовании трансформатора в высокотемпературных приложениях и чистота
процесса сборки. Использование планарных устройств помимо уменьшения
габаритов обеспечивает улучшение ряда ключевых параметров. (таблица 1).
21

22.

Таблица 1 - Сравнение
планарных трансформаторов
Параметр
Эффективность
преобразования, %
Размер
Тепловое
сопротивление, °С/Вт
Вес, г (для 7-кВт
устройства)
Мощность, Вт
Повторяемость
характеристик
Простота сборки
основных
характеристик
традиционных
Планарные устройства
Намоточные устройства
До 99
90
Минимальная высота
Менее 0,5
200
5–20000
и
Определяется
особенностями намотки
10 (с воздушным
охлаждением)
1000
Ограничена типом
охлаждения
Высокая
Зависит от намотки
Высокая
Низкая
При чередовании слоев с первичной и вторичной обмотками в планарном
трансформаторе происходит формирование сильной магнитной связи, что
приводит к значительному повышению КПД (до 99%). Высокая эффективность,
в сочетании с возможностью внешнего охлаждения, способствует снижению
внутренней температуры и значительно увеличивает наработку на отказ всей
системы. Благодаря хорошим тепловым характеристикам достигается очень
высокая плотность удельной мощности, которая в два раза больше, чем у
обычных трансформаторов.
22

23.

Рост температуры трансформатора зависит от отношения:
Δ = (
где
(1)
)
— эффективный объем, определяющий мощность,
— эффективная площадь отвода тепла, определяющая площадь
охлаждения.
Так как у планарных трансформаторов соотношение площадь/объем
заметно больше, чем у обычных трансформаторов, их охлаждающая способность
также лучше в два раза. Это позволяет увеличить удельную мощность на два раза
при той же изменяемой температуре или уменьшить эффективный объем, и
следовательно, массу при заданном росте температуры. Для охлаждения
планарных устройств можно использовать различные способы: естественное,
принудительное, односторонний и двухсторонний радиатор, жидкостное и
другие. Пример интеграции системы охлаждения в виде теплопроводящей
алюминиевой подложки изображен на рисунке 11.
Рисунок 11 – Вариант интеграции системы охлаждения.
Еще одно преимущество планарных устройств заключается в малом
разбросе значений электрических параметров от устройства к устройству. В
отличие от проволочных трансформаторов, где проволока наматывается
неравномерно,
что
влияет
на
параметры
23
устройства
(индуктивность,

24.

добротность и т. д.), погрешности параметров планарного трансформатора при
правильно спроектированной топологии в сотни раз меньше. Это обеспечивается
технологичностью процесса изготовления многослойных печатных плат, при
котором контролируются геометрические размеры дорожек, и простотой сборки
устройства. Нанесение обмоток печатным способом также обеспечивает низкую
стоимость изделий при серийном производстве. Превосходная повторяемость
значений паразитных параметров (межобмоточной емкости при расположении
витков первичной и вторичной обмоток друг над другом) позволяет учесть их в
реализуемых схемах, что упрощает процесс настройки аппаратуры. При
расположении обмоток одна над другой магнитная связь очень сильна, и
значения коэффициента связи могут быть близкими к 100%. Различные варианты
конструкции обмоток изображены на рисунке 12 [5].
Рисунок 12 – Различные варианты конструкции обмоток
24

25.

Эта конструкция имеет высокую межобмоточную емкость, которую можно
уменьшить, разместив дорожки соседних обмоток рядом друг с другом. Однако,
повторяемость значения емкости позволяет компенсировать её в остальной части
цепи и создавать резонансные устройства. Кроме того, плоские медные дорожки
имеют меньшие потери на переменном токе, вызванные скинэффектом, что
приводит к меньшим колебаниям напряжения и уменьшению выхода из строя
МОП-компонентов в инверторных преобразователях. Такие конструкции имеют
малую индуктивность рассеяния, что позволяет использовать их при создании
планарных индуктивных элементов для преобразования энергии и согласования
цепей.
Планарные трансформаторы подходят для широкого спектра применений,
таких как телекоммуникационные системы, аппаратура оборонного назначения,
авиационные бортовые системы, сварочные аппараты, системы индукционного
нагрева, преобразователи напряжения в электромобилях и зарядные устройства.
Они обеспечивают оптимальное значение коэффициента трансформации и
выходного напряжения, а также могут быть интегрированы в многослойную
печатную плату для уменьшения габаритов.
Этот метод позволяет увеличить надежность эксплуатации многослойных
электрических соединений обмоток трансформатора, соединив контактные
площадки обмоток при помощи пайки. Кроме того, он позволяет изготавливать
витки обмоток с большим поперечным сечением и, следовательно, с большим
значением
допустимого
тока.
Метод
также
гарантирует
достижение
оптимального значения коэффициента трансформации и выходного напряжения
трансформатора, а также интеграцию обмоток трансформатора в многослойную
печатную плату в процессе их совместного изготовления.
Для этого на поверхности гальванопластической металлической матрицы
создают многослойную обмотку, начиная с односторонних обмоток с
внутренними
и
внешними
контактными
площадками,
затем
создают
двусторонние печатные обмотки на их основе, и объединяют их в многослойную
25

26.

обмотку. Внутренние и внешние контактные площадки изготавливаются
одновременно с витками односторонних обмоток, используя электролитическое
осаждение меди на пробельные места фоторезистивной маски, нанесенной на
поверхность матрицы. Внутренние контактные площадки смежных обмоток
соединяются пайкой при изготовлении двусторонних обмоток, а внешние
контактные площадки соединяются пайкой после укладки двусторонних
обмоток в пакет многослойной обмотки. Затем первичную и вторичную обмотки
трансформатора склеивают между собой, вырезают отверстия для ферритового
сердечника и получают планарный трансформатор на основе многослойной
печатной платы. Этот метод гарантирует высокую надежность межслойных
электрических соединений обмоток трансформатора и может быть использован
в широком спектре применений.
1.5.Выпрямитель
В качестве принципиальной схемы выпрямителя была выбрана мостовая
схема.
Напряжение на выходе при активной нагрузке представлено в виде
однополярных
полуволн.
Этот
процесс
возникает
из-за
поочередного
открывания диодов. На рисунке 13 изображена схема мостового выпрямителя,
подключенного после выводов трансформатора
Мостовой
выпрямитель
—
это
схема
или
устройство,
которое
обеспечивает проведение тока в обе стороны переменного тока [6]. При
использовании мостового выпрямителя весь доступный потенциал вторичного
напряжения используется полностью, что приводит к выходному напряжению в
два раза большему, чем в случае использования двухполупериодного
выпрямителя.
26

27.

Рисунок 13 – Схема мостового выпрямителя
Принцип действия мостового выпрямителя
Мостовой выпрямитель представляет собой схему, включающую четыре
диода, которые соединены в форме "моста". Вторичная обмотка трансформатора
подключена к противоположным углам "моста", а сопротивление нагрузки - к
двум другим углам. Поскольку через "мост" проходит всё напряжение вторичной
обмотки, выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем
у двухполупериодного выпрямителя.
В первой половине цикла переменного тока ток течет от отрицательной
стороны вторичной обмотки через диод D1, затем через сопротивление нагрузки
RL и диод D3 до положительной стороны вторичной обмотки. Этот ток создает
положительную полуволну на RL. Путь тока, проходящего через мостовой
выпрямитель в течение первой половины цикла переменного тока изображён на
рисунке 14.
27

28.

