Нужно ли усреднять импульсную нагрузку на источник электропитания?

Добрый день, уважаемые коллеги.

Меня зовут Олег Негреба, и я работаю в компании АЕДОН руководителем лаборатории перспективных исследований. Наша компания занимается разработкой и производством источников и систем электропитания самого различного назначения.

С завидной регулярностью к нам поступают вопросы об организации систем электропитания импульсных нагрузок. Даже достаточно опытные разработчики таких систем часто встают перед выбором – сгладить импульсы тока батареей конденсаторов и использовать источник электропитания, рассчитанный на среднюю мощность нагрузки или использовать более мощный источник, способный полноценно обеспечивать электропитание нагрузки в течение рабочих импульсов без батареи конденсаторов, усредняющей импульсный ток.

Кроме этого, разработчики почти всегда склоняются к централизованной системе электропитания, т.е. используют один мощный источник для питания всех импульсных нагрузок, требующих одно и то же входное напряжение, а не разбивают их на группы, чтобы питать каждую группу от отдельного источника.

Сегодня я расскажу о серии практических экспериментов на эту тему, которые мы провели после обращения от группы разработчиков очень уважаемого предприятия.

Итак, к нам обратились разработчики одного из отечественных предприятий с вопросом:

Имеется импульсная нагрузка со следующими параметрами:

И собственно вопрос – Источник какой мощности оптимален для электропитания этой нагрузки и есть ли необходимость в использовании накопительных конденсаторов для усреднения импульсной мощности?

Экспериментировать мы стали с преобразователями напряжения серии МДМ-А, специально разработанными для электропитания импульсных нагрузок.

Поскольку средняя мощность нагрузки в этом примере составляет всего 640/5=128 Вт, то для начала мы взяли в работу серийный преобразователь на 340 Вт МДМ340-1Ф7,5ТУА с подстроенным до 8 В выходным напряжением.  Этот модуль мы подключили к входной сети 300 В и к резистивной нагрузке, коммутируемой управляемым с генератора полевым транзистором. На рисунке 1 показана схема проведения испытаний, а на рисунке 2 – внешний вид испытуемого модуля и его нагрузки.

1. В первую очередь мы оценили качество выходного напряжения модуля при работе на требуемую нагрузку (Iи=80 А, tи=1 мс, скважность=5) с использованием минимальной выходной ёмкости (внутренние выходные штатные конденсаторы + Свых=2х100 мкФ, алюминиевые электролитические конденсаторы). На рисунке 3 показана форма выходного напряжения модуля в таких условиях.

Из представленной осциллограммы видно, что в течение импульсов нагрузки модуль работает с перегрузкой по выходному току, что приводит к просадке его выходного напряжения с 8 до примерно 5,8 В. Ёмкости внутренних и внешних выходных конденсаторов недостаточно для сглаживания импульсного тока. 

2. Дополнительное усиление выходной ёмкости Свых полимерными конденсаторами 6х470 мкФ =2800 мкФ (рисунок 4) привело к незначительному снижению величины переходных отклонений (рисунок 5).

3. Далее, для перехода в режим работы без усреднения импульсной мощности нагрузки в модуле была загрублена до 85 А защита от перегрузки по выходному току, а также были заменены на более мощные выходные выпрямители и выходной дроссель.

Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля без дополнительной батареи полимерных конденсаторов показана на рисунках 6 и 7. 

4. Дополнительное усиление выходной ёмкости Свых полимерными конденсаторами 6х470 мкФ =2800 мкФ привело к снижению величины переходных отклонений, но результат всё ещё остался неудовлетворительным (рисунки 8, 9).

Делаем промежуточный вывод:

Увеличение тока нагрузки модуля МДМ340-1Ф7,5ТУА с ограниченных техническими условиями 30 А постоянного тока до запредельных 80 А импульсного тока, во-первых, приводит к практически квадратичному росту омических потерь, что существенно снижает КПД системы электропитания, во-вторых, снижает её надёжность, т.к. компоненты модуля во время импульсов нагрузки работают с перегрузкой, и, в-третьих, такая конфигурация системы электропитания всё равно не обеспечивает приемлемых значений переходных отклонений выходного напряжения в моменты фронта и спада импульсов нагрузки, к тому же величину переходных отклонений выходного напряжения дополнительно увеличивает падение напряжения в выходных цепях модуля, включая его штыри и в цепи питания нагрузки.

5. В рассматриваемом случае целесообразно разбить нагрузку на две группы по 40 А импульсного тока и использовать для питания каждой группы по отдельному модулю МДМ340-1Ф08ТУА с загрубленной примерно до 45 А защитой от перегрузки по выходному току. В таком случае будут наиболее эффективно обеспечены показатели эффективности, надёжности и переходных отклонений выходного напряжения системы электропитания.

На осциллограммах (рисунки 10 и 11) показаны указанные переходные отклонения выходного напряжения серийного модуля МДМ340-1Ф7,5ТУА с подстроенным до 8 В выходным напряжением при работе на импульсную нагрузку 40 А, 1 мс, скважность=5 с двумя внешними алюминиевыми электролитическими конденсаторами ёмкостью по 100 мкФ. 

Переходные отклонения выходного напряжения модуля в таких условиях составляют около +5 % / - 9 %, модуль работает с близким к максимальному КПД, а средняя мощность тепловых потерь составляет около 10 Вт (10 мА потребление на холостом ходе и 89,2 % КПД при выходном токе 40 А), что заметно снижает требования к теплоотводу от модуля по сравнению с исходным вариантом, когда нагрузка не разделена.

Кратковременный провал напряжения во время переднего фронта нагрузки с 8 В до 7,3 В и соответствующую ему нелинейность мощности нагрузки можно учитывать в математических расчётах и вносить в них необходимую коррекцию.

Вот так, в очередной раз мы продемонстрировали себе и потребителю, что, во-первых, импульсные нагрузки целесообразно разбивать на группы и питать каждую группу от отдельного источника, а во-вторых, в большинстве таких приложений однозначное преимущество имеет вариант питания нагрузки без усреднения импульсной мощности.