Двухкиловаттный AC/DC-модуль на основе преобразователя с фазовой модуляцией

Еще более эффективным оказалось применение преобразователей с переключением при нулевом напряжении в AC/DC-модулях мощностью от сотен ватт до единиц киловатт. Ранее в таких модулях была предусмотрена другая схема: «косой» полумост с ШИМ, но значительные потери на переключение ограничивали частоту преобразования на уровне 50 кГц. Мостовые преобразователи с фазовой модуляцией, реализующие переключение ключа при нулевом напряжении, лишены этих недостатков.

Рассматриваемые преобразователи достаточно полно изучены с середины 1990‑х, однако широкое внедрение стало возможным только в последние годы, когда были выпущены фазовые контроллеры и высоковольтные МОП-транзисторы. В 2013 году на АЭИЭП разработан 2‑киловаттный модуль МАА2000 (рис. 1), выполненный по схеме моста с фазовой модуляцией и заменивший ранее выпускаемый модуль МАА1500, который собран по схеме «косой» полумост [9]. Как видно из таблицы 1, модули изготавливаются в одинаковом корпусе, а большая мощность и высокий КПД подчеркивают преимущества разработанного преобразователя.

Рис. 1. 2-киловаттный модуль МАА2000

Модули МАА2000, как и МАА1500, рассчитаны на трехфазные сети 380 В/50 Гц и 220 В/400 Гц с качеством электроэнергии в соответствии с группой Г по ГОСТ В 24425; выпускаются с выходным напряжением от 24 до 70 В, суммарная нестабильность которого ±3%, амплитуда пульсаций 1%.

Устройства имеют полный комплекс защит — от перегрузки, короткого замыкания, перегрева, превышения выходного напряжения (все виды защит самовосстанавливающиеся), снабжены функцией дистанционного включения-выключения, также предусмотрена возможность параллельного соединения, компенсация выходного напряжения в зависимости от напряжения, дополнительный выход питания вентилятора охлаждения.

Модули МАА2000 базируются на мостовом преобразователе VT1–VT4 (рис. 2), работающем на частоте 100 кГц с фазовой модуляцией. В преобразователе коммутация ключей происходит при нулевом напряжении. На затвор МОП-транзисторов подается сигнал на отпирание, только когда напряжение сток-исток равно нулю [3].

Рис. 2. Структурная схема МАА2000

В модуль встроен высокоэффективный трехфазный фильтр радио-помех ФРП (коэффициент подавления >60 дБ), состоящий из двух Т‑образных LC-звеньев, в которых одно звено подавляет помехи по симметричному пути, другое — по несимметричному.

Во входной части модуля между линейными проводами установлены варисторы VR1–VR3, служащие для защиты от высоковольтных импульсов с амплитудой 1000 В и ограничивающие напряжение на уровне 800 В. Таким образом созданы условия для безопасной работы транзисторов преобразователя.

Корректирующий дроссель L7 обеспечивает получение фазного тока, близкого по форме к синусоиде. Известно [3], что пассивная коррекция в трехфазных модулях значительно эффективнее, чем в однофазных. Устройство управления модуля включает ИС контроллера фазовой модуляции, ИС с четырьмя усилителями сигнала затвора, модули служебного источника и параллельной работы, трансформаторную развязку.

Еще раз о КПД

Переход на частоту 100 кГц позволил увеличить удельную мощность модуля МАА2000 в 1,3 раза по сравнению с МАА1500, и, несмотря на увеличение количества переключений почти в 2 раза, потери в преобразователе модуля МАА2000 уменьшились и КПД вырос на 2–7% за счет включения при нулевом напряжении сток-исток (рис. 3).

Рис. 3. КПД в диапазоне нагрузок

Отсутствие перенапряжения

При переключениях транзисторов моста при нуле напряжения отсутствуют выбросы напряжения на обмотках трансформатора (рис. 4). Напряжение на МОП-транзисторах и диодах выходного выпрямителя ограничено напряжением источника.

Рис. 4. Напряжение на трансформаторе

Параллельная работа

При температуре +85 °C пять модулей, включенных параллельно, работали стабильно в диапазоне нагрузок от холостого хода до номинальной. Разброс токов модулей был более чем в 2 раза меньше допустимого (±15%) (табл. 2).

Электромагнитная совместимость

Электромагнитная совместимость модуля с питающей сетью и электронной аппаратурой обеспечивается экранированием и фильтрацией радиопомех. Модуль имеет встроенные фильтры радиопомех на входе и выходе. На рис. 5 приведен график напряжения радиопомех модуля, а также показаны нормы напряжения помех по ГОСТу. В диапазоне частот от 100 кГц до 30 МГц помехи на входе модуля превышают значения «Норма». Поскольку маловероятно отдельное применение модуля, уровни помех были измерены при размещении модуля в корпусе, где установлены дополнительные фильтры (рис. 6).

Рис. 5. График напряжения радиопомех модуля

Рис. 6. График напряжения радиопомех модуля в кожухе с внешними фильтрами радиопомех

При таком размещении радиопомехи модуля не превышают значений «Норма» по кривой 1.

Поставка модулей МАА2000 с приемкой «5» ведется в рамках ОКР «Разработка унифицированных 1-, 2-, 3‑канальных модулей электропитания мощностью 20–2000 Вт с гальванически развязанными выходными каналами, с напряжением развязки вход/выход 1500 В и между каналами 500 В, с высокими удельными характеристиками». Шифр «Ясность‑98». N