Рисунок 14 – Путь тока, проходящего через мостовой выпрямитель в
течение первой половины цикла переменного тока
Во время второй половины цикла переменного тока электрический ток
проходит через диод D4 с отрицательной стороны вторичной обмотки, затем
через нагрузочное сопротивление RL и диод D2 до положительной стороны
вторичной обмотки. Этот ток, который проходит через RL, представляет собой
положительную полуволну. На изображении 15 показан путь тока через
мостовой выпрямитель во второй половине периода переменного тока.
Рисунок 15 – Путь тока через мостовой выпрямитель в течение второй
половины цикла переменного тока
28

29.

Сравнение формы кривой выходного сигнала мостового выпрямителя и
двухполупериодного выпрямителя изображено на рисунке 16.
Рисунок 16 – Сравнение формы кривой выходного сигнала мостового
выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя соответственно.
29

30.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМЫ DC-DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
2.1. Выбор схемы
Для сочетания относительно большой мощности, высокого входного
напряжения высокой частоты преобразования, целесообразно остановить свой
выбор на мостовой схеме инвертора, высокочастотном трансформаторе,
выпрямителе на «быстрых» диодах или диодах Шоттки и LC-фильтре (Г- или Птипа). Функциональная схема преобразователя изображена на рисунке 17.
Рисунок 17 – Функциональная схема преобразователя.
Мостовая схема позволяет упростить конструкцию трансформатора (одна
обмотка) и более эффективно его использовать, однако обладает повышенными
потерями из-за наличия двух диодов в цепи протекания тока.
Для сравнения эффективности работы необходимо рассчитать диапазоны
КПД при использовании диодов.
Предел значения КПД для схемы при использовании мостовой схемы:
K
= 100 −
2 · (U
U
30
)
(2)

31.

где U — среднее значение напряжения на нагрузке;
U
— напряжение, выделяемое на одном диоде.
При использовании обычных диодов значение КПД выпрямителя
находится в пределах:
K
= 100 −
2 · (0.7. .1.5)
= (87. .94)%
24
При использовании диодов Шоттки:
K
= 100 −
2 · (0.4. .1.0)
= (92. .97) %
24
Схема со средней точкой приводит к усложнению конструкции
трансформатора (две обмотки) и худшему его использованию, но потери в
выпрямителе меньше.
Предел значения КПД для схемы при использовании схемы со средней
точкой:
K
= 100 −
(U
)
(3)
U
При использовании обычных диодов значение КПД выпрямителя
находится в пределах:
K
= 100 −
(0.7. .1.5)
= (94. .97) %
24
При использовании диодов Шоттки:
K
= 100 −
(0.4. .1.0)
= (96. .98) %
24
31

32.

Синхронный
выпрямитель
на
полевых
транзисторах
обладает
наименьшими потерями и КПД может доходить до 98%, но при этом схема
выпрямления усложняется.
Поскольку требования по КПД в Задании отсутствуют, то для оптимизации
расчетов рационально выбрать схему мостового выпрямителя, как наиболее
простую.
2.2. Предварительные расчеты
Энергетические показатели
Номинальный ток в нагрузке:
I =
P
U
(4)
где P — Мощность в нагрузке.
I =
1000
= 41.7(А)
24
Сопротивление нагрузки при номинальном токе:
R =
R =
U
I
(5)
24
= 0.57(Ом)
41.7
Предварительно, принимаем значение КПД преобразователя:
K = 95 %
Выбор диодов для выпрямителя.
Падение напряжения на одном диоде при номинальном токе можно
определить только после выбора модели диода.
32

33.

В мостовой схеме (без фильтра) прямой ток через оба диода равен
номинальному I = 41.7 А, но действует только на протяжении полупериода.
Формально, можно выбрать номинальный ток диода I = , но, для
снижения динамического сопротивления диода целесообразнее взять: I ≥ I ,
Так как в этом случае снижается диода и падение напряжения на диоде, а
значит и рассеиваемая мощность тоже снижается.
В мостовой схеме максимальное обратное напряжение на диоде равно
амплитудному значению напряжения вторичной обмотки U2 и, в нашем случае,
U ≅ U так как напряжение имеет примерно прямоугольную (трапецеидальную)
форму, а не синусоидальную.
Исходя из номинального тока I = 41.7 А, и напряжения U = 24 В,
выбираем диод Шоттки 1N6098 (ток 50 A; напряжение 40 В).
Построим ВАХ выбранного диода для определения его динамического
сопротивления Rd и потерь напряжения Ud. Тестовая схема для построения ВАХ
изображена на рисунке 18.
Рисунок 18 - Тестовая схема для построения ВАХ
33

34.

Рисунок 19 – ВАХ диода Шоттки.
Рисунок 19 показывает, что при токе 42 A падение напряжения составляет
0.625 В.
В диапазоне токов 3 – 50 A динамическое сопротивление:
R = 6(мОм);
R
= 0.35(мОм);
Для выяснения режимов, в которых работает выпрямитель на основе
выбранных диодов, составим схему и выполним симуляцию.
34

35.

2.3.Симуляция работы выпрямителя
Как уже отмечалось, напряжение от инвертора будет представлять собой
не идеальный меандр, а трапецию. Связано это с индуктивностями
трансформатора, но больше – с динамическими ограничениями MOSFET
транзисторов. Схема выпрямителя и симуляция его работы изображена на
рисунке 20.
Рисунок 20 – Схема выпрямителя и симуляция его работы
В результате симуляции и измерений получили следующие значения:
-
среднее
значение
выпрямленного
-
среднее
значение
тока
-
максимальное значение тока через диод I
через
напряжения
диод
I
U
= 24(В),
= 20.8(A)
= 68.3(A)
Путем итераций было определено, что амплитудное значение напряжения
E2 на вторичной обмотке трансформатора должно составлять (без учета потерь в
трансформаторе и ключах).
E = 26 (В);
35

36.

Потери мощности в диодах.
После выбора типа диодов и симуляции, можно рассмотреть потери в
диодах и определить КПД выпрямителя.
Потери мощности в диодах будут определены как произведение
мгновенных значений тока и напряжения через диоды, а затем измерение
среднего значения мощности.
P
= AVG U (t) · I (t) = AVG P (VD1)
(6)
= 14.5 (В).
P
На диод 1N6098 при среднем токе 50 A и падении напряжения 0.6 В
допускаемая мощность тепловыделения составляет 30 В. Данные взяты из
паспортных данных. Итого:
= 30 (В) > 14.5 (В)
P
В результате, в схеме диоды работают на половинной мощности.
В течение каждого полупериода работают два диода и потери мощности
составляют
P
P
= 2· P
(7)
= 2 · 14.5 = 29 (В)
Таким образом, КПД выпрямителя (без учета потерь в фильтре)
составляет:
K
K
= 100 ·
= 100 ·
1−P
P
1 − 29
= 97.1 %
1000
36
(8)

37.

Выбор ключей (MOSFET).
Частота переключений инвертора по Заданию весьма высокая F=1 МГц,
поэтому от правильного выбора ключей будут зависеть практически все
энергетические показатели преобразователя.
Главными параметрами ключей являются:
- сопротивление открытого канала RDon (чем меньше – тем лучше);
- допустимое напряжение Drain-Source (≥400 В);
- номинальный ток канала;
- динамические характеристики (время включения, выключения, задержки).
Рассчитаем ток, протекающий через ключи
(9)
P
P
I =
=
U
K ·U
где P − мощность на выходе;
P − входная мощность;
U − напряжение питания.
I =
1000
= 2.63(А)
0.95 · 400
При выборе транзисторов появляется ограничение теми типами, для
которых есть spice-модели в среде моделирования Microcap.
Из наиболее подходящих транзисторов выбираем MOSFET IRFP352 с
каналом N-типа.
Параметры:
Ток между стоком и истоком: I
= 13 А;
напряжение между стоком и истоком: U
37
= 400 В;

38.

