Основные потери внутри импульсного источника питания с ШИМ

November 13, 2011 by admin Комментировать »

Для того чтобы увеличить КПД импульсного источника питания, необходимо идентифицировать и приблизительно измерить различные потери. Потери внутри импульсного источника питания можно грубо разбить на три категории: потери переключений, потери на электропроводность, статические и резистивные потери. Эти потери обычно возникают в комбинации друг с другом внутри "дырявых" компонентов, а обрабатываются раздельно.

В табл.3.3 раздела 3.4 были даны некоторые характеристики мест возникновения и значений потерь. Перечисленные в этой таблице потери имеют отношение к базовым импульсным источникам питания с ШИМ без приложения каких-либо усилий для того, чтобы увеличить их КПД. Следовательно, указанные значения КПД можно рассматривать как базовые для конкретной топологии. Области, в которых возникают основные потери, можно обнаружить в узлах переменного тока внутри секции питания. В одном или нескольких узлах, в зависимости от того, используется или нет изолирующий трансформатор, можно обнаружить переходные процессы при переключении и состояния проводимости ключе и выпрямителей. Наиболее информативным узлом переменного тока является сток или коллектор ключа. Вторым наиболее важным узлом переменного тока является анод выходного выпрямителя. Эти узлы будут в центре нашего внимания при работе по увеличению КПД импульсных источников питания.

Потери, связанные с ключом

Ключ является одним из двух наиболее значительных источников потерь внутри типичного импульсного источника питания. Потери можно разбить, в основном, на две категории: потери на электропроводность (conduction losses) и потери переключений (switching losses). Потери первого типа возникают, когда ключ находится в замкнутом состоянии после стабилизации колебаний управления и переключения. Потери переключения происходят, когда ключ переходит в новое рабочее состояние. Колебания управления и переключения возникают в переходном состоянии. Эти периоды и их типичные формы волны показаны на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Потери на ключе

Потери на электропроводность (t2) вычисляются как произведение напряжения на контактах ключа и протекающего через него тока. Эти сигналы обычно практически линейны, и потери мощности в этот период можно вычислить по формуле:

РD(conduct) J^sat ‘ -^sat

(4.1)

Для управления этими потерями обычно пытаются минимизировать падение напряжения на ключе в период времени его замыкания. Для этого проектировщик должен ввести ключ в состояние насыщения. Такие состояния представлены формулами (4.2). Они идентифицируются перевозбуждением базы или затвора таким образом, что ток через коллектор или стока управляются внешними элементами, а не самим ключом.

Потери переключения во время переходных процессов ключа более сложны как по своей природе, так и по своему вкладу. Колебания, демонстрирующие потери, можно увидеть только с помощью осциллографа с зондом напряжения, подключенным к контактам стока и истока (коллектора и эмиттера) и токовым зондом, замеряющим ток через сток (коллектор). Метод определения величины потерь в период всех переходных процессов при переключении должен быть тщательно исследован с помощью зондов с экранированными кабелями и короткими соединительными проводами. Это связано с тем, что неэкранированные провода воспринимают помехи, излучаемые другими частями источника питания, и, таким образом, неточно представляют форму волны. После получения четких сигналов можно аппроксимировать площади под обеими кривыми как сумму элементарных площадей простых треугольников или прямоугольников. Например, потери на замыкание на рис. 4.1 можно записать в виде следующей формулы:

Этот результат (в ваттах) справедлив только для периода переходных процессов при замыкании ключа. Для получения общих потерь внутри ключа к результату формулы (4.3) следует добавить потери на размыкание ключа и потери ан электропроводность.

Потери, связанные с выходным выпрямителем

Потери на выходном выпрямителе составляют от 40 до 65% общих потерь внутри типичного импульсного источника питания с асинхронным выпрямлением. По этой причине содержание данного подраздела очень важно. Формы волны, имеющие отношение к выходному выпрямителю, представлены на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Потери на выпрямителе

Потери на выпрямителе опять-таки можно разбить на три периода: потери на включение, потери на электропроводность и потери на выключение.

