Как работает импульсный блок питания

Подробно рассмотрим, как работает импульсный блок питания (ИБП) любого типа. Сегодня такие компоненты являются основными источниками электрической энергии любой электронной аппаратуры. Аудио аппаратуру мы в счет не берем. Там по-прежнему доминируют линейные или трансформаторные блоки питания.

Концепция ИБП известна давно. Однако реализация ее стала возможной относительно недавно. Этому способствовало появление управляемых полупроводниковых ключей с требуемыми характеристиками. В первую очередь речь идет о полевых транзисторах MOSFET. Сегодня MOSFET вытеснили практически все другие управляемые полупроводниковые приборы в области преобразователей электрической энергии малой и средней мощности. В преобразователях большой мощности лидирующие позиции занимают IGBT транзисторы, а также некоторые виды тиристоров.

Главное и неоспоримое преимущество импульсных блоков питания по сравнению с линейными (трансформаторными) БП – это значительно меньший вес и габариты при равных мощностях. Для сравнения можно взять импульсный блок питания компьютера мощностью 500 Вт и только один трансформатор мощностью 500 ВА. Разница, особенно по массе, будет ощутима.

Существует много схем ИБП. Однако все они сводятся к тому, чтобы снизить в первую очередь массу и габариты трансформатора. Почему именно трансформатора? Потому что он является самым громоздким, тяжелым и дорогим элемент блока питания.

Чтобы хорошо представлять, как работает импульсный блок питания, сначала рассмотрим классическую схему линейного БП.

Схема линейного блока питания

Основные задачи любого промышленного БП заключаются в снижении переменного напряжения 220 В (230 В) до требуемой величины, затем его выпрямление, сглаживание и стабилизация.

Поэтому любая схема линейного бока питания обязательно содержат как минимум следующие элементы: трансформатор, выпрямитель, фильтр, узел стабилизации. Назначение каждого элемента было более полно рассказано здесь.

Теперь, глядя на составляющие функциональной схемы линейного БП, давайте рассуждать, какие элементы приводят к росту его массы и веса. В качестве выпрямителя чаще служит диодный мост. Снизить его размеров не даст особого эффекта. Да и реализовать этот будет затруднительно.

Узел стабилизации может быть реализован по-разному. Поэтому на нем мы тоже сэкономить мало что сможем. Остаются только два элемента: фильтр и трансформатор. Фильтр представляет собой электролитический конденсатор большой емкости. Но изменение его параметров, как мы увидим далее, не позволит получить сколь-нибудь ощутимый выигрыш. Остается исследовать возможности способы минимизации трансформатора.

Основная задача его заключается в передаче мощности со стороны источника высокого на сторону низкого напряжения. При этом необходимо обеспечить гальваническую развязку высоковольтных с низковольтными цепями. Гальваническая развязка необходима для преимущественного большинства устройств по условиям безопасности, как персонала, так и низковольтного оборудования. А трансформатор, как никакой другой элемент выполняет эти и другие условия. При этом он имеет максимальный коэффициент полезного действия, достигающий 99 %. По этой причине ему до сих пор не могут найти альтернативу, за что приходится расплачиваться повышенной массой и размерами в целом БП.

Безтранформаторные источники питания

Конечно, всегда возникал вопрос: а можно ли вообще обойтись без трансформатора? Здесь ответ неоднозначный. И можно и нельзя. Более того, существуют безтрансформаторные источники питания. Для снижения напряжения применяют конденсатор. Конденсатор характеризуется реактивным сопротивлением при работе в цепях переменного тока. Именно это свойство благополучно используется. Однако реактивное сопротивление конденсатора зависит обратно пропорционально от его емкости. Поэтому с увеличением нагрузки необходимо применять конденсатор большей емкости, что очень сказывается на его размерах. Кроме того возрастает его цена, поскольку он должен быть рассчитан на 400…450 В. Помимо всего прочего, использование реактивного сопротивления негативно влияет на качестве электроэнергии питающей сети. Снижается коэффициент мощности cosφ. Но самый главный недостаток заключается в отсутствии гальванической развязки. Это исключает применение подобных схем в преимущественном большинстве радиоэлектронной аппаратуре.

Как снизить массу и габариты трансформатора

Так вот, мощность любого узла ИБП определяется всего двумя параметрами: напряжением и током.

P = U∙I.

Полная мощность трансформатора (Т) также определяется произведением тока на напряжение. Поэтому давайте рассмотрим, как зависят габариты Т от величины приложенного U и протекающего I. Возможно, здесь у нас получится на что-то повлиять.

Напряжение или, точнее говоря, ЭДС данного электромагнитного устройства определяется частотой приложенного напряжения f, количеством витков w и магнитным потоком Φ.