= 0.35 Ом
статическое сопротивление канала:
Динамические параметры представлены на рисунке 31 из даташита от
фирмы IR.
Рисунок 21 – Динамические параметры транзистора IRFP352
Как видим, тайминги транзистора близки к предельной частоте 1 Мгц
(период 1000 нс).
В итоге переходные процессы будут затянуты по времени и вместо
прямоугольника (меандра) будет получен трапецеидальный сигнал и это,
безусловно, скажется на потери мощности в динамике.
В статике потери составят:
P
P
= I · R
(10)
= 0.35 · 2.63 = 0.9 (Вт)
Симуляция инвертора без выпрямителя.
Для изучения работы инвертора без влияния выпрямителя составим следующую
схему, изображенную на рисунке 22:
38

39.

Рисунок 22 – Схема инвертора без выпрямителя
Как видим, потери мощности на одном транзисторе составляют PT = 36.4
Вт, а на двух.
= 2·P
P
P
По
даташиту
для
(11)
= 72.8 (Вт)
транзистора
IRFP352
допускается
мощность
тепловыделения 150 (Вт).
В данной схеме каждый из транзисторов нагружен на 36.4/150 = 24%
Потери преобразователя.
Общий кпд преобразователя (без учета трансформатора) составляет:
K
K
= 100 · 1 − 2 ·
= 100 · 1 − 2 ·
P +P
1000
36.4 + 14.5
= 89%
1000
39
(12)

40.

2.4.Основная схема преобразователя DC-DC и симуляция работы
Исследуемая схема DC-DC преобразователя представлена на рисунке 23
Рисунок 23 – Схема DC-DC преобразователя
После конструктивного расчета инвертора были подобраны Графики,
показывающие работу преобразователя, представлены на рисунках 24–31:
Импульсы управления силовыми транзисторами формируются при
помощи генератора импульсов. Для того чтобы более детально изучить процесс
формирования сигнала на выходе инверторной ячейки, обратимся к рисунку 24,
на котором представлены диаграммы напряжения на двухфазной системе
генераторов VP1 и VP3 сверху вниз, соответственно.
В каждый момент времени только один ключ из пары находится в
открытом состоянии, следовательно, сигналы управления ключами для разных
диагоналей инверторного моста взаимно инверсивные. Именно от этой системы
зависит, как коммутируются транзисторы VT1-VT4 в зависимости от времени.
40

41.

Рисунок 24 – Диаграммы напряжения на двухфазной системе
генераторов.
Следует заметить, что диаграмма источника импульсного напряжения VP1
полностью аналогична диаграмме источника импульсного напряжения VP4,
диаграмма источника импульсного напряжения VP3 полностью аналогична
диаграмме источника импульсного напряжения VP2. Таким образом, были
сформированы импульсы управления для двух диагоналей транзисторов
инверторного моста.
Рисунок 25 – Зависимость напряжения на первичной обмотке
трансформатора в зависимости от времени
Как видно из зависимости, изображенной на рисунке 25, напряжение от
инвертора представляет собой не идеальный меандр, а трапецию. Связано это с
индуктивностями
трансформатора,
но
41
больше – с
динамическими

42.

ограничениями MOSFET транзисторов. Максимальное значение амплитудного
напряжения на первичной обмотке достигает 400 В, обусловленных источником
питания. Необходимо понимать, что данное значение является пиковым
значением и не может быть принято, как среднее напряжение, выделяемое на
обмотке. Более важным параметром является среднеквадратичное значение
действующего напряжения, которое составляет 338 В. Время одного полного
колебания составит 1 мкс, следовательно частота на первичной обмотке
трансформатора будет равной 1 Мгц, что свидетельствует о том, что кривая
напряжения соответствует необходимой форме напряжения для преобразования
в трансформаторе К1.
Рисунок 26 – Зависимость напряжения на вторичной обмотке
трансформатора в зависимости от времени
Из рисунка 26 можно сделать вывод, что среднеквадратичное значение
действующего напряжения достигает 24.6 В. Полученные данные необходимо
учитывать при проектировании трансформатора, представленного в главе 3.
42

43.

а
б
в
г
Рисунок 27 – Временные диаграммы: а - напряжения управляющих источников
VP1, VP3 и напряжения затвор - исток транзисторных ячеек VT1, VT3, б напряжения сток - исток транзисторов VT1, VT3. в - ток стока транзисторов
TV1, VT3, г – потери мощности в транзисторах VT1, VT3, инвертора при
индуктивном рассогласовании.
Для более детального рассмотрения работы транзисторов обратимся к
рисунку 27. Исходя из формы кривых, можно наблюдать всплеск амплитуды
коммутационного тока транзисторов. Значения мощности потерь при данном
всплеске обуславливаются паразитными индуктивностями на выходе. Во время
размыкания транзистора его выключение проходит в разы мягче. Рассчитанные
данные о величине потерь в транзисторе располагаются в подглаве 2.2.
43

44.

Рисунок 28 – Зависимость напряжения на диодах в зависимости от
времени
На рисунке 28 изображены кривые токов на диодах VD1 - черная кривая и
VD2 - синяя кривая. В момент открытия каждого диода мостовой схемы его
пиковое напряжение стремится к 26В.
Рисунок 29 – Зависимость напряжения выделяемого на нагрузке в
зависимости от времени
44

45.

Рисунок 30 – Зависимость тока, выделяемого на нагрузке в зависимости
от времени
Рисунок 31 – Зависимость мощности, выделяемой на нагрузке в
зависимости от времени
Моделирование показывает, что среднее значение выпрямленного и
отфильтрованного напряжения при номинальном токе находится в пределах
искомых – 24 В. Мощность на нагрузке составляет 1 кВт. Результаты
моделирования данного устройства подтверждают правильность расчётов.
Пульсации напряжения на нагрузке Rl имеют относительно низкие
значения, из чего можно сделать вывод, что построенная схема соответствует
требованиям к модели DC-DC преобразователя.
45

46.

3. ПОСТРОЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ПЛАНАРНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
3.1. Расчет геометрии планарного трансформатора
Напряжение на первичной обмотке трансформатора рассчитывается
согласно формуле:
U1 = 4.44 · B · S · f · W
(13)
Где:
B – величина магнитной индукции,
S - площадь сечения сердечника,
f – рабочая частота работы трансформатора,
W- количество витков первичной обмотки.
Отсюда, минимальная площадь сечения сердечника:
S=
(14)
4.44 ·
·
·
Принимая количество витков первичной обмотки за 17:
=
400
= 10,6 · 10 (м)
4.44 · 0.5 · 10 · 17
Исходя из каталога на сайте https://ferrite.ru, было решено взять
сердечник конфигурации E, так как у него оптимальная площадь поперечного
сечения сердечника по ТЗ. Код изделия: 00K7228E. Параметры выбранного
сердечника изображены на рисунке 32.
46

47.

