Результат интеллектуальной деятельности: СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АППАРАТУРЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПОСАДОЧНОГО РАДИОЛОКАТОРА

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в аппаратуре электропитания посадочного радиолокатора.

Известна система электропитания посадочного радиолокатора [1, 2, 3, 4] состоящая из ввода внешней сети, защитно-распределительного блока, первого преобразователя из переменного в постоянный ток (AC-DC), питающих передающее устройство, второго преобразователя из переменного в переменный ток (АС-АС), питающего привод вращения антенно-мачтового устройства, третьего преобразователя типа AC-DC, подключенного к аккумулятору, питающему ЭВМ, последовательно включенных четвертого преобразователя типа AC-DC и пятого преобразователя из постоянного в постоянный ток (DC-DC), питающих аппаратуру радиолокационной станции с соответствующими связями. AC-DC преобразователь из состава аппаратуры электропитания посадочного радиолокатора [3], питающей передающее устройство, содержит блоки управления БУ ПРД [4], в состав которого входят стабилизаторы напряжения, которые обеспечивают работу устройств, входящих в аппаратуру электропитания посадочного радиолокатора.

Известны стабилизаторы напряжения (СН), содержащие силовую последовательную цепь из регулирующего элемента и энергонакопительного дросселя, узла управления, выходного конденсатора и коммутирующего элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному решению является СН фиг. 1, содержащий силовую последовательную цепь из регулирующего элемента и энергонакопительного дросселя, подключенную между потенциальной входной и выходной клеммами, узел управления, вход которого подключен к выходу стабилизатора, а выход - к управляющему входу регулирующего элемента, диодный коммутирующий элемент, включенный между точкой соединения регулирующего элемента и энергонакопительного дросселя и другой выходной клеммой, и выходной конденсатор, включенный между двум выходными клеммами [7].

Выполнение диодного коммутирующего элемента производится исходя из значения номинального тока нагрузки - подбирается диод с аналогичным током в прямом направлении, что не оптимально по КПД.

На КПД влияют значения как номинального тока нагрузки, так и входного напряжения питания, что требует при выполнении упомянутого элемента учета на только статических, но и динамических режимов СН.

Целью изобретения является повышение КПД стабилизатора напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что упомянутый коммутирующий элемент выполнен на основе диодной твердотельной структуры с площадью рабочей поверхности равной произведению постоянного коэффициента структуры, номинального тока нагрузки и отношения времен закрытого и открытого состояний регулирующего элемента.

Предлагаются варианты формирования диодной твердотельной структуры путем параллельного соединения элементарных структур с суммарной площадью поверхности, равной требуемой площади диодной твердотельной структуры.

Такой принцип построения СН является новым, неизвестным из литературных данных, как в полупроводниковой технике, так и в технике источников питания, так как площадь рабочей поверхности диодного коммутирующего элемента (ДКЭ) в общем случае является переменной величиной, жестко связанной с конкретными электрическими параметрами СН, а выполнение ДКЭ необходимо проводить на основе полуфабриката диодной твердотельной структуры, площадь поверхности которой выбирается индивидуально в зависимости от упомянутых параметров СН.

Найденное соотношение для определения оптимальной поверхности ДКЭ определяет существенное отличие заявленного решения.

На фиг. 2 представлена объединенная конструктивная и электрическая схема СН, понижающего напряжение сети (Пн СН), которая содержит силовую цепь из регулирующего элемента 1 и энергонакопительного дросселя 2, подключенную между потенциальной входной клеммой 3 и выходной клеммой 4, узел управления 5, входом подключенный к выходу стабилизатора, а выходом к управляющему входу регулирующего элемента 2, диодный коммутирующий элемент 6, выполненного во виде параллельно соединенных элементных структур, включенный между точкой соединения регулирующего элемента 1 и энргонакопительного дросселя 2 и другой выходной клеммой 7, к выходу подключен выходной конденсатор 8.

ДКЭ 6 выполнен на основе полуфабриката диодной твердотельной структуры (в данном случае р-n перехода). Характерным для диодной твердотельной структуры является распределение носителей заряда по закону Максвелла-Больцмана. В этом случае независимо от конкретного вида структуры (барьер Шоттки, гетеропереход и т.д.) площадь ее рабочей поверхности выполняется равной произведению постоянного коэффициента структуры, номинального тока нагрузки и отношения времен закрытого и открытого состояний регулирующего элемента.

Выполнение других полупроводниковых узлов - 1 и 5 - может производиться любым известным способом.

На разрезе по АА фиг. 1 узлы 1, 5 представлены в бескорпусном варианте, в виде плоских твердотельных сборок и микросхем, размещенных на общей теплорассеивающей подложке 9 с коммутирующим элементом 6.

