РАЗНОВИДНОСТИ ПРЯМОХОДОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

May 5, 2012 by admin Комментировать »

В настоящее время существует много разновидностей прямоходовых схем, причём каждая имеет свои преимущества и недостатки.

■      Классическая схема

Классическая схема прямоходового преобразователя уже рассматривалась в главе «Прямоходовой (Forward) преобразователь» (см. стр. 7, рис. 13).

Если транзисторный ключ Y1 замкнут, входное напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора. На вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение, открывается диод D2. Низкочастотный LC-фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения и отдаёт энергию в нагрузку через диод D3, когда транзистор VT закрыт (ключ разомкнут).

В то время, когда транзистор Y1 закрыт, трансформатор размагничивается через дополнительную обмотку и диод D1. При одинаковом количестве витков коэффициент заполнения d<0.5. Коэффициент передачи равен n-d, где d — коэффициент заполнения, n=Nj/N2 — коэффициент трансформации.

Типовое значение перенапряжения на транзисторе равно 2.6 Vin шах. При таком уровне перенапряжения существенно возрастает стоимость силовых транзисторов с низким сопротивлением Rdson, особенно для сетевых (220 В) источников питания.

Недостатком данной схемы является наличие дополнительной обмотки, которая усложняет трансформатор и увеличивает его стоимость.

Прямоходовой преобразователь с RCD-демпфирующей цепочкой

Появление данной модификации прямоходовой схемы — это одна из первых попыток упростить и улучшить процесс размагничивания трансформатора. Прямоходовой преобразователь с RCD-де- мпфирующей цепочкой (рис. 32) используется, в основном, если необходимо построить недорогой источник питания.

Коэффициент передачи, как и в классической прямоходовой схеме, равен произведению n-d.

Когда транзистор VT разомкнут, диод VD и конденсатор С ограничивают напряжение на нем до уровня, определяемого входным напряжением и коэффициентом заполнения. Резистор R предназначен для разряда конденсатора. Типовое значение перенапряжения на транзисторе составляет 2.0 V

1                 1                                     гг                                                                            in_max

Основной недостаток схемы — дополни-

Рис. 32. Схема прямоходового преобразователя с RCD-демпфирующей цепочкой.

тельные потери мощности, которая рассеивается в резисторе R, что приводит к снижению КПД и увеличению массогабаритных показателей источника питания.

■      Прямоходовой преобразователь с LCDD-демпфирующей цепочкой

Рис. 33. Схема прямоходового преобразователя с LCDD-демпфирующей цепочкой.

В данном случае предпринята попытка размагничивания трансформатора с помощью демпфирующей цепочки без дополнительных потерь мощности (рис. 33).

Коэффициент передачи, как и в предыдущих схемах, определяется как n-d.

Когда транзистор VT разомкнут, диод и конденсатор ограничивают напряжение на стоке транзистора, аналогично варианту схемы с RCD-демпфи- рующей цепочкой. Резонансный контур, состоящий из Lr, Сг, и VDcl, обеспечивает разряд конденсатора.

Типовое значение перенапряжения на транзисторе равно 2.0 V

1                                in max

Но, ввиду сложности и неоднозначности резонансных процессов для различных режимов работы схемы, для того, чтобы обеспечить правильную работу схемы во всем диапазоне изменения нагрузки и входного напряжения, необходима не одна итерация при выборе параметров контура. В случае не оптимальных параметров резонансного контура потери мощности могут даже превосходить потери мощности в резисторе R, присущие схеме, изображенной на рис. 32.

Еще одним недостатком схемы являются существенные габаритные размеры дросселя L, особенно для высоких входных напряжений.

Прямоходовой преобразователь с резонансной схемой размагничивания трансформатора

Для размагничивания трансформатора используется паразитная емкость транзистора (иногда необходима дополнительная внешняя емкость). Это очень простая и удобная в применении схема, не требующая большого числа дополнительных компонентов (рис. 34).

Коэффициент передачи, как и в классической прямоходовой схеме, равен n-d.

При выключении транзистора возникают колебания в резонансном контуре, образованном индуктивностью намагничивания трансформатора и паразитной емкостью транзистора, благодаря чему перемагничивание трансформатора происходит автоматически. Типовое значение перенапряжения на транзисторе равно 2.0 V

1                                                    1 1                                      inmax

Недостатком любой резонансной схемы является сложность обеспечения оптимальных условий

Рис. 34. Схема прямоходового преобразователя с резонансной схемой размагничивания трансформатора.