Рисунок 32 – Выбранный сердечник
Материал сердечника Kool Mμ изготавливается на основе порошкового
материала (Al-Si-Fe) с распределенным зазором для работы на высоких частотах.
Материалом обмоток трансформатора была выбрана медь. Параметры, учтенные
при численном моделировании представлены в таблице 2.
Таблица 2- Основные характеристики меди, учтенные при расчете
Параметр
Значение
Удельное сопротивление при 20ºС, Ом·мм2 /м
0.017
Удельный вес, г/см3
8.93
Удельная теплоемкость при 20 ºС, Дж/(кг·грaд)
381
Теплопроводность при 20 ºС, Вт/(м·грaд)
395
Учитывая, что для корректной работы трансформатора, рекомендуемый
диапазон значений плотности тока должен лежать в пределах до 5 A/мм2,
подберем его сечение.
Рассчитаем значения плотности тока для первичной обмотки трансформатора:
=
Где
– ток, протекающий на первичной обмотке трансформатора
47
(15)

48.

– площадь сечения первичной обмотки трансформатора
Принимая площадь сечения за 2мм:
=
2.5
= 1.25 < 5(А/мм )
2
Аналогично, принимая для вторичной обмотки площадь сечения, равную
10 мм:
=
41.7
= 4.17 < 5(А/мм )
10
3.2.Построение геометрии планарного трансформатора
Построение модели было произведено в программе Solidworks.
Для сравнения расчетов, приведенных в предыдущей главе, в таблице 3
предоставлены основные параметры, полученные при расчете.
Таблица 3- Зависимость действующего напряжения от количества обмоток
Значение
Параметр
Соотношение витков
первичной обмотки ко
12
13
14
338
338
338
27.8
25.7
23.8
вторичной
Действующее напряжение
на первичной обмотке
Действующее напряжение
на вторичной обмотке
Необходимо выбрать то количество обмоток, при которых значение
действующего напряжения будет соответствовать значению, полученному в
главе 2. Из таблицы 3 можно сделать вывод, что принятие 13-витковой
48

49.

первичной обмотки при конструировании является самым оптимальным
решением.
Геометрическая модель планарного трансформатора с двумя Е-образными
сердечниками представлена на рисунке 33. Каждый компонент системы обладает
определенными свойствами материала, такие как: плотность, электрическая
проводимость, магнитная проницаемость.
Рисунок 33 – 3D-модель трансформатора
3.3.Численное моделирование трансформатора
Электромагнитная задача была решена при помощи программного
обеспечения JMAG-Designer.
Требуется сформировать электрическую схему, которая описывает данный
процесс. В данном случае, для упрощения расчета, было принято подключить 13
первичных
обмоток
используемой
для
последовательно.
моделируемой
Общий
вид
электромагнитной
трансформатора изображен на рисунке 34.
49
расчетной
задачи
схемы,
планарного

50.

Рисунок 34 – Расчетная схема
Где
− сопротивление нагрузки при номинальном токе.
В роли вторичной обмотки выступает FEM Conductor 0, через который
протекает ток, в данном случае это виток вторичной обмотки. Для дальнейшей
сверки
значений
напряжения
на
первичной
и
вторичной
обмотках
трансформатора в схему были добавлены вольтметры VD1, VD2.
На рисунке 35 показано разделение системы на составные элементы для
реализации данного метода. Для формирования треугольной сетки необходимо
воспользоваться функцией Mesh.
50

51.

Рисунок 35– Разделение системы на составные элементы
Количество элементов, полученных после разбиения программой в
представленной системе: 400770.
Как видно из рисунка 35, размер сетки у каждого элемента различный.
Решение электромагнитной задачи
Наиболее важным параметром, который необходимо рассчитать при
конструировании трансформатора, является его КПД. Общий кпд планарного
трансформатора:
K
Где U
и I
=
U
U
·I
·I
(17)
– действующие значения напряжения и тока на
первичной обмотке, соответственно;
51

52.

U
иI
– действующие значения напряжения и тока, соответственно
на нагрузке R1.
K
=
25,7 · 64
= 0.95
338 · 5.1
Далее был произведен детальный анализ электромагнитных полей внутри
и
вокруг
трансформатора.
Данный
аспект
исследования
помогает
оптимизировать его работу и предотвращать нежелательные эффекты, такие как
электромагнитные помехи или нагрев.
На рисунке 36 и 37 представлены визуальные распределения магнитной
индукции в планарном трансформаторе, на изометрии и разрезе, соответственно.
Рисунок 36 - Распределение магнитной индукции в планарном
трансформаторе, изометрия
52

53.

Рисунок 37 - Распределение магнитной индукции на разрезе планарного
трансформатора
Как видно на рисунках, индукция в магнитопроводе распределена
неравномерно, постепенно увеличиваясь ближе к центру и ее среднее значение
равно 10 мТл.
Как видно из результатов исследований, сердечники, при работе на частоте
1мГц, не переходят в область насыщения, что говорит о правильности выбора
материала Kool Mμ.
Другим значимым распределением является распределение плотности
электрического тока. Графическое представление распределения плотности тока
в трансформаторе показано на рисунке 38.
53

54.

Рисунок 38 - Распределение плотности тока
На рисунке 39 изображено распределение Джоулевых потерь в
трансформаторе.
Рисунок 39 - Распределение плотности Джоулевых потерь
54

55.

Как видно из рисунка 39, плотность Джоулевых потерь оказывается
незначительной, но их неравномерная форма требует дальнейшего изучения.
Рассмотрим подробнее и распределение плотности тока. На рисунках 40 и 41
изображено распределение плотности тока в первичных обмотках планарного
трансформатора и Джоулевы потери в первичных обмотках в планарном
трансформаторе, соответственно.
а
б
в
г
55

56.

д
е
ж
з
и
к
56

57.

л
м
н
Рисунок 40 - Распределение плотности тока в первичных обмотках
трансформатора на витке
а – №1, б – №2, в – №3, г – №4, д – №5, е – №6, ж – №7, з – №8,
и – №9, к – №10, л – №11, м – №12, н – №13
57

58.

а
б
в
г
д
е
58

59.

ж
з
и
к
л
м
59

60.

н
Рисунок 41 - Распределение Джоулевых потерь в первичных обмотках
трансформатора на витке
а – №1, б – №2, в – №3, г – №4, д – №5, е – №6, ж – №7, з – №8,
и – №9, к – №10, л – №11, м – №12, н – №13
Принимая, что для корректной работы устройства, оптимальная плотность
тока не должна превышать значение 5 А/мм , будем считать, что
< 5 · 10 (А/мм )
Исходя из рисунка 40 видно, что средняя плотность в первичных обмотках
трансформатора находится в пределах заданной величины и увеличивается
ближе как к краю внешней стороны, так и внутренней стороны обмотки.
Витки первичной обмотки №7 и №8 находятся в наибольшей близости ко
вторичной обмотке, следовательно, они сцеплены с наибольшим магнитным
потоком и в них наблюдается наибольшая плотность тока обуславливаемые
тепловые потери.
60

61.

Решение тепловой задачи
Далее рассмотрим результаты тепловой задачи, результаты которой были
получены из электромагнитной задачи, решенной ранее. На рисунке 42
продемонстрировано распределение температуры в планарном трансформаторе
при нагреве в установившемся режиме. В данном исследовании коэффициент
Вт.м
теплопередачи был принят за 12
℃
, что соответствует естественной конвекции
воздухом.
Рисунок 42 - Распределение температуры в планарном трансформаторе
Рабочая температура трансформатора является значимым параметром при
конструировании. При перегреве трансформатора весь преобразователь может
выйти из строя. От него зависит безопасность, стабильность и надежность
работы DC-DC преобразователя. Более детальное рассмотрение нагрева
планарного трансформатора можно наблюдать на рисунке 43.
61

62.