Потери на электропроводность происходят, когда колебания напряжения и тока стабилизируются, и выпрямитель находится в состоянии проводимости. Эти потери контролируются путем выбора выпрямителя с самым низким падением прямого напряжения для заданного рабочего тока. Диоды с р-п-переходом имеют более плоскую вольтамперную характеристику в прямом направлении, но характеризуются довольно большим падением напряжения (0,7-1,1 В). У диодов Шотки более низкое напряжение "излома" (0,3-0,6 В), но у них более резистивная вольтамперная характеристика. Это означает, что, по сравнению с p-n-диодами, прямое напряжение при больших токах возрастает более существенно. Количество потерь можно вычислить таким же способом, какой продемонстрирован в формуле (4.3), разбив участки переходных процессов на элементарные прямоугольные и треугольные области, которые затем используются для подсчета потерь в этот период.

Анализ потерь переключения выходного выпрямителя значительно более сложен. Внутреннее поведение самого выпрямителя является источником проблем внутри локальных цепей.

В момент включения переходные процессы контролируются характеристикой прямого восстановления выбранного выпрямителя. Время прямого восстановления (^йт) — это время, требуемое диоду, чтобы начать проводить прямой ток после подачи на его выводы прямого напряжения. Для p-n-диодов с накоплением заряда это время может составлять от 5 до 15 не. Выпрямители на диодах Шотки могут иногда давать более длительную характеристику прямого восстановления из-за высоких емкостей их внутреннего перехода. Хотя эти потери и незначительны, они могут создавать другие проблемы внутри источника питания. В период прямого восстановления индуктор или трансформатор имеют незначительный импеданс нагрузки, поскольку ключ разомкнут, и цепь выпрямителя продолжает оставаться разомкнутой. Это позволяет любой сохраненной энергии создавать "звон" в форме волны до тех пор, пока выпрямитель, наконец, не начнет проводить прямой ток и не зафиксирует электрический сигнал.

Во время переходных процессов выключения поведение выпрямителя определяется характеристикой обратного восстановления. Для p-n-диодов она обусловлена носителями, перехваченными внутри р-п-перехода, когда к контактам диода прикладывается обратное напряжение. Эти носители, имеющие ограниченную подвижность, должны изменить направление и покинуть р-п-переход с той стороны, с которой они первоначально поступили. Это выглядит так, как будто после подачи обратного напряжения через диод протекает обратный ток. Связанные с этим потери могут быть значительными, поскольку обратное напряжение может быстро подняться до очень высоких уровней прежде, чем заряд полностью уйдет из области р-п-перехода. Обратный ток может быть также отражен через любой силовой трансформатор и добавлен к потерям внутри ключа во время переходного процесса замыкания. Он может выглядеть как всплеск тока в период замыкания ключа (см. рис. 4.1).

Явление, подобное обратному восстановлению, может также возникать в выпрямителях на высоковольтных диодах Шотки. Это обусловлено не носителями, а высокой емкостью р-п-перехода, характерной для этого типа диодов Шотки. Высоковольтные диоды Шотки относятся к диодам с обратным напряжением пробоя свыше 60 В.

Потери, связанные с конденсаторами фильтров

Конденсаторы входного и выходного фильтров не являются значительными источниками потерь в импульсном источнике питания, хотя и могут существенно влиять на его эксплуатационную долговечность. Некорректно выбранные входные конденсаторы могут привести к тому, что источник питания будет вести себя так, как будто его КПД ниже реального значения.

Каждый из конденсатор имеет небольшое последовательное сопротивление и индуктивность, зависящее от емкости конденсатора. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) являются паразитными элементами, обусловленными конструкцией конденсатора. Оба этих элемента стремятся изолировать внутреннюю емкость конденсатора от сигнала на его контактах. Следовательно, конденсатор будет иметь лучшие характеристики по постоянному току, но хуже работать на частоте переключения источника питания.

Входные и выходные конденсаторы являются только источниками (или приемниками) высокочастотных токов, создаваемых ключом или выходным выпрямителем. Так, изучив форму волны этих токов, можно точно определить силу токов, протекающих через ESR таких конденсаторов, что неизбежно приводит к внутреннему нагреванию. Главная задача при проектировании конденсаторов фильтров заключается в обеспечении поддержания внутреннего нагревания конденсатора на достаточно низком уровне, который гарантировал бы заданную долговечность источника питания.