перемагничивания во всем диапазоне изменения нагрузки и входного напряжения.

■      Прямоходовой преобразователь с двумя ключами

Схема прямоходового преобразователя с двумя ключами была рассмотрена выше в разделе « Прямоходовой двухтранзисторный (Two-Transistor Forward) преобразователь» (см. рис. 16). Процесс передачи энергии аналогичен классической схеме, коэффициент передачи равен n-d. В момент выключения транзисторов первичная обмотка через диоды подключается ко входному источнику напряжения в обратной полярности, перемагничивание трансформатора происходит автоматически. Поэтому максимальное значение перенапряжения на транзисторе — 1.0 V.

1                                      1                             mrnax

Недостатком схемы является применение дополнительного полевого транзистора и необходимость использования «отвязанного от земли» драйвера для управления транзистором Y2.

Прямоходовой преобразователь с активной ограничивающей цепью

Рис. 35. Схема прямоходового преобразователя с активной ограничивающей цепью.

В данной схеме (рис. 35) для перемагничивания трансформатора используется дополнительный транзистор и конденсатор Сг; коэффициент передачи равен n-d.

При выключении силового транзистора с некоторой временной задержкой открывается вспомогательный транзистор и перезаряжает ёмкость Сг, типовое значение перенапряжения на транзисторе составляет 1.3 V

mrnax

Временная задержка необходима для перезаряда выходных ёмкостей транзисторов энергией, накопленной в индуктивности рассеяния трансфор-

матора. Важным преимуществом этой схемы является то, что переключение транзисторов происходит при нулевом напряжении на них (ZVS).

К недостаткам схемы можно отнести наличие дополнительного транзистора и схемы управления,

обеспечивающей временную задержку при переключении транзисторов, а также увеличение потерь проводимости ввиду использования небольшой индуктивности намагничивания.

Прямо-обратноходовой (Forward/Flyback) преобразователь

Отличие схемы, представленной на рис. 36, от прямоходового преобразователя с активной ограничивающей цепью (рис. 35) состоит в том, что в сердечник трансформатора вводится дополнительный зазор.

При открытом транзисторе VT1 передача энергии от источника в нагрузку осуществляется через диод VD1. При выключении транзистора VT1 энергия, накопленная в сердечнике за счёт наличия дополнительного зазора, передается в нагрузку через диод VD2.

Выгодным отличием этой схемы от рассмотренных выше является коэффициент передачи, равный 2nd, чем обеспечивается сравнительно высокий КПД преобразователя. Типовое значение перенапряжения на транзисторе, как и для прямоходового преобразователя с активной ограничивающей цепью, составляет 1.3 V

in тлях

■      Двойной прямоходовой преобразователь

Двойной прямоходовой преобразователь представляет собой модернизацию предыдущей схемы (рис.37).

Проблемы, обусловленные обратным восстановлением диодов, решаются путем введения насыщающихся дросселей SR1 и SR2 и диода VD3.

Диод VD3 препятствует короткому замыканию трансформатора при изменении напряжения сток- исток транзистора, поэтому для обеспечения «мягкого переключения» может быть использована полная энергия намагничивания, следовательно, требуемый ток намагничивания может быть уменьшен. Это позволяет расширить диапазон нагрузок, для которого выполняются условия «мягкого переключения».

Коэффициент передачи схемы равен 2nd, перенапряжение на транзисторе составляет 1.3 V

1                 1                                     гг                                                                               mmax

К недостаткам данного решения следует отнести необходимость использования дополнительного транзистора и сложность схемы управления, а также существенные перенапряжения на выходных диодах, обусловленные процессами их обратного восстановления.

Рис. 37. Схема двойного прямоходового преобразователя.

Недостатком схемы является большое количество дополнительных элементов: транзистор и схема управления, диод VD3, два насыщающихся дросселя.

Основные параметры схем преобразователей сведены в таблицу:

кпд

Напряжение на ключе

Уровень

помех

Дополнительные

компоненты

Прямоходовой преобразователь с обмоткой размагничивания

Низкий

2.6 V

in_max

Высокий

Дополнительная обмотка трансформатора

Прямоходовой преобразователь с RCD-демпфирующей цепочкой

Низкий

2.0 V

in_max

Высокий

R, С, VD

Прямоходовой преобразователь с LCDD-демпфирующей цепочкой

Низкий

2.0 V

in_max

Высокий

UC, VD, VD

Прямоходовой преобразователь с резонансной схемой размагничивания трансформатора

Средний

2.0 V

in_max

Средний

С

Рассмотрим подробнее представленные в таблице характеристики.

