Силовая электроника: от простого к сложному

Б. Ю. Семенов
Б. Ю. Семенов
Силовая электроника:
от простого к сложному
Импульсные источники электропитания
Перспективная элементная база
Основы инженерного проектирования
Практические конструкции
Необходимая информация на виртуальном CD-ROM
2-е издание, исправленное
Издание 3-е, стереотипное
Москва
СОЛОН-ПРЕСС
2015
2023

УДК 621.38
ББК 32.85
С30
С30
Á. Þ. Ñåìåíîâ. Силовая электроника: от простого к сложному. —
2-е изд., испр. — М.: СОЛОН-Пресс, 2015. — 416 с.: ил.
Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого  к сложному. Издание 3-е, стереотипное. — М.: СОЛОН-Пресс, 2023. — 416 с.: ил. 
ISBN 978-5-91359-148-7
ISBN 978-5-91359-468-6
Силовая электроника — стремительно развивающееся направление техники,
целью которого является снижение масс и габаритов устройств питания электронной аппаратуры и электродвигателей. Сегодня уже невозможно представить компьютер, видеокамеру, DVD-проигрыватель, телевизор без компактного и надежного
импульсного источника. К сожалению, в последние годы наметился острый дефицит литературы на эту тему. Второе издание книги в значительной степени переработано и дополнено. Доступным языком рассказывается об основах проектирования
импульсных устройств электропитания, о перспективной элементной базе, особенностях ее применения и оптимальном выборе, приведены практические конструкции. Подробно рассказано о «трудных вопросах» и «подводных камнях» схемотехники. Затронуты также нетрадиционные направления, как, например, создания высокочастотных балластов для ламп дневного света и электронных корректоров
коэффициента мощности. Книга будет полезна специалистам-разработчикам силовой техники, студентам вузов, специалистам-ремонтникам и радиолюбителям.
На прилагаемом к книге виртуальном компакт-диске помещена техническая
документация на силовые элементы (транзисторы и диоды), микросхемы управления различными импульсными преобразователями, магнитопроводы моточных изделий, бесплатное программное обеспечение для автоматизированной разработки.
Кроме этого, имеются печатные платы в формате Sprint Layout 3.0 ко всем практическим конструкциям. Авторская страница в Интернете находится по адресу
http://www.radioland.mrezha.ru.
Ссылка на Диск размещена на странице данной книги сайта издательства.
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «СОЛОН-Пресс»
123001, г. Москва, а/я 82
Сайт издательства СОЛОН-Пресс: www.solon-press.ru.
E-mail: solon-avtor@solon-press.ru
Телефоны:(495) 617-39-64, (495) 617-39-65
E-mail: kniga@solon-press.ru,
www.solon-press.ru
ISBN 978-5-91359-468-6
2023
ISBN 978-5-91359-148-7
© Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2015
© Семенов Б. Ю., 2015
Семенов Б. Ю., 2023

Посвящаю эту книгу
Моей бабушке
Надежде Кузьминичне Спрогис
К читателям
Эта книга — не учебник, не справочник и не научно-исследовательская монография. Она написана инженером-практиком на основании личного опыта и призвана помочь неискушенному читателю
по возможности быстро и не утомительно разобраться в принципах
работы импульсных устройств электропитания, «включиться» в область проектирования устройств силовой электроники.
Несколько слов об истории появления «Силовой электроники»
специально для тех, кто не держал в руках ее первое издание. Идея написать эту книгу возникла после продолжительного общения в Интернете с коллегой-радиолюбителем, задумавшим сделать импульсный
сварочный аппарат. Однажды коллега с досадой сообщил, что при очередном испытании «сварочника» сгорел комплект дорогих транзисторов, и тут же прислал схему с просьбой обсудить использованные технические решения. Так завязалась долгая плодотворная техническая
переписка, в продолжение которой приходилось порой отвечать на
элементарные, но все-таки важные вопросы. Позже к переписке подключились еще несколько радиолюбителей. Вопросы людей, живущих
не то что в разных городах, а в разных странах, совпадали с поразительной точностью!
Первое издание книги «Силовая электроника для любителей и профессионалов» [1] вышло в издательстве «Солон-Пресс» в 2001 году.
Время, прошедшее с момента появления книги на прилавках магазинов, показало, что «Силовая электроника» нашла своего читателя, причем не только среди радиолюбителей, интересующихся вопросами импульсного электропитания. Живой интерес к книге был проявлен профессиональными
разработчиками
изделий
электронной
силовой
преобразовательной техники и студентами технических вузов. А после
того как автор открыл свой сайт [2] в Интернете, на его электронный
адрес буквально обрушился шквал самых разных читательских писем,
не иссякающий до настоящего момента. Кто-то благодарил «за науку»,
кто-то спрашивал совета, иные сожалели о том, что та или иная инте

