eng
Выпуск #1/1998
А.Лукин.
Высокочастотные преобразователи постоянного напряжения и их классификация
Высокочастотные преобразователи постоянного напряжения и их классификация
Просмотры: 5041
Развитие преобразователей электрической энергии — основных функциональных узлов источников вторичного электропитания — идет по пути миниатюризации, повышения КПД и надежности при одновременном снижении их стоимости. Появившаяся в последнее время на российском рынке современная отечественная и зарубежная микроэлектронная элементная база позволяет улучшать эти характеристики благодаря созданию новых схемных решений, в том числе высокочастотных преобразователей напряжения. Перспективные схемные решения, в частности, обеспечивают рост частоты преобразования, без чего сегодня невозможно увеличить удельную мощность источников вторичного электропитания.
Схемы высокочастотных преобразователей напряжения (ВПН) должны оптимально использовать частотные свойства элементов, обеспечивать электромагнитную совместимость с основной электронной аппаратурой, защиту полупроводниковых приборов от перенапряжения и вторичного пробоя, снижение коммутационных потерь мощности и помех, создаваемых ВПН.
Хотя каждая из этих проблем имеет свои особенности, в традиционных схемах ВПН с прямоугольной формой напряжения и тока все они решались путем формирования траектории переключения транзисторов и диодов. Формирующие цепи, обеспечивая задержку между спадом напряжения и фронтом тока транзистора при включении и спадом тока и фронтом напряжения при его выключении, значительно снижают коммутационные потери мощности в транзисторах. Однако мощность потерь при этом не рекуперируется в источник питания, а рассеивается в элементах цепей. Кроме того, форма тока через транзистор остается практически прямоугольной. Следовательно, сохраняются все связанные с этим недостатки (высокий уровень электромагнитных помех, перенапряжения на полупроводниковых приборах, инерционные свойства выпрямительных диодов и т.п.). Номинальная мощность дросселей и конденсаторов формирующих цепей невелика, поскольку время действия формирующих цепей ограничено временем фронта и спада. При этом существенного повышения частоты преобразования (свыше 100 кГц) не происходит.
Другой путь решения данных проблем — разработка ВПН, использующих явление резонанса. Как правило, они основаны на схемах традиционных ВПН, в которые введены резонансные контуры, образованные дополнительными или паразитными реактивными элементами. Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансными контурами (ВПН-РК) позволяют практически исключить потери мощности на переключение, а также значительно снизить пульсации выходного напряжения и электромагнитные помехи источников вторичного электропитания (ИВЭП). В результате частота преобразования может быть повышена до нескольких мегагерц.
К настоящему времени опубликовано достаточно много работ, где рассматриваются различные типы ВПН-РК [1], которые можно разделить на четыре больших класса: резонансные, квазирезонансные, класса Е и с резонансным (“мягким”) переключением (рис.1).
Резонансные ВПН в свою очередь подразделяются на преобразователи с последовательным резонансным контуром и нагрузкой, включенной последовательно с элементами РК; ВПН с последовательным РК и нагрузкой, включенной параллельно элементам РК; ВПН с параллельным РК.
Выходное напряжение резонансных ВПН регулируется изменением частоты преобразования выше или ниже резонансной частоты РК, что приводит к изменению тока (напряжения) на элементах РК и, соответственно, в нагрузке. Частотные регулировочные характеристики ВПН-РК этого класса близки к резонансным кривым РК. Их крутизна существенным образом зависит от сопротивления нагрузки (добротности нагруженного контура).
В схеме ВПН с последовательным РК и последовательным соединением нагрузки (рис.2) выключение силового транзистора всегда происходит при нулевом токе. Следовательно, потери мощности при этом равны нулю [2].
Ток транзистора при включении определяется режимом работы схемы, и в режиме непрерывного тока РК зависит от изменения входного напряжения и тока нагрузки. В этом случае необходимо применять высокочастотные обратные диоды или дополнительные цепи, устраняющие режим “сквозных” токов. Граничный режим работы, а также режим разрывного тока РК обеспечивают бестоковую коммутацию силового транзистора, но при этом увеличивается реактивная мощность элементов РК и номинальная мощность активных элементов схемы. Эти и другие особенности рассматриваемой схемы (в частности, возможность стабилизации тока нагрузки и, как следствие, возможность параллельной работы) определяют область применения данного ВПН: сетевые ИВЭП при мощности в нагрузке до нескольких киловатт.