E = 4,44∙f∙w∙Φ

Коэффициент 4,44 уберем для упрочения, поскольку он соответствует синусоидальной форме тока. В импульсных блоках питания, где форма сигнала имеет вид прямоугольника, это коэффициент имеет другое значение.

E ~ f∙w∙Φ

Магнитный поток представляет собой произведение магнитной индукции B на площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода Sс.

E ~ f∙w∙B∙Sс

Давайте поразмыслим над этой формулой с интересующей нас позиции. Размеры Т определяются размерами его сердечника и обмотками. Упрощенно говоря, мы можем вполне обосновано сказать, что габариты сердечника зависят от площади поперечного сечения сердечника (магнитопровода) Sс. А габариты обмотки зависят от числа витков w.

Теперь становится очевидно, что для сохранения прежней величины электродвижущей силы E при снижении числа витков w и площади поперечного сечения Sс, а соответственно и габаритов трансформатора, необходимо повышать или частоту или индукцию или эти два параметра одновременно.

Преимущественное большинство сердечников промышленных трансформаторов выполняются из электротехнической стали. Такая сталь имеет индукцию насыщения порядка 1,7 Тл. Это довольно большое значение индукции. Выше только у чистого железа, обладающего максимально возможной индукцией из всех магнитных материалов, и составляет чуть более 2 Тл. К сожалению, чистое железо не пригодно к использованию в электромагнитных устройствах вследствие сильных потерь энергии при перемагничивании.

Альтернативные магнитные материалы

Также в ряде стран применяется пермаллой. Пермаллой имеет несколько меньшую индукцию, чем электротехническая стать, но обладает большим электрическим сопротивлением. Благодаря чему снижаются потери на вихревые токи, а соответственно и потери холостого хода.

Относительно недавно на рынке в доступной цене появились аморфные и нанокристаллические сплавы. Они обладают высоким электрическим сопротивлением, при этом индукция их приближается к электротехническим сплавам. Кроме того они обладают рядом положительных свойств, превосходящих другие магнитные материалы. Но на этом мы здесь останавливаться не будем.

Однако индукция известных на сегодняшний день магнитных материалов и сплавов не достигает величины, значительно превосходящей индукцию электротехнической стали, то есть более 1,7 Тл. Поэтому сейчас невозможно существенно снизить габариты электромагнитного устройства за счет применения новых магнитных материалов. Поэтому остается единственный способ, который даст ощутимое снижение массы и размеров – это повышение частоты f переменного тока.

Как работает импульсный блок питания электронных устройств

Мы знаем, что в сети 220 В или 230 В f равна 50 Гц, отсюда возникает вопрос: как ее повысить? А делается это следующим образом. Сначала переменное напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется с помощью обычного диодного моста. Затем оно сглаживается электролитическим конденсатором большей емкости. Далее сглаженное напряжение снова преобразуется в переменное, но уже значительно большей частоты. В современных импульсных блоках питания она составляет порядка единиц мегагерц. И уже это высокочастотное напряжение подается на обмотку трансформатора. Это позволяет значительно снизить его размеры при сохранении прежнего значения электродвижущей силы. Затем сниженное напряжение со вторичной обмотки снова выпрямляется, сглаживается, и стабилизируется.

Постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью инвертора. Транзисторы инвертора работают в ключевом режиме, что приводит к появлению значительных импульсов тока. Поэтому на входе первого выпрямителя обязательно устанавливают дроссель для снижения уровня пульсаций тока, вызванных работой инвертора. Кроме того, для борьбы и электромагнитными импульсами, ИБП полностью экранируют.

Именно по причине этих пульсаций ИБП не применяются в аудиотехнике. В первую очередь это относиться к усилителям звука. Они вместе с полезным аудиосигналом могут усилить и помехи или пульсации, создаваемые полупроводниковыми приборами, работающими в ключевом режиме. В конечном итоге это негативно отобразится на качестве звука.

Сечение провода тр-ра по-прежнему рассчитывается на аналогичный ток. Однако в качестве магнитопровода электротехническая сталь не применяется, поскольку на высоких частотах возникают сильных потери энергии, вызванные действием вихревых токов. Поэтому применяют магнитные материалы с максимально высоким электрическим сопротивлением. К ним относятся ферриты и различного рода магнитодиэлектрики.

ШИМ-контроллер

Работой полупроводниковых приборов инвертора управляет ШИМ-контроллер. ШИМ-контроллер может выполняться в виде отдельной микросхемы или в едином корпусе с полупроводниковыми ключами. Для поддержания заданного уровня напряжения на нагрузке в не зависимости от изменения ее параметров и других воздействующих факторов, необходимо изменять параметры широтно-импульсной модуляции. За это отвечает ШИМ-контроллер, который получает сигнал по обратной связи. В качестве элемента, образующего обратную связь применяется оптопара. Может применяться и другой радиоэлектронный элемент, как правило, способный осуществить гальваническую развязку.