К читателям
ресная тема не нашла отражения на страницах. Вот несколько коротких выдержек из читательской почты:
...Уже около года ваша книга — любимая и настольная.
Дмитрий Петров, г. Орел
...Книга, в которую «ныряю», обычно утыкана закладками. «Силовая
электроника» — такая книга. Буду рад видеть ее 2-е издание.
Стрыгин М. А., г. Краснодар
...Запоем прочитал книгу про импульсные источники.
Грудовик И.
...Хочу искренне поблагодарить автора: книга стала «информационным
бестселлером» по компенсации пробелов в специальных знаниях.
Александр, г. Киев
...Спасибо за книгу и ту информацию, которую вы в нее поместили. Жалко,
что объем маловат и все так кратко.
Armi
Приобрел вашу полезную книгу, но не нашел в ней ничего по резонансным
источникам питания.
Алексей Журавлев
Хотя я в радиолюбительстве и конструировании импульсных блоков питания
не новичок, тем не менее удалось почерпнуть кое-что новое. Спасибо за ценное
пособие для радиолюбителей.
Станислав Косенко, г. Воронеж
Встречалась в письмах и критика, порой весьма жесткая. Все это, а
также катастрофическая нехватка времени, лишающая автора возможности отвечать обстоятельно на все читательские письма, подтолкнула
к мысли, что необходимо продолжить разговор на страницах второго
издания книги, значительно обновленного и дополненного. Тем более
что импульсная техника, техника современного электропитания входит
в сферу и радиолюбительских, и профессиональных авторских интересов, а значит, уже накопилось много нового материала, которым хочется поделиться.
Тот, кто хоть раз сталкивался в жизни с силовой техникой — в качестве разработчика или ремонтника, знает, что эта область электроники рождает массу кажущихся неразрешимыми вопросов. Силовая импульсная техника не прощает ошибок, не дает времени на «разбор полетов» — один неверный шаг, и она сгорает, как новогодняя хлопушка.
Здесь вновь хочется привести цитату из книги П. Хоровица и У. Хилла
[3]: «Импульсные источники сложны и хитроумны с точки зрения на

К читателям
5
дежности. Необходимы специальные индуктивности и трансформаторы. Наш совет — откажитесь от их проектирования, покупайте то, что
вам нужно!» Действительно, пару десятков лет назад этот совет был
весьма актуален. Теперь же, с появлением принципиально новых электронных компонентов, задача проектирования импульсных источников упростилась настолько, что даже радиолюбители смогут получить
хорошие результаты в своей домашней лаборатории. Однако и при современном уровне развития силовой элементной базы проектирование
импульсного источника остается «задачей со многими неизвестными».
Достаточно трудно протекает знакомство с импульсной техникой у
молодых профессиональных разработчиков. Современный стиль работы в конструкторских бюро дает минимум времени молодому специалисту на «раскачку», на освоение предмета работы, почти сразу заставляет «впрягаться» в серьезный производственный процесс, сразу же
рисовать работающие и надежные схемы. В условиях же конкуренции,
когда опытом просто так не делятся или, в крайнем случае, делятся за
определенную оплату, основным источником повышения профессионального уровня становятся книги.
Проведя достаточно подробное библиографическое исследование,
автор с горечью отмечает: большинство отечественных книг по силовой электронике, изданных более десятка лет назад, либо рассчитаны
на опытного читателя, либо потеряли актуальность. Сведения, содержащиеся в них, как правило, трудны для понимания начинающими
разработчиками и радиолюбителями. Иностранные издания в этом отношении выглядят лучше, но далеко не все смогут их разыскать, далеко
не все владеют иностранными языками.
Однако нельзя сказать, что современная отечественная техническая литература обходит стороной область силовой электроники. Лучшее современное отечественное издание [4], вышедшее в 2000 году, к
сожалению, страдает теми же «болячками», которыми страдают книги
10—20-летней давности: основное внимание уделяется проектированию на основе мощных биполярных транзисторов. Но в целом по стилю изложения книга заслуживает внимания современного читателя.
Очень много актуальных публикаций, как чисто теоретических, так
и рекомендующих готовые для повторения конструкции, «рассыпано»
в профессиональных и радиолюбительских журналах. Конечно, журнальные публикации не слишком удобны в быстром современном
мире — они имеют свойство «проходить», забываться, и потом стоит
затратить немало усилий, чтобы найти нужную статью. Столкнувшись
с подобными проблемами, автору ничего не оставалось, как написать
собственную книгу, в которой собрать передовой мировой опыт разра

