При разработке преобразовательных устройств перед разработчиком встает ряд задач, помимо входящих в ТЗ, которые необходимо решить при выборе топологии преобразователя. Учет влияющих факторов может изменить вариант исполнения устройства. В этой статье показывается на примере инвертора для DC/AC преобразователя, как влияют на выбор схемотехнического решения параметры, считающиеся важными при разработке конкретного преобразователя. Определяющими, в данном случае, являются следующие параметры:
наличие военной приемки,
универсальность схемы,
робастность,
скорость разработки устройства.
Для удобства анализа и количественной оценки критериев ограничения данным критериям присвоены весовые коэффициенты:
1 (не удовлетворяет полностью)
3 (нецелесообразно добиваться выполнения критерия)
5 (для выполнения условия нужна схемная корректировка)
7 (критерием можно пренебречь после небольших корректировок)
9 (критерий выполняется автоматически).
- Требования технического задания
К разрабатываемому устройству в ТЗ предъявляются следующие требования:
Uвых=115±3 В;
S=1.5 кВА;
η>90 %;
cosφ=0.8÷1;
fвых=400±0.4 Гц;
Uпит=18÷36 В.
На основании этих требований было предложено 3 варианта схемотехнического решения инверторной части, а именно полумостовой инвертор, мостовой инвертор и многоуровневая схема. (Варианты схемных решений на основе прямоходового, обратноходового преобразователя не рассматривались ввиду невозможности их использования. Резонансный преобразователь неприменим по причине наличия нестатической нагрузки. [1]
1.1. Полумостовая схема
Рис. 1. Полумостовой инвертор
Преимущества:
Наличие всего двух силовых ключей
Недостатки:
Высокое напряжение питания
=350 В, где km=0.95 — коэффициент модуляции
Конденсаторы делителя (необходимо стабилизировать напряжение в средней точке)
Высокие требования к стабильности питающего напряжения
1.2. Мостовая схема
Рис. 2. Мостовой инвертор
Преимущества:
Вдвое меньшее напряжение питания, чем у полумостовой схемы
=350 В, где km=0.95 — коэффициент модуляции
Широкий выбор вариантов построения системы управления
Недостатки:
4 силовых ключа, с каждого из которых необходимо рассеивать мощность потерь, а значит крепить к радиатору, вследствие чего уваливаются габариты преобразователя.
1.3. Многоуровневый инвертор
Рис. 3. Многоуровневый инвертор
Преимущества:
Низкое напряжение питания (в зависимости от количества каскадов). Для напряжения 115 В целесообразно использовать 3 каскада [1], а значит напряжение
=57,06 В, где km=0.95 — коэффициент модуляции
Выходной фильтр меньше, чем у предыдущих схем, т. к. напряжение, формируемое преобразователем визуально близко к синусоидальному сигналу, а значит коэффициент гармоник ниже
Силовые ключи на меньшее напряжение и ток
Недостатки:
Сложность управления схемой
Большое количество силовых ключей
После предварительной оценки однозначно выбрать топологию инверторной части устройства нельзя. Следовательно, необходимо учесть дополнительные ограничивающие критерии.
2.1. Наличие военной приемки
При разработке преобразователей с требованиями класса ВП накладывается ограничение на выбор элементной базы так же из категории ВП. Выбор этих элементов значительно сужает область поиска, т. к. для примера, у компании «ВЗПП-С» номенклатура по полупроводниковым изделиям общепромышленного назначения шире, чем по изделиям для использования в объектах ВВСТ в несколько раз. Ограничения на варианты исполнения при выборе полупроводниковых приборов особенно ощутимы при выборе элементов на высокие токи и напряжения.
В дополнение к вышесказанному ограничивающим фактором в выборе приборов ВП является срок поставки, который может быть от полугода до года.
Полумостовая схема –Высокие требования по напряжению для силовых ключей (350 В) значительно сужают выбор (до 10 наименований). Оценка 7.
Мостовая схема –. Достаточно широкий выбор номенклатуры в каталогах ВЗПП-С, Электрум-АВ, Электровыпрямитель и других. Оценка 9
Многоуровневая схема –Выбор полупроводниковых приборов самый широкий (по сравнению с предыдущими вариантами), однако, наличие очень узкого выбора контроллеров накладывает ограничения при проектировании. Оценка 7.
2.2. Универсальность
В современных устройствах экономически целесообразно применять готовые решения, а поэтому надо разрабатывать устройство универсальным, чтобы была возможность применить его в других устройствах с минимальными изменениями. Для этого можно использовать модульный тип структуры устройства, что подразумевает вынесение инвертора и его системы управления в отдельный блок, который связан с другими частями устройства (в данном случае — с повышающим DC/DC преобразователем) только линиями питания и аварий.
Ввиду того, что полумостовая схема чувствительна к нестабильному питанию на входе, то применить готовое решение в другой системе с нестабильным питанием окажется невозможным. Оценка 5.
Мостовая и многоуровневая схемы в этом случае предпочтительнее, т. к. полностью управляемы. Оценка 9
2.3.Робастность
При проектировке устройства необходимо учитывать так же возможный разброс параметров элементов комплектующих и возможные неточности при сборке устройства, такие как плохой контакт, неправильная установка, холодная пайка. Ввиду того, что представленные схемы при недоработках сборки выходят из строя — эта часть критерия учитываться не будет.
Полумостовая схема — при сильном разбросе параметров уравнительных конденсаторов возможен их выход из строя. Для предотвращения выхода из строя применяется дополнительная система делителей из резисторов параллельно конденсаторам. Для этих целей необходимо применять прецизионные резисторы (здесь 300 В, 1 %). Так же прецизионные элементы используются в цепях обратной связи. Остальная часть схемы не требует применения прецизионных элементов. Оценка 7.
Мостовая схема — не требует выбора точных элементов в любых цепях, кроме цепей обратной связи. Оценка 9.
Многоуровневая схема — Схема сложна при сборке по причине большого количества элементов и связей между различными блоками выпрямителя. Однако, дополнительных цепей с прецизионными элементами при проектировании не требуется. Оценка 9.
2.4. Скорость разработки по топологии
Этап проектирования в ЖЦИ — достаточно важный этап, где цена выявленной и исправленной ошибки значительно ниже, чем на этапе производства или эксплуатации. Поэтому, если у предприятия есть наработки в определенной области, либо же производство профилировано под определенные схемы — это значительно ускоряет и удешевляет этот этап.
Так же важным критерием является наличие методик и этапов проектирования, внедренных на предприятии. Так, например, при наличии отлаженной методики написания и сдачи программного обеспечения для микроконтроллеров — этап сдачи программы проходит в срок до 1 месяца. При отсутствии методики — до 1 года. При срочном и/или критически важном проекте имеет смысл использовать простое, но надежное решение, которое хоть и хуже по ряду параметров является простым в исполнении. Идеальным решением будет применение готового инвертора из другого устройства, разработанного в предприятии (если оно удовлетворяет ТЗ).
Полумостовая схема — проста в проектировании и при разработке. Методики по работе с нею описаны в каждой книге по силовой электронике, а в архивах предприятия уже есть ряд устройств по этой топологии. Оценка 9
Мостовая схема — проста в разработке, но немного сложнее предыдущей схемы в разведении силовой платы. Количество публикаций и устройств, выполненных по этой схеме больше всего. Однако, выбор вариантов управления требует дополнительного анализа. Оценка 7.
Многоуровневая схема — сложна при разработке и разведении. Перед разработчиком встает вопрос, например, о расположении каскадов на одной плате или на разных, о способах объединения сигналов. Основная сложность схемы в сложности написания программного обеспечения и его сертификации. Ввиду отсутствия методики сертификации ПО на предприятии, где разрабатывается устройство, нецелесообразно заниматься разработкой этой топологии, т. к. это займет много времени, что скажется на сроках сдачи проекта и, следовательно, сильно удорожает производство Оценка 3.
- Выбор топологии на основе вышеуказанных критериев
Таблица 1
Сводка оценок схем по представленным критериям оптимальности
|
|
Полумостовая схема |
Мостовая схема |
Многоуровневая схема |
|
Военная приемка |
7 |
9 |
7 |
|
Универсальность |
5 |
9 |
9 |
|
Робастность |
7 |
9 |
9 |
|
Скорость разработки |
9 |
7 |
3 |
После комплексного анализа видно, что абсолютного лидера нет, т. к. в каждом из критериев лидеры разные. Тогда необходимо смотреть по 2 месту. Мостовой инвертор является лучшим выбором при таком варианте выборки.
Так же стоит учесть, что если ввести порог отсечения по каждому критерию «не менее 5», то многоуровневая схема исполнения инвертора отсекается по параметру «скорость разработки».
Но при разработке так же необходимо учитывать весовые параметры критериев. И, если параметр «скорость» существенно важнее других, о имеет смысл приступить к разработке схемы на базе полумостового выпрямителя.
Выводы
При разработке устройства целесообразно использовать комплексный подход к выбору варианта исполнения устройства на базе ТЗ. При этом важным является выявление параметров, которые критичны для данного преобразователя. При проектировании устройств для авиационной промышленности критическим могут быть масса-габаритные характеристики, в то же время, для флота эти параметры не так важны.
На основе выбранных параметров, их весовых коэффициентов и оценке соответствия каждого из предварительно определенных решений этим критериям можно оценить, какое из решений целесообразно и должно быть реализовано.
В данной статье было рассмотрено устройство с пятью одинаково значимыми параметрами. По оценке методом сравнения весовых коэффициентов по выбранным критериям была выбрана топология (мостовой инвертор), которая и реализовалось в устройстве DC/AC преобразователя.
Литература:
- В. И. Мелешин Транзисторная преобразовательная техника Москва: Техносфера, 2005. -632с. ISBN 5–94836–051–2
- Е. Е. Чаплыгин. Инверторы напряжения и их спектральные модели, М.: Изд. МЭИ, 2003.
- В. В. Клочков, В. Ю. Николенко. Современная организация создания авиатехники, М.:Изд Московский государственный университет леса в Мытищах ISBN 978–5-8135–0593–5
