В устройствах преобразования постоянного напряжения на основе ШИМ в течение длительного периода времени наиболее широко используется структура прямоходового преобразователя напряжения с одним силовым ключом. Ее популярность основывается на многих показателях, включая низкую стоимость, простоту схемы и высокое значение КПД. В статье проведено сравнение вариантов структур прямоходовых преобразователей напряжения по значениям КПД и перенапряжения на транзисторе силового ключа
При использовании прямоходового преобразователя напряжения (ППН) постоянного тока необходимо обратить внимание на несколько аспектов, среди которых: обеспечение размагничивания сердечника, значение выбросов напряжения на транзисторе силового ключа, вызванные индуктивностью рассеяния трансформатора, а также пульсирующая форма входного тока.
Схема ППН с третьей обмоткой (ППН-ТО) приведена на рисунке 1а.
![]() | |
![]() | ![]() |
![]() | ![]() |
Для третьей обмотки и восстановительного диода VD3 необходимо обеспечить достаточное время восстановления, чтобы к окончанию каждого периода переключений магнитный поток трансформатора мог полностью восстановиться для предотвращения насыщения его сердечника.
Кроме того, из-за наличия трансформатора нельзя пренебрегать его индуктивностями рассеяния Lp1 и Lp3. Энергия, накопленная в индуктивности рассеяния за время линейного нарастания тока, не передается в нагрузку и не возвращается во время паузы. В результате в форме напряжения «сток-исток» (Uси) транзистора возникают выбросы и паразитные высокочастотные колебания (рисунок 1б). Поэтому, для исключения появления высоковольтного пробоя силового ключа необходимо использовать в этом качестве транзистор с более высоким допустимым значением напряжения «сток-исток». Несмотря на то, что такие транзисторы существуют, сопротивление «сток-исток» в открытом состоянии у них выше, что приводит к увеличению потерь на проводимость. Кроме того, не всегда оправданное использование ключа с более высокими допустимыми значениями напряжения повышает стоимость проектируемого преобразователя.
Обычно для поглощения выброса напряжения в схему преобразователя вводятся цепи с дополнительными элементами, например, цепь демпфера или фиксатора, либо применяются способы мягкого переключения. В результате в преобразователях напряжения с ШИМ индуктивность рассеяния намерено сводится к минимуму, чтобы избежать снижения значения КПД. Однако, при использовании методов резонансного переключения индуктивность рассеяния может быть и полезной.
В настоящее время не существуют ППН-ТО, в которых при использовании режима ШИМ значение КПД повышается за счет индуктивности рассеяния. Следовательно, требуется проведение дальнейших исследований по использованию индуктивности рассеяния в ППН-ТО, работающем в режиме ШИМ.
По природе структуры понижающего ППН-ТО его входной ток имеет - пульсирующую форму (рисунок 1г). Он создает высокочастотные электромагнитные колебания, которые путем излучения потенциально способные нарушить штатную работу находящихся вблизи цифровых устройств и коммуникационного оборудования. Снижение уровня таких излучений при проектировании ППН необходимо для удовлетворения требований отечественных и международных стандартов в части электромагнитной совместимости (ЭМС).
Поэтому становится обязательным применение режекторного фильтра, образованного паразитной индуктивностью внешней цепи электроснабжения (Lвх) и конденсатором Свх (рисунок 1а). При этом высокочастотный входной ток iCвх, возникающий в результате импульсного характера работы ППН, поступает от конденсатора входного фильтра, а не от источника электроэнергии. За счет этого интенсивность электромагнитных излучений существенно снижается.
Многие разработчики ППН в большей степени уделяют внимание другим проблемам, присущим этим преобразователям, таким, как насыщение сердечника трансформатора, выбросы напряжения на силовом транзисторе, и энергетические потери на переключение. Проблема, связанная с наличием пульсаций входного тока преобразователя ими практически игнорируется, а если и решается, то с использованием внешнего LC-фильтра.