Эффективность. Для источников питания, в которых основными параметрами являются высокая удельная мощность и КПД, оптимальными будут «прямо-обратноходовая» схема или схема двойного прямоходового преобразователя. В случае, если решающее значение имеет стоимость источника питания, целесообразно применить схемы, представленные на рис. 32 и рис. 34.

Уровень перенапряжений на транзисторах. С точки зрения минимизации уровня перенапряжения на силовых транзисторах, оптимальной является схема, изображенная на рис. 16. Такая топология удобна для сетевых источников питания. Например, при сетевом входном напряжении 220 В выпрямленное напряжение составляет 220×1.41=310 В. Это максимальное перенапряжение на транзисторе. С учетом коэффициента загрузки 0.7 выбирается транзистор с максимальным рабочим напряжением 500 В. Если используется классическая схема прямоходового преобразователя, то даже при коэффициенте загрузки 0.8 необходим транзистор с максимальным рабочим напряжением 1000 В.

Шумы, электромагнитная совместимость. Среди восьми рассмотренных выше типов преобразователей наименьшим уровнем помех обладает двойной прямоходовой преобразователь (см. рис. 37). В данном случае, помимо переключения транзисторов при нулевом напряжении, решена также проблема обратного восстановления диодов.

«Прямо-обратноходовой» преобразователь и прямоходовой преобразователь с активной ограничивающей цепью занимают следующее место в списке предпочтений, т. к. в основе работы данных схем также заложен принцип «мягкого переключения» транзисторов.

Остальные преобразователи имеют примерно одинаковый уровень помех на выходе и уступают схемам с «мягким переключением».

Возможность применения синхронного выпрямителя. В схемах с синхронным выпрямлением ток в полевых транзисторах протекает в обратном направлении (от истока к стоку). При этом полевые транзисторы работают в третьем квадранте вольтампер- ной характеристики. Но в указанном направлении проводит и антипараллельный диод транзистора. Поэтому основная сложность при использовании синхронного выпрямителя заключается в построении правильной схемы управления синхронными транзисторами так, чтобы исключить возможность проводимости антипараллельного диода.

В связи с этим, наиболее просто применять синхронный выпрямитель в схемах, представленных на рис. 36 и рис. 37. Затворами транзисторов можно управлять непосредственно со вторичной обмотки трансформатора, т. к. интервалы времени, когда напряжение на обмотке равно нулю, чрезвычайно малы.

В остальных схемах использование синхронного выпрямителя требует значительного количества дополнительных элементов, т. к. необходимо реализовать управление синхронными транзисторами при нулевом напряжении на вторичной обмотке трансформатора. Прежде всего, это касается схем, представленных на рис. 13, рис. 32 и рис. 33.

Мостовые Phase-Shift-конверторы относятся к особому классу преобразователей с фазовым управлением. Особенность заключается в том, что переключение всех четырёх ключей происходит при нуле напряжения. Это позволяет практически исключить динамические потери в транзисторах и существенно снизить уровень излучаемых помех, что очень важно для питания телекоммуникационного оборудования. Такие схемы позволяют получать мощности в несколько десятков киловатт.

Рассмотрим схему квазирезонансного преобразователя с синхронным выпрямлением на примере контроллера НА16163 Renesas. На рис 44. приведена временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя.

Момент времени 1 (рис. 38). В момент tO транзисторы S3 и S6 открыты, напряжение питания Yin подключено через дроссель Lr к первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке появляется напряжение, пропорциональное напряжению в первичной обмотке. Ключи синхронного выпрямителя S14S15 разомкнуты, S16S17 — замкнуты. Напряжение с первичной обмотки через дроссель L1 поступает на нагрузку.

Момент времени 2 (рис. 39). В момент tl транзистор S3 включён. При выключении транзистора S6, на резонансном дросселе Lr происходит выброс напряжения самоиндукции. Ключи S14S15 и S16S17 выходного выпрямителя замкнуты, тем самым шунтируя выходную обмотку, энергия, запасённая в резонансном дросселе Lr, переходит в выходную ёмкость транзистора S6 – С,,, С„ заряжается со скоростью

где N = Nj/N2 — коэффициент трансформации, I — ток нагрузки, С,„ — выходная ёмкость транзистора.

Источник: КОМПОНЕНТЫ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ, ГРУППА КОМПАНИЙ СИММЕТРОН

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