Как реализовать цифровую схему управления импульсным преобразователем электрической энергии. Часть 1

Александр Русу - Одесса

Общее количество методов стабилизации выходного напряжения при импульсном преобразовании электрической энергии достаточно велико. Но на практике все сводится к одному простому правилу: «берем подходящую микросхему и следуем инструкциям». Действительно, производители электронных компонентов проделали огромную работу и наполнили рынок контроллерами «на все случаи жизни». Поэтому разработчику уже не нужно самому реализовывать, например, «метод управления с упреждением по входному напряжению» [1] или D-CAP3 [2]; для этого достаточно использовать готовую микросхему, содержащую все необходимые узлы, уже правильно соединенные и откалиброванные. Да и современные рыночные условия уже не позволяют производителям электроники собирать схемы управления на дискретных компонентах, ведь в большинстве случаев это долго, дорого и не всегда качественно.

Но что делать, когда подходящего контроллера не существует, например, когда силовая часть преобразователя выполнена по необычной схеме, или когда она является стандартной, но функциональности существующих контроллеров недостаточно для конкретного приложения? Например, где найти готовый контроллер для импульсного стабилизатора переменного напряжения, описанного в [3]?

Долгое время существовал лишь один способ решения этой проблемы – разработка аналоговой схемы управления «с нуля»: или на дискретных компонентах, или на программируемых аналоговых интегральных микросхемах, что с точки зрения функциональности почти одно и то же. Но это, как было сказано выше, сложно, долго и дорого. И лишь относительно недавно появился еще один способ, позволяющий не только эффективно выйти из нестандартных ситуаций, но и использовать абсолютно новые алгоритмы управления, которые на традиционной аналоговой основе реализовать практически невозможно.

Речь идет о цифровых схемах управления, в которых все функции обеспечиваются программным способом. Возможность практического применения подобного подхода появилась около пятнадцати лет назад после появления недорогих микроконтроллеров, быстродействия которых уже было достаточно для отслеживания высокоскоростных процессов в силовой части.

Одним из первых массовых устройств с полностью цифровыми контурами управления стали компьютерные источники бесперебойного питания, появившиеся в конце 1990-х годов. Однако в то время производительность недорогих контроллеров еще не позволяла полноценно управлять высокочастотными импульсными схемами, поэтому частота сигналов для управления силовыми транзисторами составляла всего 50 Гц, а их выходные напряжения имели форму прямоугольных импульсов (аппроксимированной синусоиды). С той поры многое поменялось, и сейчас почти все ведущие производители этого вида техники выпускают устройства с синусоидальными выходными напряжениями, формируемыми с помощью микроконтроллеров.

Цифровые контуры управления активно используются и в «серьезных» системах, например, в платформе MIPAQ Pro (Рисунок 1) [4], предлагаемой компанией Infineon для инверторов мощных электроприводов или солнечных электростанций. Одной из ее особенностей является программная реализация математической модели тепловых процессов, происходящих внутри кристаллов силовых полупроводниковых приборов, установленных в модулях. Эта модель позволяет на основе текущих значений напряжений силовых шин, тока нагрузки и известных параметров IGBT, рассчитать статические и динамические потери в каждом транзисторе в каждом цикле преобразования. Зная тепловые сопротивления кристалл-модуль, модуль-радиатор и радиатор-среда (с учетом работы системы охлаждения), а также текущую температуру внутри корпуса прибора, можно с высокой точностью определить, какими будут абсолютные температуры кристаллов после очередного цикла преобразования. Это позволяет не только предотвратить перегрев компонентов, но и максимально эффективно использовать их установочную мощность, ведь теперь, точно зная, что в данных условиях кристалл не расплавится, можно увеличить выходной ток модуля.

Рисунок 1.	Пример цифрового контура управления платформы MIPAQ Pro [4].

Однако из-за большого объема работы, которую еще только предстоит сделать, это направление до сих пор остается «молодым» и «малоизученным». Но его уже нельзя назвать «недоступным». Сейчас на рынке присутствует достаточно большое количество быстродействующих микроконтроллеров, вполне пригодных для использования в качестве основы для цифровых контуров управления. Нужно только научиться их создавать. А вот доступной литературы, посвященной этому вопросу, пока еще очень мало, а та, что есть, иногда не выдерживает никакой критики.

В этой статье будут рассмотрены общие вопросы построения цифровых контуров управления на основе микроконтроллеров общего назначения. А в качестве примера будет рассмотрена схема управления импульсным преобразователем переменного напряжения [3, 5], реализованная на микроконтроллере семейства STM32 производства STMicroelectronics.

1. Русу А.П. Как управлять импульсными преобразователями с постоянной частотой переключений
2. Русу А.П. Как работают импульсные преобразователи с гистерезисным управлением
3. Русу А.П. Импульсное преобразование переменного тока
4. IGBT-cборки MIPAQPro от Infineon – готовое решение для мощных преобразователей
5. Стабилизатор напряжения импульсный GF-9000
6. Русу А.П. Почему гальваническая развязка увеличивает размеры импульсных преобразователей электрической энергии

Окончание следует