Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности
Приведены аналитические оценки потерь мощности на основных токоведущих элементах преобразователей электрической энергии. Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей от тока, частоты и длительности импульсов....
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
2010
|
| Назва видання: | Електротехніка і електромеханіка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143361 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности / П.Ю. Сергеев // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 4. — С. 56-58. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-143361 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1433612018-10-31T01:23:19Z Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности Сергеев, П.Ю. Техніка сильних електричних та магнітних полів Приведены аналитические оценки потерь мощности на основных токоведущих элементах преобразователей электрической энергии. Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей от тока, частоты и длительности импульсов. Наведені аналітичні оцінки втрат потужності на основних струмопровідних елементах перетворювачів електричної енергії. Результати досліджень представлені у вигляді графічних залежностей від струму, частоти і тривалості імпульсів. Analytical estimations over losses of power are brought on the basic сonducting current elements transformers of electric energy. The results of researches are presented as graphic dependences on a current, frequency and duration of impulses. 2010 Article Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности / П.Ю. Сергеев // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 4. — С. 56-58. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 2074-272X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143361 537.613 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Техніка сильних електричних та магнітних полів Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| spellingShingle |
Техніка сильних електричних та магнітних полів Техніка сильних електричних та магнітних полів Сергеев, П.Ю. Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности Електротехніка і електромеханіка |
| description |
Приведены аналитические оценки потерь мощности на основных токоведущих элементах преобразователей электрической энергии. Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей от тока, частоты и длительности импульсов. |
| format |
Article |
| author |
Сергеев, П.Ю. |
| author_facet |
Сергеев, П.Ю. |
| author_sort |
Сергеев, П.Ю. |
| title |
Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности |
| title_short |
Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности |
| title_full |
Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности |
| title_fullStr |
Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности |
| title_full_unstemmed |
Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности |
| title_sort |
принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности |
| publisher |
Інститут технічних проблем магнетизму НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Техніка сильних електричних та магнітних полів |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/143361 |
| citation_txt |
Принцип оценки эффективности преобразователей электрической энергии высокой мощности / П.Ю. Сергеев // Електротехніка і електромеханіка. — 2010. — № 4. — С. 56-58. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| series |
Електротехніка і електромеханіка |
| work_keys_str_mv |
AT sergeevpû principocenkiéffektivnostipreobrazovatelejélektričeskojénergiivysokojmoŝnosti |
| first_indexed |
2025-07-10T17:00:49Z |
| last_indexed |
2025-07-10T17:00:49Z |
| _version_ |
1837280115604586496 |
| fulltext |
56 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №4
УДК 537.613
П.Ю. Сергеев
ПРИНЦИП ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
Наведені аналітичні оцінки втрат потужності на основних струмопровідних елементах перетворювачів електрич-
ної енергії. Результати досліджень представлені у вигляді графічних залежностей від струму, частоти і тривалості
імпульсів.
Приведены аналитические оценки потерь мощности на основных токоведущих элементах преобразователей элек-
трической энергии. Результаты исследований представлены в виде графических зависимостей от тока, частоты и
длительности импульсов.
В процессе работы преобразователей источников
питания и преобразователей электрической энергии
значительные потери мощности происходят на токо-
ведущих элементах: ключевых и выпрямительных
полупроводниковых элементах, трансформаторах и
дросселях, а также в цепях снабберов и демпферов.
Потери в транзисторах возникают вследствие
ненулевого сопротивления открытого канала полевых
транзисторов [1], либо вследствие ненулевого паде-
ния напряжения на канале коллектор-эмиттер БТИЗ
транзисторов [2].
Потери в транзисторе складываются из двух со-
ставляющих: потерь при переключении и потерь, вы-
званных конечным сопротивлением открытого канала.
Потери при переключении могут быть определе-
ны [9]:
FDISDBUSOSSSW tfVIfVCP ⋅⋅⋅+⋅⋅= , (1)
где ID – коммутируемый ток, COSS – выходная ёмкость
транзистора, VBUS – коммутируемое напряжение, f –
частота переключения, VDIS – падение напряжения на
обратном диоде, tF – полное время выключения тран-
зистора.
Потери, вызываемые падением напряжения на
открытом канале полевого транзистора, могут быть
определены следующим образом:
γ⋅⋅= ONDOC RIP 2 , (2)
где RON – сопротивление открытого канала транзисто-
ра, γ – коэффициент заполнения импульса.