Рисунок 43 - Распределение температуры в планарном трансформаторе,
разрез
Исходя из рисунка 42 и 43, максимальная температура в изделии
наблюдается на витке вторичной обмотки, что обусловливается наибольшей
плотностью тока, по сравнению с витками первичной обмотки, и составляет
63,12°С, что свидетельствует о том, что нагрев трансформатора относительно
незначительный, что подтверждает корректность его работы в установившемся
режиме.
Для уменьшения температуры трансформатора в разрабатываемый
преобразователь необходимо добавить устройство обдува. Смоделируем
наличие такого устройства в тепловой задаче. Результат моделирования при
обдуве продемонстрирован на рисунке 44.
62

63.

Рисунок 44 - Распределение температуры в планарном трансформаторе
при обдуве, разрез
В данном исследовании коэффициент теплопередачи был принят за
200
Вт.м
℃
, что соответствует обдуву воздухом. Из сравнения результатов
моделирования работы преобразователя с обдувом максимальная температура в
установившемся режиме достигает 25°С.
Можно сделать вывод, что воздушное охлаждение значительно уменьшает
температуру
устройства,
что
позволяет
расширить
сферу
трансформатора в местах, где излишний нагрев нежелателен.
63
применения

64.

4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ
В данном разделе рассматривается безопасность работы DC-DC
преобразователя,
а
также
некоторые
вопросы
биоэлектромагнитной
совместимости при работе индукционной установки, использующей в качестве
источника питания инвертор напряжения.
4.1. Основные специальные вопросы безопасности
Испытания на различные виды воздействий являются ответственной
стадией разработки технических систем и программных продуктов. Среди них
могут
быть
климатические,
механические,
электрические,
тепловые,
электромагнитные, защита от несанкционированного доступа, а также защита от
вирусов и другие виды испытаний. Методы и требования для проведения таких
испытаний описаны в нормативных документах, правилах (например, Правила
устройства электроустановок), а также в технических заданиях и технических
условиях для конкретных серий и типов продуктов, например, ГОСТ 20790–
93/ГОСТ Р 50444–92 “Приборы, аппараты и оборудование медицинское. Общие
технические условия”.
Проведение тестов на технические средства не должно приводить к их
опасности или ненадежности. Например, проверка на электромагнитную
совместимость считается успешной, если устройство сохраняет способность
функционировать при заданном уровне помех на протяжении всего тестового
периода
и
соответствует
требованиям,
установленным
в
технической
документации. Эффект помех может быть оценен как катастрофический,
критический, значительный, незначительный и незаметный (ГОСТ Р 51317.2.5–
2000). Также возможна классификация результатов по критериям качества
функционирования А, В, С, D в соответствии со стандартом МЭК серии 610004, за исключением случаев, когда техническая документация на конкретное
техническое средство устанавливает другие требования:
64

65.

А. Нормальное функционирование в соответствии с установленными
требованиями.
В. Временное снижение качества функционирования системы или ее
потерю работоспособности, однако в данном случае система имеет возможность
самостоятельно восстановить свою работоспособность после возникновения
неполадки.
С. Временное понижение качества функционирования системы или ее
потерю работоспособности, которые требуют действий оператора, таких как
вмешательство или перезапуск системы, для того чтобы вернуть ее к нормальной
работе.
D. Снижение качества функционирования или потеря функции, при
отсутствии которой происходит ухудшение работы системы или потеря ее
функциональности, которые не могут быть восстановлены оператором из-за
повреждения оборудования, компонентов, программного обеспечения или
потери данных.
Что касается эмиссии от технического средства, то она не должна
превышать установленных норм по индуктивным и кондуктивным помехам.
Если требования на электромагнитную совместимость не выполняются, то
техническое средство должно быть доработано с использованием всего
имеющегося опыта по методам и средствам защиты от помех.
4.2.Требования и процедуры испытаний на климатические факторы
В испытаниях машин, приборов и других технических изделий на
стойкость к климатическим воздействующим факторам, основное внимание
уделяется
следующим
видам
климатических
испытаний:
повышенная
температура, пониженная температура, изменение температур, воздействия инея
и росы, повышенная влажность воздуха, внешнее воздействие воды, солнечное
излучение, пыль, атмосферное давление, повышенное гидростатическое
65

66.

давление, соляной туман, ветроустойчивость, герметичность и биологические
воздействия.
В данных стандартах описаны требования и процедуры, относящиеся к
основным методам испытаний на воздействие внешних климатических
факторов. Эти методы включают испытания на устойчивость к воздействию
климатических факторов извне (ГОСТ 16162.1–89); общие требования и методы
испытаний (ГОСТ 30630.0.0–99); на холод (ГОСТ 28199–89, ГОСТ Р МЭК 600682-1-2009); сухое тепло (ГОСТ 28200–89), ГОСТ Р МЭК 60068-2-2–2009);
влажное тепло, постоянный режим (ГОСТ 28201–89); солнечную радиацию
(ГОСТ 28202–89, ГОСТ 28205–89); грибостойкость (ГОСТ 28206–89, ГОСТ
9.048–89, ГОСТ
Р МЭК 60068-2-10–2009); соляной туман (ГОСТ 28207–89,
ГОСТ Р 52763–2007); пониженное атмосферное давление (ГОСТ 28208–89);
смену температуры (ГОСТ 28209–89, ГОСТ 28219–89); влажное тепло (ГОСТ
28214–89, ГОСТ 28216–89); температуру и влажность (ГОСТ 28224–89); холод,
пониженное атмосферное давление и влажное тепло (ГОСТ 28225–89); диоксид
серы (ГОСТ 28226–89); сероводород (ГОСТ 28227–89); температуру (ГОСТ
30630.2.1–2013,
ГОСТ
Р
51368–2011);
воду
(ГОСТ
30630.2.6–2013);
влажность(ГОСТ Р 51369–99); солнечное излучение (ГОСТ Р 51370–99); пыль
(песок) (ГОСТ 30630.2.7–2013, ГОСТ Р 52560–2006); давление воздуха или
другого газа (ГОСТ Р 51684–2000); комбинированные испытания (ГОСТ Р
51804–2001) [9].
4.3.Требования и процедуры оценки электробезопасности систем
Сопротивление изоляции определяет основную защиту человека от
электрического поражения и рассчитывается как отношение напряжения
постоянного тока, приложенного к проверяемым цепям, к силе тока,
протекающего через изоляцию. Чем выше сопротивление изоляции, тем лучше
условия для электробезопасности. Контроль изоляции необходим для выявления
эксплуатационных повреждений, устранения неисправностей и предотвращения
66

67.