В этой связи для ее решения выполнялись исследования, целью которых являлось нахождение комплексного решения задачи в части получения улучшенных рабочих характеристик ППН. В качестве начальной базы для проведения исследований была положена исходная информация о решении вышеперечисленных проблем в существующих ППН. На основе ранее полученных результатов и принципов решения этих задач были уточнены необходимые пути их решения. В итоге, для улучшения рабочих характеристик ППН в режиме ШИМ предложены способы уменьшения пульсаций входного тока и введения встроенного входного фильтра за счет использования ограничительного конденсатора и индуктивности рассеяния трансформатора.
Сравнение значений КПД и уровней перенапряжений ППН
Поскольку проблемы, связанные с насыщением сердечника трансформатора, выбросами напряжения и потерями на переключение, в принципе, были ранее решены разработчиками ППН назрела необходимость сосредоточить повышенное внимание улучшению рабочих характеристик в части уровня перенапряжения на силовом ключе и значения КПД преобразователя. Далее рассмотрим несколько схем ППН, включая преобразователи:
ППН с RCD-ограничителем (ППН-RCD)
Схема ППН-RCD приведена на рисунке 2. Его схема восстановления состоит из диода VD3, а также параллельно соединенных резистора Rогр и конденсатора Cогр, подключенных параллельно первичной обмотке трансформатора Тр1.
Рис. 2 Схема ППН - RCD
Таким образом, максимальное значение перенапряжения на силовом ключе (напряжение «сток-исток – Uси» равно сумме максимального значения входного напряжения и значения напряжения размагничивания
После запирания силового ключа S1 начинает проводить диод VD3 ограничительной цепочки. За счет этого обеспечивается отрицательное напряжение для размагничивания трансформатора Тр1, поступающее от конденсатора Согр. Преимущество схемы состоит в том, что при отсутствии размагничивающей обмотки трансформатора и дополнительного узла ограничителя, обеспечивается снижение стоимости трансформатора и защита силового ключа от выбросов напряжения.
Значение напряжения размагничивания Uразм. не зависит от значения входного напряжения U1,
| (1) |
| (2) |
и, следовательно, при широком диапазоне значений входных напряжений ППН-RCD предпочтительней, чем ППН-ТО.
Однако, необходимо отметить, что схема RCD-ограничителя не возвращает энергию рассеяния, накопленную в ограничительном конденсаторе. Наоборот, баланс заряда поддерживается резистором диссипативной ограничительной схемы, что приводит к снижению значения КПД преобразователя напряжения. Повышение этого значения за счет возврата энергии рассеяния может быть достигнуто в прямоходовом преобразователе напряжения с активным ограничителем ППН-АО.
ППН с активным ограничителем (ППН-АО)
Схема прямоходового преобразователя напряжения с активным ограничителем (ППН-АО) приведена на рисунке 3.
Рис. 3 Схема ППН - АО
Дополнительный ключ (Sд) применен вместо диода и резистора в схеме ППН-RCD, чтобы иметь возможность возвращать энергию рассеяния.
| (3) |
Напряжение на ограничительном конденсаторе UСогр обеспечивает напряжение размагничивания во время запертого состояния силового ключа S1. Это напряжение можно определить из вольт-секундного баланса трансформатора
где D – коэффициент заполнения; n – коэффициент трансформации.
Напряжение размагничивания снижается по мере уменьшения рабочего коэффициента заполнения при постоянном выходном напряжении вследствие повышения входного напряжения. При этом напряжение на силовом ключе (напряжение «сток-исток – Uси») можно определить с помощью следующего выражения:
| (4) |
Поскольку входное напряжение увеличивается при уменьшении рабочего коэффициента заполнения, напряжение сток-исток силового ключа остается примерно постоянным при определенном входном напряжении. Следовательно, такая схема размагничивания позволяет обеспечить в установившемся режиме наименьшее перенапряжение на силовом ключе.
Вместо рассеяния, как в случае ППН-RCD, в ППН-АО энергия, накопленная в индуктивности рассеяния трансформатора, рекуперирует во входной источник. Таким образом, снижаются потери мощности, а силовой ключ защищен от бросков напряжения. Кроме того, по причине баланса заряда конденсатора ограничителя магнитный поток трансформатора в первом и третьем квадрантах практически симметричен. Следовательно, такая структура обеспечивает наиболее полное использование трансформатора.
Такой преобразователь имеет значение КПД на 5% выше, чем ППН-RCD, а перенапряжение на силовом транзисторе у него меньше.
ППН с переключением при нуле напряжения и активным ограничителем (ППН-ПНН-АО)
Для обеспечения переключения при нуле напряжения (ПНН) энергия, накопленная в индуктивностях рассеяния (Lp) и намагничивания (Lнм) должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить потребности по емкостной энергии выходных емкостей МДП-транзистора
| (5) |
где Срез – полная резонансная емкость, а комбинация двух выходных конденсаторов МДП-транзистора - включена параллельно емкости первичной обмотки трансформатора. Ток намагничивания (iнм) всецело зависит от конструкции трансформатора и является функцией магнитной проницаемости ферритового материала и числа витков. На индуктивность рассеяния влияют конструкция и способ намотки обмотки, а выходной ток приведен к первичной стороне. При малой нагрузке энергия рассеяния будет стремиться к нулю. Следовательно, наиболее существенное влияние на ПНН оказывает энергия индуктивности намагничивания.
Таким образом, ПНН в ППН-ПНН-АО может быть обеспечено просто с помощью введения воздушного зазора в сердечник трансформатора для уменьшения индуктивности намагничивания и увеличения максимального значения тока намагничивания.
Ценой обеспечения ПНН является увеличение потерь на проводимость в силовом ключе. Потери в первичной стороне ППН-ПНН-АО примерно на 35% больше, чем в ППН-АО.
ППН-ПНН-АО имеет следующие достоинства:
Снижение потерь на переключение не может скомпенсировать увеличение потерь на переключение при пониженном значении входного напряжения. В отличие от ППН-АО увеличение значения КПД происходит только при значении входного напряжения, превышающем номинальное. Еще одно исследование значений КПД для автономных устройств показывает зависимость, приведенную на рисунке 4, из которого можно сделать вывод о том, что ППН-АО имеет хорошие характеристики по значению КПД, а для ряда устройств мягкое переключение является необязательным.
Рис. 4 Сравнение значений КПД ППН-АО и ППН-АО-ППН при использовании в автономных устройствах
Многорезонансный преобразователь напряжения с переключением при нуле напряжения (МРП-ПНН)
Схема МРП-ПНН показана на рисунке 5. Такой преобразователь был предложен для обеспечения оптимальной характеристики мягкого переключения всех полупроводниковых компонентов силовой части схемы. В резонансную цепь входят все основные паразитные компоненты схемы, включая выходную емкость МДП-транзистора, емкость р-n перехода диода, а также индуктивность рассеяния. ПНН МДП-транзистора и диода обеспечиваются за счет формирования на них таких форм напряжений, чтобы перед отпиранием напряжение на силовых компонентах было равно нулю.
Рис. 5 Схема МРП-ПНН
Однако, за счет обеспечения резонанса выходной емкости силового ключа перенапряжение на силовом ключе в 3–4 раза превышает входное напряжение. Это ограничивает применение несимметрично нагруженного МРП-ПНН в автономных устройствах. Более того, потери на проводимость МДП-транзистора также увеличиваются при использовании компонентов с более высокими допустимыми напряжениями.
Прямоходовой МРП-ПНН имеет присущий ему собственный механизм размагничивания вследствие взаимодействия индуктивности намагничивания и конденсатора Ср, расположенного на вторичной стороне. Значение вольт-секунд на конденсаторе Ср равно значению вольт-секунд, приложенных к трансформатору. Если в один период переключений вольт-секунды сети, приложенные к трансформатору положительны, это вызовет возрастание тока намагничивания, что приведет к еще большему отрицательному заряду конденсатора в течение следующего периода переключений. А это, в свою очередь, приведет к снижению тока намагничивания. Такой автоматический механизм размагничивания устраняет потребность во внешнем узле размагничивания.