Вычисление действительных потерь мощности, создаваемых ESR конденсатора, выполняют по формуле:

Здесь проблемы вызывает не только резистивная часть модели конденсатора. Если печатная плата скомпонована асимметрично между параллельно включенными конденсаторами, то индуктивность дорожек приведет к несбалансированному нагреванию конденсаторов и уменьшит долговечность самого горячего конденсатора.

Статические потери

Статические потери связаны со всеми функциями, требуемыми для работы схем питания. Это — все цепи, связанные с микросхемой контроллера и любыми цепями обратной связи где-либо в источнике питания. Статические потери обычно невелики по сравнению с другими потерями внутри источника, но их также можно проанализировать, чтобы внести какие-нибудь улучшения.

Первая схема, которая может "съесть" значительную часть мощности,— это схема запуска. Здесь постоянный ток обусловлен входным напряжением, так что схемы управления и драйвера получают достаточно энергии для запуска источника питания. Если схема запуска не останавливает ток после успешного запуска, то, в зависимости от входного напряжения, внутри этой схемы может постоянно рассеиваться до 3 Вт мощности.

Вторым значительным источником потерь является схема драйвера ключа. Для мощных биполярных транзисторов, используемых в качестве ключей, ток управления базой должен быть больше, чем максимальный ток стока, деленный на коэффициент усиления (/jfe) транзистора. Типичный коэффициент усиления мощных транзисторов находится в диапазоне 5-15. Это означает, например, что при максимальном токе 10 А требуется ток, протекающий через базу, в пределах 0,66-2,0 А. Управляющее напряжение между базой и эмиттером составляет 0,7 В и, если этот ток не обусловлен напряжением, очень близким к указанной величине, то будут получены значительные потери.

Мощными полевыми МОП-транзисторами можно управлять с меньшими потерями, чем мощные биполярные транзисторы. К контакту затвора МОП-транзистора подключены два эквивалентных конденсатора: между затвором и истоком (C1SS) и между истоком и стоком (Crss). Потери, которые дает драйвер затвора полевого МОП-транзистора, создаются из-за зарядки конденсаторов затвора от дополнительного напряжения для перевода транзистора в проводящее состояние, а также при разрядке этих конденсаторов на землю при запирании МОП-транзистора. Формула для вычисления потерь драйвера затвора имеет следующий вид:

Единственное, что можно сделать с этими потерями, — выбрать полевой МОП- транзистор с низкими значениями C1SS и Crss и по возможности низким максимальным напряжением управления затвором.

Потери, связанные с магнитными компонентами

Эта область очень сложна для среднего инженера-проектировщика из-за необычной природы терминологии магнетизма. Описываемые далее потери изготовители сердечников обычно представляют в графической форме, которую очень легко использовать. Мы рассматриваем эти потери для того, чтобы понять их природу.

Существует три основные потери, связанные с трансформаторами и индукторами: гистерезисные потери, потери от вихревых токов и резистивные потери. Эти потери следует контролировать при проектировании и конструировании трансформатора или индуктора.

Гистерезисные потери

Гистерезисные потери определяю, насколько большая площадь внутри кривой намагничивания охватывается в течение каждого рабочего цикла (см. рис. Г.З из Приложения Г). Площадь, охватываемая частной петлей (minor-loop), соответствует количеству работы, требуемой для приложения силы к магнитным доменам внутри сердечника, чтобы некоторые из них остались переориентированными (остаточная магнитная индукция). Чем больше площадь охвата, тем выше гистерезисные потери. Эти потери определяются выражением (4.6):

где: кь — постоянная гистерезисной потери для данного материала; Vc — площадь сердечника, см2; /sw — частота переключений, Гц; В,тх — максимальное отклонение рабочей магнитной индукции.