К читателям
ботки силовой электронной техники, в какой-то мере снять проблему
дефицита актуальной литературы. В книге, кроме того, удалось поместить много полезных специальных сведений, которые едва ли можно
найти в учебниках.
Лучшим изданием прошлых лет, посвященным проектированию
импульсных источников, автор и по сей день считает книгу [5]. Она
была издана в 1985 году и за прошедшие годы во многом не потеряла своей актуальности. Из книг, в которых доступным языком изложена теория полевых приборов, на взгляд автора, лучшим остается
издание [6], переведенное на русский язык в 1985 году. Возможность
работы в сети Интернет открывает для радиолюбителей и профессионалов широкие возможности информационного поиска. Большинство ведущих мировых фирм имеет серверы, где можно бесплатно «скачать» информацию в электронном виде. Работают также сетевые конференции, в рамках которых возможно запросто пообщаться
с коллегами.
Работая над этой книгой, автор стремился построить материал так,
чтобы было интересно и радиолюбителям, имеющим небольшой практический опыт, и профессиональным разработчикам. Теория здесь перемежается с практическими конструкциями, доступными для повторения в домашних условиях. Автор приложил все усилия к тому, чтобы
теоретическая часть не казалась слишком сложной, но полностью отказываться от математических формул, графиков, аналитических рассуждений — значит оставить законы силовой электронной техники под
завесой тайны. Конечно, ни одна книга не сможет дать всеобъемлющие знания по качественному инженерному проектированию, но автор надеется, что ему удастся хотя бы немного приоткрыть для читателя эту завесу тайны над лабиринтами силовой электроники.
Б. Ю. Семенов
Март 2005 г.

Глава 1
Приглашение к разговору
Новая элементная база и перспективы ее применения
при конструировании изделий силовой электроники
Хотелось бы получить статью для нашего журнала «Электрическое
питание», лейтмотивом которой прозвучит описание путей развития устройств
силовой электроники в ХХI веке. Самое походящее название к этой статье:
«Схемотехника XXI века — почти детский конструктор».
Г. В. Сучков, главный редактор
Именно с такой просьбы главного редактора научно-технического
журнала, обращенной в адрес автора, и хочется начать первую главу
книги. Действительно, в нескольких словах предложенного названия
емко уместились все принципы сегодняшнего конструирования устройств силовой техники [7]. Обо всем этом мы поговорим с читателем — пока в общих чертах, описательно, подробнее, со схемами, формулами, практическими конструкциями — в последующих главах.
Помнится, еще в студенческие годы на радиотехнических лекциях
нам достаточно много рассказывали о перспективах развития электроники в ближайшие десятилетия. Особенно запомнился нарисованный
однажды график, отражающий динамику этого процесса. Так, согласно
общемировым прогнозам экспертов, в области разработки и производства любой электронной техники возрастает доля, приходящаяся на
электрорадиоэлементы (резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, микросхемы), на эти самые «кирпичики» электронных схем. Соответственно, падают объемы схемотехнических работ. Объемы, приходящиеся на разработку комплектующих, уже в первой четверти XXI
века должны составить порядка 90% от всех затрат, получаемых в процессе создания электронного изделия. Что же остается на долю 10 процентов? То, чем так любят заниматься и радиолюбители, и профессиональные инженеры-разработчики, а именно: выбор подходящих комплектующих, правильное их соединение в единую схему, отладка,
конструирование и... электронный прибор готов! Кто может поспорить
с тем, что всегда интересно работать на основе таких «кирпичиков», не