Несмотря на то, что в МРП-ПНН обеспечивается переключение при нуле напряжения, значение его КПД недостаточно высоко по сравнению с ППН-АО по следующим причинам:
Еще одним недостатком является постоянное время запертого состояния транзистора, что затрудняет оптимизацию магнитных компонентов.
МРП-ПНН с режимом ограничения (МРП-ПНН-РО)
Схема МРП-ПНН-РО приведена на рисунке 6.
Рис. 6 Схема МРП-ПНН-РО
Свойства схемы МРП-ПНН-РО существенно улучшаются за счет применения схемы мягкого переключения с активным недиссипативным ограничителем. Ограничение напряжения осуществляется путем введения параллельно силовому МДП-транзистору S1 последовательной цепи, состоящей из активного ключа Sд и конденсатора С1 таким образом, чтобы напряжение на силовом ключе ограничивалось на более низком уровне. Активный ключ S1 также переключается при нуле напряжения за счет того, что перед его отпиранием обратный диод работает в проводящем режиме. Поскольку перенапряжение на силовом ключе снижается, эта схема более предпочтительна, чем МРП-ПНН.
Основные проблемы разработки ППН-АО
Среди разработчиков ППН существует мнение, что при некорректной разработке ППН-АО может возникнуть ряд проблем, связанных с избыточным перенапряжением, насыщением трансформатора или обратным восстановлением диода схемы активного ограничителя.
В частности, если перед изменением входного напряжения ППН-АО работает с большим коэффициентом заполнения, а магнитный поток сердечника трансформатора сбалансирован, то Uвх D = UCогр (1 –D). Поскольку при изменении входного напряжения коэффициент заполнения и напряжение на конденсаторе ограничителя UCогр мгновенно измениться не могут, баланс вольт-секунд нарушается, т. е. Uвх D > UCогр (1–D). В результате после изменения входного напряжения ток намагничивания трансформатора начинает возрастать. Увеличенная энергия намагничивания заряжает конденсатор, что приводит к повышению напряжения на конденсаторе ограничителя. Этот переходной процесс продолжается до тех пор, пока напряжение UCогр не достигнет величины, при которой произведение вольт-секунд не приведет к неравенству Uвх D < UCогр (1 – D), и ток намагничивания не начнет уменьшаться. Описанный процесс изменения напряжения на конденсаторе ограничителя можно рассматривать как колебательную характеристику резонансного контура, образованного конденсатором ограничителя и индуктивностью намагничивания трансформатора.
Кроме избыточного перенапряжения на силовом ключе первичной стороны и/или насыщения сердечника трансформатора это может привести к отпиранию положительным током намагничивания внутреннего диода дополнительного ключа Sд в тот момент, когда отпирается основной ключ S1. Как следствие, преобразователь может выйти из строя из-за образования низкоимпедансного пути протекания тока через конденсатор ограничителя, внутренний диод дополнительного ключа Sд и основной ключ S1.
Выводы
1. ППН-RCD имеет самое низкое значение КПД вследствие рассеяния энергии, накопленной в индуктивности рассеяния.
2. Наибольшее значение перенапряжения на силовом ключе наблюдается у традиционных МРП (может превышать значение напряжения электропитания до четырех раз).
3. ППН-АО имеет наилучшие характеристики – наименьшее значение перенапряжения на силовом ключе и наибольшее значение КПД. ППН-АО имеет следующие преимущества:
Однако, в отличие от остальных структур ППН для реализации ППН-АО требуется большее число электронных компонентов, дополнительный высоковольтный ключ ограничителя на МДП-транзисторе и драйвер с гальванической развязкой и переменным коэффициентом заполнения для управления силовым ключом.