Теперь должно быть понятно, как работает импульсный блок питания. Его схема состоит из входного фильтра, входного выпрямителя, сглаживающего входного фильтра, инвертора, импульсного трансформатора, выходного выпрямителя и выходного фильтра.

В качестве входного фильтра применяется дроссель. Сглаживающими фильтрами служат электролитические конденсаторы большей емкости.

Мощный импульсный блок питания?

Значительно повысить f удается только в относительно маломощных ИБП с точки зрения силовой электроники. В преобразователях электрической энергии большой мощности – десятки, сотни и тысячи киловатт, сколь существенно увеличить частоту не получится. Это вызвано отсутствием транзисторов или тиристоров, способных быстро переключать большую нагрузку, сохраняя при этом приемлемый уровень потерь энергии. Максимум удается повысить f до тысячи герц, 400 Гц, а то и вовсе ниже. К тому же возникают трудности с охлаждением таких преобразовательных установок.

Потери в полупроводниковых ключах зависят от приложенного к ним напряжения, протекающего I и частоты переключения. С ростом f потери энергии в полупроводниковых ключах сильно возрастают. Поэтому существенно снижается коэффициент полезного действия всей преобразовательной установки. Отсюда данный способ пока что не находит применения для мощных преобразователей и является малоэффективным.

Но и здесь был найден выход. Все усилия были направлены в сторону уменьшения размеров и веса обмоток. В преобразователях она может достигать нескольких тонн. Если получится существенно уменьшить ее размеры, тогда можно домотать некоторое количество витков и за счет этого снизить габариты магнитопровода при сохранении прежнего значения электродвижущей силы.

Масса меди обмоток m_о зависит от суммарной длины одного витка l_в, их числа w, площади поперечного сечения S_в и удельного веса меди γ_м.

m_о = l_в∙w∙S_в∙γ_м.

Длина витка l_в определяется его диаметром d_в, поэтому можем переписать предыдущее выражение следующим образом:

m_о = π∙d_в∙w∙S_в∙γ_м.

В свою очередь диаметр d_в определяет индуктивность Т. Поэтому его мы уменьшить не можем, поскольку это в конечном итоге повлечет за собой уменьшение ЭДС, а это не допустимо.

Также нельзя снизить удельный вес меди. Остается снижать площадь поперечно сечения витка.

Она в свою очередь зависит от величины протекающего I и допустимой плотности тока j.

S_в = I∙j.

Величину тока мы также снизить не можем, поскольку она определяет мощность трансформатора при заданном значении электродвижущей силы. Остается только один способ – увеличить допустимую плотность j.

Сверхпроводники

Эта величина для меди в среднем находится в пределах от 8 до 10 А/мм². Для обмоток электрических машин она будет иметь меньшее, а для монтажных проводов или линий электропередач – большее значение.

Величина j показывает, какой максимальный ток можно пропустить через заданное сечение проводника. Для простоты примем допустимое значение j = 10 А/мм². Это значит, что через медный провод сечением 1 мм² можно пропустить I величиной 1 А. Если превысить эту величину, то он будет перегреваться, что недопустимо. Главная причина заключается в перегреве изоляции, которая для электрических машин обходится дороже стоимости самого провода. С ростом температуры эксплуатационный срок изоляции резко снижается. Отсюда преждевременная постановка на ремонт и затратная перемотка изоляции.

Если проводник принудительно охлаждать, то через ту же S_в можно пропустить больший I. Именно таким способом удается существенно уменьшить сечение S_в. Применяют так называемые сверхпроводящие обмотки. Они находятся в специальной герметичной емкости, заполненной жидким азотом. Точка кипения азота чуть более -195 °С. Жидкий азот хорош тем, что он не взрывоопасен и не ядовит.

Благодаря применению жидкого азота снижается сопротивление проводника. Это позволяет повысить j почти в 30 раз, не перегревая его. А соответственно снизить площадь поперечного сечения обмоточного провода, что в свою очередь приводит к снижению веса электромагнитного устройства.

Подытожим сказанное выше. Для снижения массы и габаритов ИБП малой и средней мощности повышают частоту подводимого напряжения к обмоткам трансформатора за счет специальных схемных решений. В силовых преобразователях такой способ пока что трудно реализуем по причине отсутствия полупроводниковых ключей с приемлемыми коммутационными характеристиками. Единственный рациональный способ заключается в использовании сверхпроводящих обмоток.

Теперь, я надеюсь, Вам стало понятно, как работает импульсный блок питания и почему он имеет такую структуру.