аварий и несчастных случаев. Периодичность испытаний и минимальное
допустимое значение сопротивления изоляции должны соответствовать нормам
испытаний электрооборудования и аппаратов, установленным Правилами
устройства электроустановок (ПУЭ), Правилами технической эксплуатации
электроустановок потребителей (ПТЭЭП) и другими документами. Испытания
повышенным напряжением проводятся в рамках приемосдаточных испытаний
новых образцов техники, при капитальном ремонте электрооборудования и
периодически в процессе эксплуатации. Результаты испытаний считаются
удовлетворительными при отсутствии скользящих разрядов, толчков тока
утечки, плавного нарастания тока утечки, пробоев или перекрытий изоляции, а
также если сопротивление изоляции, измеренное мегомметром, не ухудшилось
до браковочной нормы. Если характеристики изоляции резко ухудшаются или
находятся близко к браковочной норме, требуется выяснить причины и принять
меры для устранения недостатков
4.4 Требования и процедуры оценки пожароопасности систем
В соответствии с ГОСТ Р МЭК 60695-1–2003 "Руководство по оценке
пожарной опасности электротехнических изделий. Основные положения"
проводятся исследования, включая имитацию пожара, тестирование на
огнестойкость, проверку поведения изделия при горении и определение свойств
материалов.
Для
определения
показателей
пожарной
опасности
необходимо
использовать стандартные образцы электроизоляционных материалов или
образцы, состоящие из деталей и компонентов электроприемников. Основными
методами испытаний являются:
1. Метод испытания давлением шарика (теплостойкость) по ГОСТ IEC 60695-102–2013.
2. Метод испытания на стойкость к зажиганию нагретой проволокой по ГОСТ Р
54103–2010.
67

68.

3. Испытания на стойкость к плохому контакту по ГОСТ 27924–88 (МЭК 695- 23–84). В процессе тестирования оценивается вероятность возникновения
пожара при использовании данного соединения, учитывая его конструкцию и
нормальный уровень электрического тока, проходящего через него. Образец
считается пройденным, если не наблюдается открытого пламени или свечения
после воспламенения, либо если пламя гаснет в течение 30 секунд после начала
испытания.
4. Метод
определения
трекингостойкости
твёрдых
электроизоляционных
материалов по ГОСТ 27473-97 (МЭК 112-79). Этот метод тестирования
позволяет измерить относительное сопротивление таких материалов к
образованию
емкостных
мостиков,
возникающих
при
номинальном
напряжении питания и после увлажнения образца каплями воды.
5. Метод определения стойкости к воспламенению пламенем горелки (метод FV)
по ГОСТ 28779–90 (МЭК 707–81).
Если конструкционные материалы электротехнических изделий не
соответствуют международным стандартам, но выпуск продукции не может
быть приостановлен из-за отсутствия альтернативных решений на рынке, можно
использовать альтернативный способ обеспечения пожарной безопасности.
ГОСТ 12.004-91 определяет принципы оценки вероятности возникновения
пожара в электротехнических изделиях в условиях повышенной опасности.
Следующим шагом должно быть разработка рекомендаций по увеличению
уровня пожарной безопасности изделий за счет использования более надежных
схемных решений, более рационального выбора материалов и комплектующих,
а также защитных устройств.
Требования пожарной безопасности и методы испытаний электронных
изделий установлены в НПБ 247–97.
Для оценки уровня пожарной опасности электронных изделий требуется
проведение нескольких видов испытаний:
1. на теплостойкость;
68

69.

2. на возгораемость составных частей и конструкционных материалов;
3. Классификация материалов по возгораемости в соответствии с ГОСТ
IEC 60950-1–2014, которая определяет принадлежность к одному из
классов V-0, V-1 или V-2.
4. на распространение пламени по кожухам и по декоративной отделке
корпусов изделий для определения принадлежности к классам НВ,
НВF, НF1, НF2
(классификация материалов по распространению горения соответствует ГОСТ
IEC 60950-1–2014);
5. на стойкость к воздействию накалённых элементов;
6. на дугостойкость;
7. на трекингостойкость;
8. на стойкость к загоранию в аварийных режимах.
Аварийными пожароопасными режимами работы, имитируемыми в
процессе испытаний, должны быть:
1. превышение номинального значения питающего напряжения;
2. пробой и короткое замыкание полупроводникового прибора;
3. пробой и короткое замыкание конденсатора;
4. перегрузка
электродвигателя (например, работа
с
заторможенным ротором);
5. короткое замыкание или перегрузка трансформатора;
6. отказ
отдельных элементов (интегральная
микросхема,
транзистор, конденсатор, резистор, диод и т. п.);
7. повышение переходного сопротивления в контактных соединениях.
Перечень аварийных режимов может быть дополнен в зависимости от
схемно - конструктивного исполнения электронного изделия.
В соответствии
с ГОСТ Р 54988–2012
“Взрывоопасные среды.
Технические требования и методы испытаний на стойкость к внешним
воздействующим
факторам,
влияющим
69
на
особенности
эксплуатации

70.

оборудования
во
взрывоопасных
средах”
проводят
испытания
на
искробезопасность и на опасность увеличения температуры поверхности
изделия до предела воспламенения внешней газообразной взрывоопасной среды
[10].
4.5 Испытания систем на механические и виброакустические факторы
Определяют следующие виды испытаний на механические воздействия:
1. на
определение
наличия
и
отсутствия
резонансных
частот
конструкций;
2. на выборочность и устойчивость;
3. на ударную прочность;
4. на воздействие линейных нагрузок;
5. на воздействие акустического шума.
Требования и методы испытаний на стойкость к механическим внешним
воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий
заложены в следующих стандартах: методы испытания на стойкость (ГОСТ
17516.1– 90, ГОСТ 16962.1–90, ГОСТ 17516.2–90); на воздействие акустической
составляющей, вибрации, акустического шума (ГОСТ Р 52861–2007 (МЭК
60061-2-65– 2003), ГОСТ 30631.1.5–2013); на воздействие ударов по оболочке
изделий (ГОСТ Р 56762–2007 (МЭК 60018-2-75–1997), ГОСТ 30330.1.10–2013);
на свободное падение и неподобающее эксплуатации обращение с изделиями
(ГОСТ 32324.0–95/ГОСТ Р 50517.0–92); на синусоидальную вибрацию (ГОСТ
28513–89); на линейное ускорение (ГОСТ 28214–89); на герметичность (ГОСТ
28140–89); на падение и опрокидывание аппаратуры (ГОСТ 28137–89); на
одиночный удар (ГОСТ 28113–89); на много-кратные удары (ГОСТ 28155–89);
на широкополосную случайную вибрацию (ГОСТ 24210–89 – ГОСТ 25213–89);
на крепление элементов, аппаратуры и других изделий в процессе динамических
испытаний, включая удар, на многократные удары, на вибрацию, ускорение
(ГОСТ 28331–89); на определение динамических характеристик конструкции
(ГОСТ 30130.1.1- 99); на воздействие вибрации (ГОСТ 30430.1.2–99); на
70

71.

воздействие ударов (ГОСТ Р 51471–99); на воздействие давления воздуха или
другого газа (ГОСТ Р 51484–2000); комбинированные испытания (ГОСТ Р
51304–2001);
на
линейное
ускорение
(ГОСТ
Р
51405–2006);
на
транспортирование и хранение (ГОСТ Р5399–2007); электрических выводов,
патрубков и других присоединительных деталей на воздействие изгиба,
крутящего момента, растягивающей и сжимающей сил (ГОСТ Р 51411–2005);
ударов при свободном падении, при падении вследствие опрокидывания, на
воздействие качки и длительных наклонов (ГОСТ Р 55161–2004); на вибрацию с
воспроизведением воздействий нескольких типов (ГОСТ Р 53189–2008); на удар
с воспроизведением ударного спектра (ГОСТ Р 53180–2003) и другие. В
частности, ГОСТ Р 52782–2007 Определяются три метода испытаний для оценки
способности образца выдерживать удары с нормированной жёсткостью,
подтверждения способности сохранять нужный уровень работоспособности и
безопасности при заданном числе ударов и их жёсткости. Степень жёсткости
испытаний определяется энергией удара и их количеством. Для испытаний могут
быть использованы маятниковый копёр, пружинное и вертикальное ударные
устройства.
Испытания на воздействие акустической вибрации проводятся с целью
оценки способности образца функционировать и сохранять работоспособность
при воздействии нормированного интенсивного акустического шума. Для этого
могут использоваться различные методы возбуждения звука, такие как создание
акустического поля в реверберационной камере, испытания методом бегущей
волны, метод объемного резонанса или метод стоячей волны. Степень
интенсивности акустических испытаний зависит от общего уровня звукового
давления. (от 110 до 160 дБ) и продолжительностью испытаний (от 30 до 210 с) .
ГОСТ 30630.1–99 устанавливает методы испытаний изделий, цель которых
– определить динамические характеристики конструкции и проверить
отсутствие в конструкции резонансных частот. Резонансом конструкции
называется
явление
увеличения
амплитуды
71
вынужденных
колебаний

72.