Как видно из этой формулы, потери пропорциональны частоте работы и квадрату максимальной рабочей магнитной индукции (5тах). Хотя эти потери не столь существенны, как потери внутри ключа и выпрямителей, они могут превратиться в проблему, если с ними надлежащим образом не разобраться. При частоте 100 кГц ВтаХ должно составить около 50% магнитной индукции насыщения материала (£sat). При частоте 500 кГц Впт должно быть не более 25% от 5sat, а при частоте 1 МГц Дшх должно составлять примерно 10% от Bsat. Эти оценки основаны на поведении ферритового материала, обычно используемого в импульсных источниках питания (ЗС8 и т. п.).

Потери от вихревых токов

Потери от вихревых токов значительно меньше, чем гистерезисные потери, но значительно возрастают при повышении рабочей частоты. Это видно из представленной ниже формулы:

I

где кс — постоянная потерь от вихревого тока для данного материала.

Вихревые токи (eddy current) — это круговые токи, индуцируемые в обширных областях внутри жил окружающих проводов и структур из-за присутствия сильных магнитных полей. Для уменьшения таких потерь обычный разработчик может сделать совсем немного.

Резистивные потери

Резистивные потери связаны с сопротивлением обмоток трансформатора или индуктора. Существует две формы резистивных потерь: по постоянному току и скин-эффекта. Резистивные потери по постоянному току представляют собой произведение сопротивления некоторого отрезка провода в обмотке и квадрата значения RMS формы волны тока. Скин-эффект (skin-effect) — это эффективное увеличение сопротивления провода из-за "выталкивания" тока от центра провода к его поверхности под действием сильных магнитных полей переменного тока. Ток протекает по меньшей площади поперечного сечения, что выглядит как уменьшение диаметра провода. Две описанные выше формы резистивных потерь объединены в следующем уравнении:

где: тг — отношение сопротивления по переменному току к сопротивлению по постоянному току; rDc — сопротивление проволоки по постоянному току, Ом; fsw — частота переключений, Гц; иТ — относительная магнитная проницаемость материала провода; rm — удельное сопротивление материала проводника.

Одножильный провод можно заменить трубчатым с толщиной стенки, определяемой по формуле:                            

Индуктивность рассеяния (представленная небольшим индуктором расположенного последовательно с обмоткой) приводит к тому, что некоторая часть магнитного потока не взаимодействует с сердечником, а уходит в окружающий воздух и материалы. Его поведение не управляется трансформатором или индуктором, поэтому любой вносимый в обмотку импеданс, о котором идет речь, не влияет на поведение индуктора рассеяния.

Индуктивность рассеяния приводит к проблеме, поскольку она перехватывает энергию, которая не передается на нагрузку и приводит к "звону" внутри окружающих компонентов. Значение индуктивности рассеяния, проявляемой обмоткой, контролируется физической конструкцией трансформатора или индуктора. Оно варьирует от устройства к устройству, но приближается к номинальному.

Рассмотрим некоторые обобщенные эмпирические правила. К снижению индуктивности рассеяния, наблюдаемой в обмотке, приводят: • физическое удлинение обмотки;

•                уменьшение физического расстояния до сердечника;

•                использование методик тесного взаимодействия обмоток;

•                использование сходного коэффициента трансформации (т. е. близкого к 1:1).

Для типичного сердечника типа "Ш-Ш", используемого в преобразователях постоянного тока, можно ожидать индуктивность рассеяния в пределах 3-5% индуктивности обмотки. В автономных преобразователях утечка, проявляемая первичной обмоткой, может достигать 12% индуктивности обмотки, если трансформатор должен строго соответствовать требованиям норм безопасности. Пленка, необходимая для изоляции обмоток, делает их короче и отодвигает от сердечника и друг от друга.

Как будет показано далее, паразитные потери, обусловленные индуктивностью рассеяния, можно обуздать.

В случае использования магнетиков постоянного тока, где-нибудь вдоль линии магнитной индукции сердечника обычно требуется воздушный зазор. В ферритовых сердечниках этот зазор расположен в центральном стержне сердечника. Магнитный поток исходит из одного конца сердечника и течет по направлению к противоположному концу. При этом поток отталкивает сам себя, в результате чего линии магнитной индукции "выпячиваются" в сторону от осевой линии сердечника. Наличие воздушного зазора создает область большой напряженности магнитного поля, которая может привести к возникновению внутри смежных проводов или внутри ближайших к сердечнику металлических структур вихревых токов.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты