Выбор топологии импульсного источника питания с ШИМ

November 2, 2011 by admin Комментировать »

Главное решение, которое должно быть рассмотрено в начале проектирования импульсного источника питания, заключается в выборе базовой топологии. Термин "топология" относится к размещению компонентов питания в проекте импульсного источника питания. Такое размещение имеет большое влияние на то, в какой среде сможет благополучно функционировать источник, и сколько мощности он сможет обеспечить для нагрузки. Это тот момент в процессе проектирования, когда нужно найти компромисс между стоимостью и рабочими характеристиками. Каждая топология имеет свои преимущества. В одной топологии может быть низкая стоимость элементов, но при этом она обеспечивает ограниченную мощность; другая же может давать мощность с избытком, но быть более дорогостоящей и т.д. Для любого приложения будут работоспособны более, чем одна топология, но лишь один из вариантов может обеспечить наилучшие рабочие характеристики при приемлемой стоимости. Сопоставление преимуществ различных топологий дано в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Сравнение топологий импульсных источников питания с ШИМ

Топология

Диапазон мощностей, Вт

Диапазон напряжений Vin(dc)

Изоляция вход/выход

Типичный КПД, %

Относительная стоимость элементов

Понижающие

0-1000

5-40

Нет

78

1,0

Повышающие

0-150

5—40

Нет

80

1,0

Инвертирующие

0-150

5—40

Нет

80

1,0

Однотранзисторные прямоходовые

0-150

5-500

Да

78

1,4

Обратноходовые

0-150

5-500

Да

80

1,2

Пушпульные

100-1000

5-1000

Да

75

2,0

Полумостовые

100-500

5-1000

Да

75

2,2

Полномостовые

400- 2000+

5-1000

Да

73

2,5

Основными факторами, определяющими оптимальный выбор топологии, являются ответы на следующие вопросы:

•                Необходима ли изоляция трансформатора от входа к выходу?

•                Какая часть входного напряжения появляется на первичной обмотке трансформатора или индуктора?

•                Каково пиковое значение тока, протекающего через ключи?

•                Каково максимальное рабочее напряжение на ключах"?

Топологии без изолирующих трансформаторов используются для преобразователей, встроенных на плату. Они применяются в распределенных системах питания, в которых напряжение промежуточной шины распределено по системе, и каждая плата внутри системы имеет собственные источники питания. Напряжение шины всегда находится на безопасном уровне, который считается неопасным для оператора оборудования, следовательно диэлектрическая изоляция необязательна. Однако в большинстве приложений я настоятельно рекомендую использовать трансформаторную изоляцию. При этом дополнительная стоимость оказывается минимальной по сравнению с дополнительным уровнем защиты для нагрузки. Трансформаторная изоляция обязательна для всех импульсных источников питания с входным напряжением 40 VDC или выше.

Величина напряжения, попадающего на первичную обмотку трансформатора, определяет, какое значение пикового тока протекает через ключи. Импульсные источники питания — это схемы постоянной мощности, то есть, чем ниже первичное напряжение, тем выше пиковые токи для обеспечения необходимой выходной мощности. Для мощных транзисторов и полевых МОП-транзисторах в сборках Т0-220 и меньших рекомендуется предел "максимального пикового тока 20 А. При большей силе тока сбойные режимы ключей становятся неуправляемыми, и устройства питания трудно защитить. При использовании другой топологии пиковый ток можно уменьшить.

Чем выше максимальное напряжение, подаваемое на ключи, тем выше вероятность того, что они выйдут за пределы своих областей устойчивой работы (safe operating area, SOA). Внутри импульсных источников питания очень распространены всплески напряжения, и возможность превышения этими всплесками номинала напряжения лавинного пробоя ключа становится более вероятна. Что касается топологий с изолирующим трансформатором, промышленное производство было рас-

пределено по определенным топологиям, в зависимости от различных диапазонов выходной мощности (рис. 3.8).

Выходная мощность (Вт) Рис. 3.8. Применение различных топологий

Для мощностей ниже 100 Вт до 150 Вт фаворитом является обратноходовая топология (см. рис. 3.12), благодаря малому числу (а следовательно, и стоимости) элементов и более высокому КПД. Однако, поскольку ее пиковые токи значительно более высокие, чем у прямоходовых преобразователей, она достигает пределов области устойчивой работы ключей при относительно низкой выходной мощности.

При выходной мощности от 150 до 500 Вт фаворитом становится полумостовая (half-bridge) топология (см. рис. 3.15), в которой стоимость элементов выше, однако все еще в разумных пределах. В полумостовом преобразователе на первичную обмотку подается только половина входного напряжения, благодаря чему пиковые токи довольно терпимы. По этой причине такая технология позволяет получить только до 500 Вт мощности.

При мощностях свыше 500 Вт до нескольких киловатт используется полномостовая (full-bridge) топология (см. рис. 3.16). Она требует четыре ключа, два из которых имеют "плавающие" схемы управления, и ее реализация самой дорогостоящей, однако при таких уровнях выходной мощности дополнительные расходы необходимы. В том же диапазоне мощностей также можно использовать пушпульную (push- pull) топологию (см. рис. 3.14), однако она страдает от потенциального серьезного состояния отказа, называемого разбалансировкой сердечника (core imbalance). Такая разбалансировка возникает, когда магнитный поток внутри трансформатора имеет характеристики, несимметричные относительно "нулевой" точки равновесия. Это приводит к насыщению трансформатора в направлении одного ключа и его выгоранию в течение нескольких наносекунд, когда в нагрузке проявляются ступенчатые изменения. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо использовать методику межимпульсной токовой защиты с управлением по напряжению или по току.

С помощью табл. 3.1 и рис. 3.8 можно довольно точно определить, какая топология лучше всего подойдет для конкретного приложения. На рис. 3.9-3.16 показаны схемы и волновые характеристики базовых топологий импульсных источников питания с ШИМ, а также некоторые важные оценочные параметры.

Рис. 3.9. Понижающий преобразователь

 

Рис. 3.10. Повышающий преобразователь

Рис. 3.11. Инвертирующий преобразователь

 

Рис. 3.12. Обратноходовый преобразователь

Рис. 3.13. Однотранзисторный прямоходовый преобразователь

 

Рис. 3.14. Пушпульный преобразователь

Рис. 3.15. Полумостовой преобразователь

Рис. 3.16. Полномостовой преобразователь

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