конструкции изделия в два раза и более при постоянном внешнем воздействии,
возникающее на частотах вибрационных нагрузок, близких к частоте
собственных колебаний изделия. Вибрационная установка должна обеспечивать
получение синусоидальных колебаний во всем диапазоне частот, установленном
для испытаний данного вида.
Шумовые характеристики изделий, в том числе и медицинских, проверяют
по ГОСТ 12.1.028–80, ГОСТ 23941–2002, ГОСТ Р ИСО 3746-2013.
4.6 Испытания систем на электромагнитную совместимость
Основные требования и методы испытаний на электромагнитную
совместимость
определены
в
следующих
государственных
стандартах:
требования и методы испытаний электрических изделий. – ГОСТ Р 50267.0.2–
2005, ГОСТ Р МЭК 60601-1-2–2014; испытания на помехоустойчивость и виды
испытаний. – ГОСТ Р 5131.4.1–2000; на устойчивость: к электростатическим
разрядам – ГОСТ Р 51317.4.2–2010; к радиочастотному ЭМП – ГОСТ Р
51317.4.3–99 (МЭК 61000-4-3–95); к наносекундным импульсным помехам –
ГОСТ Р 51317.4.4–99 (МЭК 61000-4-4–95); к микросекундным импульсным
помехам большой энергии – ГОСТ Р 51317.4.5–99 (МЭК 61000-4-5–95); к
кондуктивным помехам, наведённым радиочастотными электромагнитными
полями, – ГОСТ Р 51317.4.6–99 (МЭК 61000-4-6–96), к динамическим
изменениям напряжения электропитания – ГОСТ Р 51317.4.11–99 (МЭК 610004-11–94); к колебаниям напряжения сети электропитания – ГОСТ Р 51317.4.14–
2000 (МЭК 61000-4-14–99); к кондуктивным помехам для частот от 0 до 150 кГц
– ГОСТ Р 51317.4.16–2000 (МЭК 61000-4-16–98); к магнитному полю
промышленной частоты – ГОСТ Р 50648–94 (МЭК 1000-4-8–93); к
импульсному магнитному полю – ГОСТ 30336–95/ГОСТ Р 50649–94 (МЭК 10004-9–93); на
радиопомехи индустриальные от промышленных, научных, медицинских
и бытовых (ПНМБ) высокочастотных устройств – ГОСТ
Р
51318.11–2006
(СИСПР 11– 2004); на радиопомехи индустриальные от оборудования
72

73.

информационных технологий классов А и Б в полосе частот от 0,15 до 1000 МГц
– ГОСТ Р 51318.22– 99 (СИСПР 22–97); на источники индустриальных
радиопомех в полосе частот от 9 кГц до 18 ГГц – ГОСТ Р 51320–99 и некоторые
другие.
4.7 Электрооборудование как источник пожара
Электрооборудование может быть источником возгорания с двух точек
зрения [12]. Во-первых, горение может происходить внутри устройств, не
распространяясь за их пределы. Во-вторых, возгорание может распространиться
на окружающие элементы и предметы. В первом случае ущерб ограничивается
заменой устройства или ремонтом. Во втором случае электрооборудование
может стать источником пожара, причиняя значительный ущерб и угрожая
жизням. Главные причины возгорания — это открытые огни, вызванные
электрическими
дугами
или
перегревом.
Дуга
часто
возникает из-за
повреждений изоляции, а перегрев - из-за механических повреждений или
проблем с контактами. Электрооборудование должно быть спроектировано так,
чтобы
исключить
возможность
возгорания
в
нормальных
условиях
эксплуатации, но неисправности при монтаже или эксплуатации могут вызвать
пожар.
К основным причинам возгорания электротехнических изделий без
наличия взрывоопасной среды относятся появление открытого огня, вызванного
неуправляемой электрической дугой, или излишний нагрев отдельных
компонентов электрооборудования электрическим током. Электрическая дуга
обычно возникает из-за повреждений изоляции электрооборудования и может
вызвать возгорание горючих изоляционных материалов, а также повредить
металлический корпус изделия, что может привести к распространению огня.
Перегрев от тока нагрузки часто приводит к разрушению электрической
изоляции
и
образованию
электрической
последствиями.
73
дуги
с
соответствующими

74.

Электротехническое оборудование спроектировано таким образом, чтобы
в нормальных условиях использования исключать возможность возгорания. На
производственных
предприятиях
проводятся
тщательные
испытания
оборудования для выявления потенциальных дефектов. Однако при установке и
эксплуатации
оборудования,
включая
чрезвычайные
ситуации,
могут
возникнуть неисправности, способные привести к пожарам. [12].
4.8 Аварийные режимы и способы защиты транзисторных инверторов
Следующие причины приводят к выходу транзисторов из строя и к
развитию аварийного процесса, связанного с протеканием аварийного входного
тока инвертора:
1) перегрев полупроводниковой структуры из-за больших коммутационных
потерь при жесткой коммутации транзисторов;
2) пробой полупроводниковой структуры транзисторов при коммутационных
всплесках напряжения;
3) перегрев
полупроводниковой
структуры
транзисторов
сверхтоком
от
источника при коротком замыкании нагрузки;
4) перегрев полупроводниковой структуры сверхтоком от источника при
протекании сквозного тока через транзисторы инверторного моста;
5) перегрев
полупроводниковой
структуры
транзисторов
сверхтоком
от
компенсирующей конденсаторной батареи при пробое индуктора или
первичной обмотки согласующего трансформатора в том случае, если
компенсирующая конденсаторная батарея включена на первичной стороне
трансформатора;
6) перегрев
полупроводниковой структуры транзисторов при насыщении
магнитопровода согласующего трансформатора из-за не симметрии управления
транзисторами инвертора.
Система защиты должна предотвращать причины возможного выхода
транзисторов из строя, а в случае, если авария уже началась, - уменьшать ее
74

75.