Потери, вызываемые падением напряжения на
открытом канале коллектор-эмиттер БТИЗ транзисто-
ра, могут быть определены следующим образом:
γ⋅⋅= )(ONCECOC UIP , (3)
где IC – коммутируемый ток, VCE(ON) – падение напря-
жения на открытом канале коллектор-эмиттер.
Мощность потерь в снаббере определяются энер-
гией, запасённой в защитной индуктивности (если она
присутствует в схеме), а также в конденсаторе, соот-
ветственно в открытом и закрытом состоянии опреде-
ляется следующим образом [13]:
fECILP L
SN ⋅⋅+⋅=
2
2
0
2
0 , (4)
где Е – напряжение стока (коллектора), L0 – индук-
тивность защитного дросселя, IL – коммутируемый
ток, C0 – ёмкость защитного конденсатора.
Для расчёта потерь на вихревые токи обмоток
трансформатора необходимо определить значения
постоянной и переменной составляющих тока:
43
,
2
2γ−γ⋅=γ⋅= IIII ACDC . (5)
Сопротивление постоянной и переменной со-
ставляющих вторичной обмотки может быть опреде-
лено графически на основании семейства кривых
Дауэлла (рис. 1) приведенных в рекомендациях для
расчётов [3].
Данный график позволяет определять отношение
сопротивления обмотки переменному току к сопро-
тивлению обмотки постоянному току при разном ко-
личестве слоёв обмотки. На нём параметр Т – толщи-
на слоя обмотки трансформатора, а DS – глубина
скин-слоя.
RAC / RDC
T/DS
Рис. 1. Отношение сопротивления обмотки переменному
току к сопротивлению обмотки постоянному току
Если глубина скин-слоя превышает половину
диаметра проводника, то это приводит к появлению
так называемого "холостого слоя" – внутреннему
слою в сечении проводника, плотность тока в котором
значительно меньше, чем на поверхности.
При достаточно большом диаметре проводника
эффективность использования сечения проводника
снижается. Глубина скин-слоя определяется, исходя
из частоты [4]:
σ⋅μ⋅⋅π
=
0
1
f
DS , (6)
где μ0 – магнитная проницаемость вакуума, σ - удель-
ная проводимость меди.
Если обмотка трансформатора наматывается
ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №4 57
медным проводником, то данную формулу можно
упростить:
fDS 75= . (7)
Следует отметить, что в настоящее время для
намотки импульсных трансформаторов используют
специальные литцендраты следующих типов:
• ЛЭП – провод круглого сечения с жилой, скручен-
ной из медных проволок, изолированных лаком на по-
лиуретановой основе. Температурный индекс 120 °С;
• ЛЭПКО – провод круглого сечения с жилой, скру-
ченной из медных проволок, изолированных лаком на
полиуретановой основе, с однослойной обмоткой из
капроновых нитей. Температурный индекс 120 °С;
• ЛЭПШД – провод круглого сечения с жилой, скру-
ченной из медных проволок, изолированных лаком на
полиуретановой основе, с двухслойной обмоткой из
натурального шелка. Температурный индекс 120 °С;
• ЛЭШО – провод круглого сечения с жилой, скру-
ченной из медных проволок, изолированных лаком на
полиуретановой основе, с однослойной обмоткой из
натурального шелка. Температурный индекс 105 °С.
Как правило, в данных литцендратах диаметр од-
ной жилы составляет 60-100 мкм, что соответствует
частотам примерно 4,8-1,8 мГц; таким образом, при
выборе проводов достаточно определить количество
жил, подобрав требуемое общее сечение по таблицам,
приводимым для литцендрата соответствующего типа.
Если обмотка многослойная, то для каждого слоя
длина витка определяется индивидуально. При слож-
ной намотке трансформатора для более точного опре-
деления длины провода, выполняется эскиз сечения с
определением размеров.
Рис. 2. Поперечное сечение трансформатора
При известных значениях сопротивления обмот-
ки переменному току заданной частоты (в данном
случае – частоты преобразования) и сопротивления
постоянному току RAC и RDC, токов переменной и по-
стоянной составляющей можно определить суммар-
ную рассеиваемую мощность:
ACACDCDCACDC RIRIPPP ⋅+⋅=+=Σ
22 , (8)
где I – действующее значение тока в обмотке транс-
форматора.