Глава 1. Приглашение к разговору
слишком задумываясь об их микроскопической начинке и технологии
производства.
Тенденция к сокращению объемов схемотехнических работ наблюдается практически во всех областях профессиональной разработки
электронных приборов, будь то техника связи, компьютерная, информационно-управляющая, измерительная или контрольная. Радиолюбители также стремятся сократить свои трудовые затраты, применяя
готовые «кирпичики». Яркий тому пример — стремительно растущая
популярность программируемых микроконтроллеров.
Можно также сказать, что силовая электроника не остается в стороне от общемировых процессов. Правда, в разных ее направлениях
разная ситуация. Наиболее серьезной унификации подверглась элементная база источников электропитания (ИВЭП) малой мощности
(единицы и десятки ватт), несколько хуже дело обстоит в области
ИВЭП с мощностями в сотни ватт. Мощные же источники питания
(мощность более киловатта) и сегодня, как правило, представляют собой довольно сложные уникальные конструкции, требующие индивидуального подхода к разработке. Чтобы обеспечить хорошие параметры
таких источников, необходима детальная проработка не только электронных схем, но также учет взаимного расположения элементов,
серьезное предварительное макетирование, разнообразные испытания.
Другими словами, мощные ИВЭП представляют собой класс электронных устройств с нетрадиционным подходом к схемотехнике. Тем
не менее и здесь в последнее время предпринимаются определенные
успешные попытки по созданию унифицированной элементной базы,
типовых схемных решений — по разработке все тех же «кирпичиков»...
Как показывает многолетний опыт, в наибольшей степени и профессионалов, и радиолюбителей интересуют источники питания малой
мощности, именно они потребляются разработчиками электронной
техники более других. Традиционные маломощные ИВЭП, которые
более полувека применяются для питания электронной техники, предельно просты. В основе их лежит трансформатор, рассчитанный на
промышленную частоту питающей сети 50 Гц, диодный выпрямитель,
регулирующий элемент (со схемой стабилизации или без нее) и фильтр
сетевых пульсаций (индуктивно-емкостной или емкостной). Десяток
элементов — собственно, вот и все, что нужно для такого источника.
Отсюда высокая надежность и простота ремонта. Но вместе с тем не
стоит забывать о множестве недостатков, среди которых: большая масса, значительные габариты, низкий коэффициент полезного действия
(КПД). Тем не менее ИВЭП на основе непрерывного принципа стабилизации продолжают широко использоваться как в промышленной,