последствия быстрым отключением инвертора от источника питания и входных
емкостных фильтров.
Рассмотрим меры профилактики, которые целесообразно использовать
при построении системы защиты преобразователя.
Перегрев полупроводниковой структуры из-за больших коммутационных
потерь при жесткой коммутации транзисторов предотвращается применением
алгоритмов управления, обеспечивающих мягкую коммутацию транзисторов, т.
е. включение при нулевом напряжении и выключение при нулевом токе, и
блокировкой включения транзистора при отсутствии условии мягкой
коммутации.
Пробой
полупроводниковой
структуры
транзисторов
при
коммутационных всплесках напряжения предотвращается за счет установки
вспомогательных цепей, ограничивающих опасные перенапряжения. Также
необходимо использовать транзисторы с запасом по напряжению в 1,6 - 1,8 раз
по отношению к напряжению питания инвертора.
Перегрев полупроводниковой структуры транзисторов сверхтоком от
источника при коротком замыкании нагрузки представляет опасность, так как на
входе инвертора напряжения используется емкостный фильтр, который
разряжается через силовые транзисторы. Для защиты транзисторов в этом
аварийном режиме между емкостным фильтром и инвертором включается LDЦепь, ограничивающая скорость нарастания аварийного тока до уровня,
позволяющего безопасно выключить силовые транзисторы.
Перегрев полупроводниковой структуры сверхтоком от источника при
протекании
сквозного
тока
через
транзисторы
инвертора
напряжения
предотвращается за счет введения гарантированной паузы между интервалами
проводимости силовых транзисторов диагоналей инверторного моста, и также
включения между емкостным фильтром и инвертором LD-цепи.
Перегрев полупроводниковой структуры транзисторов сверхтоком от
компенсирующей
конденсаторной
батареи
75
при
пробое
индуктора

76.

предотвращается путем включения в выходную цепь инвертора последовательно
с нагрузочным контуром дополнительной токоограничивающей катушки
индуктивности и быстрого отключения инвертора. В случае, если нагрузочный
контур соединен с инвертором кабелем, индуктивность кабеля может играть
токоограничивающую
роль.
Перегрев
полупроводниковой
структуры
транзисторов при насыщении магнитопровода согласующего трансформатора
из-за несимметричного управления транзисторами инвертора предотвращается
путем включения последовательно с первичной обмоткой трансформатора
разделительного конденсатора, который блокирует протекание постоянной.
76

77.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенной работы, был произведен обзор элементов DC-DC
преобразователя, а также выбрана наиболее рациональная схема инвертора и
выпрямителя
После построения и анализа схемы DC-DC преобразователя были
получены следующие значения:
1.
По результатам симуляции и измерения параметров, DC-DC
преобразователь соответствует заданию, обеспечивая в нагрузке мощность 1 Вт
при напряжении 24 В с небольшими пульсациями (до 5%).;
2.
Мощность тепловыделения на каждом транзисторе составляет 30 W,
что соответствует нагрузке 20%; (150 Вт)
3.
Мощность тепловыделения на каждом диоде составляет 15 W, что
соответствует нагрузке 50% (30 Вт);
4.
Общий КПД преобразователя (без учета трансформатора) составляет
89%.
В представленной работе был разработан планарный трансформатор тока,
а также представлены теоретические аспекты его процесса работы, приведен
расчет и построение геометрии планарного трансформатора, была решена
электромагнитная задача при помощи программного обеспечения JMAGDesigner.
Разработанный трансформатор обеспечивает гальваническую развязку
DC-DC преобразователя на частоте 1 МГц. Общий КПД трансформатора
составляет 95%, что свидетельствует о его корректной работе. Также важным
достоинством рассчитанного преобразователя является его высота- 29 мм,
которая определяется высотой планарного трансформатора.
77

78.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Сайт «Псковский кабельный завод», статья «Каталог кабельной
продукции и аксессуаров» [Электронный ресурс] – Режим доступа:
https://pskovpabel.ru, свободный.
2. Сайт «Радиокот», статья «Зачем нужен зазор между сердечниками»
[Электронный ресурс] – Режим доступа: https:// radiokot.ru, свободный.
3. Сайт «Студреф», статья «Силовая часть инверторов» [Электронный
ресурс] – Режим доступа: https:// silovayachastinvertorov.ru, свободный.
4. Сайт «Киберленинка», статья «Проектирование планарных силовых
трансформаторов» [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://
proektirovanie-planarnyhsilovyh-transformatorov.ru, свободный.
5. Сайт «Профэлектро», статья «Планарные трансформаторы на основе
многослойных печатных плат» [Электронный ресурс] – Режим доступа:
elementy_i_ustroystva_elektropitaniya_kompensatsiya_moshchnosti.
6. Сайт «Кипиав», статья «Мостовой выпрямитель» [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http://mostovoy-vipryamitel.ru, свободный.
7. Сайт «Моделка», статья «MOSFET транзисторы» [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http:// mosfet-tranzistory.ru, свободный.
8. Сайт «SolidWorks», статья «Коэффициент конвективной теплопередачи»
[Электронный
ресурс]
–
Режим
доступа:
http://russian/Solidworks/cworks/Convection_Heat_Coefficient.htm,
свободный.
9. Сайт
«Интерм»,
статья
«Установки
индукционного
нагрева»
[Электронный ресурс] – Режим доступа: http://interm.su/istochnikipitaniya.ru, свободный.
10. Бачурин Н.И. Трансформаторы тока. – Л.: Энергия, 1963. –377 с.
78

79.

11. Вопросы обеспечения безопасности в выпускных квалификационных
работах: учеб.пособие. СПб. : Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2015. 88 c.
12. Буканин В. О. Обеспечение безопасности при эксплуатации и
проектировании индукционных электротермических установок. СПб.:
ОАО «Искусство России», 2015. 178 с.
13. Бутырин
П.А.,
Дубицкий
С.Д.,
Коровкин
Н.В.
Использование
компьютерного моделирования в преподавании теории электромагнитного
поля. – Электричество, 2014, № 10, с. 66.
14. Суханова А. Объединение двух миров – ПО для машиностроительного и
электронного проектирования – сделает цифровой двойник изделия
всеобъемлющим, 2017, № 8, c. 5–20.
15. Reports of the technical asessment task force on chemistry thermal hydraulics
core damage. Wash 1408 – Reactor Study Alternative Event Sequences. V. II.
Washington, D.C. Oktober 1984.
16. Huhtiniemi, G. Insight into steam explosions with corium melts in KROTOS /
M. Huhtiniemi, J. Magalon // Nuclear Design and Engineering. − 2005. – V.
201. – Iss. 21. – P. 390-401.
17. Nuclear Safety Research in OPCD Countries/Support Facilities for Existing
and Advanced Reactors / Nuclear Safety NEA/CSNI/R(2008)6 ISBN 978-9264-99005-0.// OECD PUBLICATIONS, 2 rue André-Pascal, 75775 PARIS
CEDEX 16 \Printed in France. p.107.
18. Sehgal, B. R. SIMECO Experiments on vessel melt pool information and heat
transfer without and with a metallic layer / R. B. Sehgal, N. T. Dinh, A. V.
Bui, J. Green, G. A. Kolb // Proceeding of OECD Workshop on vessel, debris
coolability, Garching, Germany, March 4-6, 1998.− Garching, 198.− P. 199207.
19. JMAG: Simulation Technology for Electromechanical Design [Электрон.
ресурс] https://www.jmaginternational.com/ (Дата обращения 05.01.2023).
79

80.

20. Chari M. V. K. and Silvester P. P. Finite element analysis of magnetically
saturated dc machines. – IEEE Trans. Power App. Syst.,1970, vol. PAS89, No. 7,
pp. 1642–1651.
21. Hameyer K, Driesen J., De Gersem H., and Belmans R. The classification of
coupled field problems. – IEEE Trans. Magn., 1999, vol. 35, No. 3, pp. 1618–1621.
22. Dolbow J., Khaleel M.A., Mitchell J. Multiscale Mathematics Initiative: A
Roadmap. U.S. Department of Energy report, 2004.
23. Horstemeyer M.F. Multiscale Modelling: A Review. In book: Practical Aspects of
Computational Chemistry: Methods, Concepts and Applications/Edit. by Jerzy
Leszczynski, Manoj Shukla. – Springer, 2009, pр. 87–137.
80