Потери в материале сердечника трансформатора
определяются, исходя из известной частоты преобра-
зования, а также величины размаха индукции магнит-
ного поля за одно переключение. Производители
EPCOS предлагают рассчитывать потери в сердечни-
ке, исходя из специальных эмпирических графиков,
приведенных индивидуально для каждого материала
[5]. Эти графики позволяют оценить коэффициент
потерь в материале сердечника при известных значе-
ниях размаха индукции и частоты (рис. 3). Соответст-
венно, потери мощности определяются [6]:
EVC VPP ⋅= , (9)
где PV – коэффициент потерь, VE – объём сердечника.
Рис. 3. Зависимость коэффициента потерь от частоты при
различных значениях размаха индукции магнитного поля
для материала № 87
Потери в низковольтной части преобразователя
определяются потерями в выпрямителе и в фильт-
рующих элементах. Их размерность, как правило,
больше размерности потерь в высоковольтной части
преобразователя, так, как в низковольтной части те-
кут значительные токи. Для оценки мощности, выде-
ляемой на конкретном выпрямителе, производители
рекомендуют использовать специальные графики.
Типовой график зависимости потерь на выпря-
мительном диоде в зависимости от прямого тока и
коэффициента заполнения импульсов приведен на
рис. 4 на примере ультрабыстрого диодного модуля
UFB200FA20 [9].
При работе однотактного преобразователя, где в
качестве выпрямителя используются два диода – пря-
мой и замыкающий, потери на замыкающем диоде
составляют 71 % от потерь на прямом диоде [14].
Потери в дросселе определяются аналогично по-
терям в обмотках трансформатора. Для определения
размаха индукции в материале сердечника, на кото-
ром изготовлен дроссель, может быть использована
следующая формула [15]:
58 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2010. №4
NKSf
V
B
CC
O
⋅⋅⋅⋅
⋅
=Δ
4
104
)МАКС( , (10)
где VO(МАКС) – максимальное выходное напряжение,
SC – площадь сечения сердечника, КC – коэффициент
заполнения сердечника (0,6-0,9), N – количество вит-
ков.
PРАСС, Вт
IВЫХ, А
Рис. 4. Кривые зависимости рассеиваемой мощности от
величины тока при разных длительностях импульсов и по-
стоянного напряжения для диода UFB200FA20
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. A More Realistic Characterization of Power MOSFET Out-
put Capacitance Coss. International Rectifier. – 2004.
2. Carl Blake and Chris Bull. IGBT or MOSFET: Choose
Wisely. International Rectifier. – 2004. – 5 p.
3. Lloyd H., Dixon Jr. Еddy current losses in transformer.
Winding and circuit wiring. Texas Instruments. – 2003. – 13 p.
4. Зоммерфельд А. Электродинамика / Пер. с нем. С.А.
Элькинда. – М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1958. – 505 с.
5. Ferrites and accessories. Materials. EPCOS AG. – 2006. – 77 p.
6. Б.Ю. Семёнов. Силовая электроника: от простого к
сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.
7. Switchmode power supplies. Reference manual and design
guide. ON semiconductor. – 2000. – 65 p.
8. Supply Efficiency. Power Intergations. – 2001. – 20 p.
9. Class D Audio Amplifier Basics. International Rectifier. –
2006. – 14 p.
10. Кузнецов А. Трансформаторы и дроссели для импульсных
источников питания / Схемотехника. – 2000. – № 3. – С. 2-4.
11. Ф. Чаки, И. Герман, И. Ипшич и др. Силовая электрони-
ка: примеры и расчеты. Пер. с англ. – М.: Энергоатом-издат,
1982. – 384 с.
12. UFB200FA20 Insulated Ultrafast Rectifier Module. Interna-
tional Rectifier. – 2006. – 6 p.
13. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи:
семейства, характеристики, применение. Изд. 2-е, перераб. и
доп. – М.: Додэка, 2005. – 384 с.
14. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирова-
ние. Пер. с англ. – К.: МК-Пресс, 2007. – 288 с.
15. В.Я.Володин. Современные сварочные аппараты своими
руками. – СПБ.: Наука и техника, 2008. – 304 с.
Поступила 19.04.2010
Сергеев Павел Юрьевич
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
кафедра "Микроэлектроника, электронные приборы
и устройства"
61166, Харьков, пр. Ленина, 14, к. 212
тел.:7021362 (раб.), 7011949 (дом.)
e-mail: sergeyev792@yandex.ru
P.J. Sergeev
Principle of estimation of efficiency transformers of electric
energy of high power.
Analytical estimations over losses of power are brought on the
basic сonducting current elements transformers of electric en-
ergy. The results of researches are presented as graphic depend-
ences on a current, frequency and duration of impulses.
Key words – сonducting current elements, transformers,
electric energy.
|