Глава 1. Приглашение к разговору
9
так и в бытовой аппаратуре. Тематическое направление этой книги лежит в стороне от рассмотрения непрерывных стабилизаторов напряжения, поскольку литература об их устройстве и принципах работы имеется в достаточном количестве. Желающие познакомиться с основами
могут обратиться, например, к книге [8].
В 60-х гг. ХХ века на рынке вторичных источников питания появились импульсные стабилизаторы, работающие на высоких частотах
преобразования энергии (10 кГц и более) и обладающие лучшими показателями в отношении массы, габаритов, КПД. Основная «изюминка» в них заключается в том, что их элементы работают не в непрерывном, а в так называемом ключевом режиме, что позволяет значительно
уменьшить размеры индуктивных, емкостных и охлаждающих составных частей ИВЭП. Об этом мы будем говорить по ходу нашей книги
подробно.
Платой за преимущество импульсных источников питания стало
усложнение схем их построения, что привело к уменьшению показателей надежности, увеличило стоимость. Выявилось также несовершенство существовавшей на тот момент элементной базы — по своим характеристикам она просто не поспевала за схемотехническими предложениями. Диоды и транзисторы оказались слишком «медленными»,
сильно грелись и часто выходили из строя. Ограниченная номенклатура более-менее подходящих «кирпичиков» также стесняла разработчиков. Именно указанные обстоятельства породили большое количество
«загруженных» длинными формулами книг о схемотехнике таких
ИВЭП. Это не удивительно: инженерам приходилось пускаться на разные ухищрения, чтобы решить поставленные задачи, улучшить эффективность и надежность.
Примерно десятилетие назад на рынке компонентов силовой электроники произошла революция, воплотившая в жизнь самые смелые
идеи разработчиков 60-х годов. Ведущие мировые фирмы начали массовый выпуск комплектующих, по своим свойствам приближающихся
к идеальным. Появились специальные импульсные диоды с малым временем обратного восстановления, управляемые полупроводниковые
ключи (транзисторы MOSFET и IGBT), силовые полупроводниковые
модули, включающие в себя несколько согласованных по электрическим свойствам ключевых и неуправляемых (вспомогательных) элементов, драйверы для управления силовыми ключами, элементы защиты от опасных перенапряжений, микросхемы управления источниками
электропитания, комбинированные микросхемы, включающие в себя
силовые элементы и управление.
Сравнительно новыми устройствами, выполненными в интегральном исполнении, являются появившиеся на рынке корректоры коэффициента мощности с импульсным принципом действия, электронные

Глава 1. Приглашение к разговору
балласты для продления срока службы газоразрядных ламп дневного
света (ЛДС), преобразователи для управления электродвигателями с различными принципами действия (преобразователи для электропривода), интеллектуальные импульсные зарядные устройства для аккумуляторных батарей. Нестандартное использование силовых импульсных
устройств уже сейчас в значительной степени экономит электроэнергию.
Как и в прежние времена, остается открытым вопрос применения
готовых индуктивных элементов. В подавляющем большинстве случаев
их приходится разрабатывать индивидуально под каждую схему, а затем изготавливать. Но, к счастью, составные части этих изделий выпускаются в достаточном ассортименте. Некоторые изделия, как, например, фильтры радиопомех, уже сегодня продаются в виде готовых
модулей.
В рамках этой книги невозможно охватить все, что включает силовая электроника. Поэтому основное наше внимание будет уделено
стабилизаторам и преобразователям напряжения. Для них разработано
очень много микросхем, включающих в себя, как уже было сказано,
полноценные схемы управления с элементами обратной связи, силовыми ключами, схемами защиты от перегрузок и коротких замыканий
(КЗ). Такие микросхемы использовать очень просто — достаточно,
следуя рекомендациям производителя, подключить несколько навесных элементов. Как показывает анализ элементной базы, стабилизатор
с выходным током до 5 А обычно содержит интегральный ключевой
элемент, а в исполнениях на более высокие токи приходится предусматривать внешние силовые ключи.
Даже начинающие радиолюбители знают, что напряжение питания
радиоэлектронных устройств выбирается не произвольно, а приводится (как правило) к стандартному значению из ряда: 3,3; 5,0; 9,0; 12,0;
15,0; 18,0; 24,0; 27,0; 30,0 и т. д. Зная это, производители элементной
базы выпускают готовые импульсные стабилизаторы с разными мощностями, разными комбинациями напряжений. Разработчику электронного прибора остается только выбрать подходящее исполнение.
Иногда требуется иметь регулируемый источник питания или дистанционно включаемый. В таком случае тоже несложно подобрать микросхему с соответствующим функциональным назначением.
Разработаны и массово производятся микросхемы управления для
всех широко известных импульсных схем стабилизаторов и преобразователей: понижающих («buck converter», «чоппер»), повышающих
(«boost converter», «бустер»), инвертирующих («buck-boost converter»),
прямоходовых
(«forward
converter»),
обратноходовых
(«flyback
converter», «флай-бэк») однотактных стабилизаторов и преобразователей; двухфазных («push-pull», «пуш-пул»), полумостовых («half-bridge»),
полномостовых («full bridge») двухтактных конверторов. Встречаются