Физическое объяснение предложенного выполнения ДКЭ в виде параллельно соединенных элементных структур заключается в следующем: общие потери энергии в ДКЭ - P_Σ - определяются потерями как в прямом (Р_пр), так и в обратном (Р_обр) направлениях. Однако, при описываемой диодной структуре потери в прямом направлении, точнее прямое напряжение U_пр - является функцией от обратного тока I_о6р, причем U_пp уменьшается с увеличением I_о6р, тогда как Р_обр при этом увеличивается.

Величина i_обp для данной структуры с постоянной плотностью обратного тока i_o6p определяется величиной рабочей поверхности структуры S.

Таким образом, для данной структуры существует всегда оптимальная площадь рабочей поверхности S_р, зависящая от токов нагрузки I_н и режима коммутации - времен открытого (t_о) и закрытого (t_з) состояний регулирующего элемента, при которой величина P_Σ - минимальная.

Ниже приведены теоретические выкладки, подтверждающие вышесказанное.

Для рассматриваемого класса диодных твердотельных структур [6], вольтамперная характеристика может быть обобщена в виде:

где I_д - среднее значение диодного тока за время,

U - напряжение на диоде,

ϕ₀ - тепловой потенциал,

n - коэффициент неидеальности структуры.

Величина i_обp в общем случае является величиной, зависящей от U_обp, при этом наиболее типовые зависимости i_обp - следующие:

1. i_обр=i_s=const при (U_обр)>>ϕ₀ - для классических р-n перехода и контакта металл-полупроводник [6].

2. - при учете процессов генерации рекомбинации в р-n переходе,

i_R ~ U_oбp - при наличии утечек в р-n переходе и для гетеропереходов [6].

При оценке режимов в прямом направлении имеем

Потери в прямом направлении определяются в виде [6]:

где Т - период коммутации,

Из (1) с учетом (2) имеем:

В обратном направлении потери определяются в виде:

Не учитывая коммутационные потери, которые всегда можно существенно уменьшить по сравнению с Р_пр и Р_обр, суммарные потери можно представить с учетом (4)-(6) в виде:

Таким образом, из (7) очевидно, что так как с возрастанием S потери в прямом направлении уменьшаются, а потери в обратном направлении увеличиваются, то существует минимальное значение Р_Σ при некотором оптимальном S_р.

Определяя из (7) экстремум функции Р_Σ, находим значение S_p.

В табл. 1 представлены для типовых схем стабилизаторов уравнения для величин Р, U, с использованием рассчитанных ранее известных уравнений для стабилизаторов. При этом предполагается, что где r₀ - удельное динамическое сопротивление структуры диода в обратном направлении. Полагается также, что напряжение питания схемы много больше напряжения насыщения регулируемого элемента, тогда U_bx=U_п. На фиг. 3 иллюстрируются зависимости потерь от величины S.

Приведенные выше уравнения для понижающего (Пн) и повышающего (Пв) СН сведены в таблицу 1.

Из уравнений, представленных в табл. 1, следует, что оптимальная площадь рабочей поверхности S_p для СН описывается одним уравнением. Представляя i₀ в виде:

получим обобщенное уравнение в виде

Или (8) можно представить, используя (4), в виде:

где - постоянный коэффициент структуры (при заданном входном и выходном напряжениях).

Таким образом, уравнение (9) определяет величину S_p в соответствие полученными решениями.

В случае использования элементарных структур с рабочей поверхностью, меньшей S_p, следует использовать параллельное соединение их, чтобы площадь суммарной рабочей поверхности была равна S_p, а при идентичности таких структур, чтобы суммарная поверхность элементарных структур была связана с их числом N соотношением:

где S_д - площадь элементарной структуры.

Из уравнения (5) вычислим: nϕ₀=0.12 В, из (3-7) определим величину Р_Σ при S=kS_д, где k = 1; 2; 3; 5. Данные расчетов приведены в таблице:

Сравнение расчетных данных с экспериментальными, полученными при испытании СН приведенного на фиг. 2 с параметрами U_п=+27 В; U_н=5 В; I_н=3 А, τ=0.2 и при использовании кремниевых структур на основе диодов Шоттки (I_к0=i_к0S_д=20⋅10^-3 А, U_пp=0.6 В), показали достаточность для практического использования при совпадение ≤ 5%, причем повышение КПД составляет более 10%, таким образом увеличение КПД, учитывая количество используемых стабилизаторов напряжения улучшает показатели работы посадочного радиолокатора.

Источники литературы

1. РШПИ.462725.001 Э4 - Схема электрических соединений

2. РШПИ.468324.011 Э3 Схема электрическая принципиальная

3. РШПИ.462725.001 Модуль ПРЛ-27С

4. РШПИ.468324.011 ТУ БУ ПРД

5. Б.В. Кабелев. Высокочастотные конвенторы на мощных МДП-транзисторах. В сб. Электронная техника в автоматике вып. 15, 1984, стр. 24, рис. 2.

6. ЗИ. Физика полупроводниковых приборов. «Мир», 1984, т. 1, стр. 325-429.

7. Источники вторичного электропитания под ред. Ю.И. Конева, М, «Сов. Радио», 1983 г., стр. 80-94.