В схеме ВПН с последовательным резонансным контуром и параллельным включением нагрузки (рис.3) минимальная частота коммутации силовых транзисторов, соответствующая максимальному току нагрузки и минимальному входному напряжению, выбирается выше резонансной частоты РК. Сопротивление контура при этом носит индуктивный характер, и ток в нем отстает по фазе от напряжения [3].
Потери мощности в транзисторах при включении равны нулю. Наличие сдвига фаз между током и напряжением в РК обеспечивает коммутацию силовых транзисторов с задержкой, что устраняет режим “сквозных” токов и практически сводит к нулю потери мощности при выключении.
Таким образом, в некоторых схемах резонансных ВПН изначально заложены потери при включении транзистора. Но их легко минимизировать выбором соответствующего режима работы ВПН. Отличительная особенность резонансных ВПН — возможность работы в режиме стабилизации тока без применения дополнительных мер. Это определяет оптимальную область их применения: различного рода зарядные устройства, системы бесперебойного питания и высоконадежные системы питания с резервированием, где используется возможность их параллельной работы. В числе недостатков резонансных ВПН можно назвать наличие дополнительных элементов РК, имеющих значительную номинальную реактивную мощность, и повышенные значения токов через полупроводниковые приборы. Общим для всех типов резонансных ВПН является постоянство структуры РК, работающего весь период преобразования.
Дальнейшее развитие схемотехники резонансных ВПН привело к созданию принципиально новых классов ВПН с резонансными контурами и переменной структурой силовой цепи. В соответствии с существующей терминологией эти ВПН разделяют на два класса: квазирезонансные (преобразователи с дозированной передачей энергии) и резонансные класса Е.
Как и традиционные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией, квазирезонансные ВПН характеризуются однонаправленной передачей энергии в нагрузку [4,5].
Они подразделяются на преобразователи с переключением при нуле тока через силовой транзистор (рис.4) и преобразователи с переключением при нуле напряжения на силовом транзисторе (рис.5). В схеме с переключением при нуле тока выходное напряжение регулируется или стабилизируется изменением длительности запертого состояния транзистора, а в схеме с переключением при нуле напряжения — изменением длительности открытого состояния транзистора. При этом изменяется частота переключения, поскольку интервал времени, в течение которого происходит колебательный процесс в РК, практически постоянен.
Потери при выключении транзистора в квазирезонансном ВПН с переключением при нуле тока всегда равны нулю. Так как вкючение транзистора происходит при отсутствии электромагнитной энергии в катушке индуктивности, то в этом случае существуют лишь потери, обусловленные разрядом выходной емкости транзистора. Потери при включении транзистора в квазирезонансном ВПН с переключением при нуле напряжения также всегда равны нулю. При выключении транзистора сохраняются незначительные потери, определяемые величиной его выходной емкости или емкости дополнительного конденсатора.
Поскольку контур в квазирезонансных ВПН работает только часть периода, реактивная мощность его элементов существенно меньше, чем в резонансных ВПН. В качестве РК здесь чаще всего используют индуктивность рассеяния трансформатора и выходную емкость транзистора.
Наиболее эффективно квазирезонансные ВПН используют в ИВЭП с питанием от низковольтной (12—6О В) сети постоянного тока с уровнем выходной мощности до 5О Вт, а также низким уровнем пульсаций выходного напряжения и помех. Недостатком квазирезонансных ВПН можно считать требование более высоких значений номинальной мощности транзисторов и диодов по сравнению с традиционными ВПН.
В отличие от квазирезонансных преобразователей в ВПН класса Е неизменная часть РК находится под воздействием переменного тока, замыкающегося на нагрузку. Номинальная мощность полупроводниковых приборов и реактивная мощность элементов РК в них больше, чем в резонансных ВПН. Поэтому область применения этой схемы весьма ограничена.
Принципы регулирования рассмотренных ВПН основаны на разных режимах работы резонансных контуров, входящих в их состав. Так, в резонансных ВПН и в ВПН класса Е контур работает весь период преобразования, в квазирезонансных — часть периода. Преобразователи напряжения, в которых РК работает только во время переключения силовых ключей, называют ВПН с резонансным (“мягким”) переключением [7]. Коммутация силовых ключей в них происходит при нуле напряжения.
Такие преобразователи позволяют сочетать низкие потери при переключении, характерные для резонансных и квазирезонансных ВПН, с экономичностью процесса передачи мощности в схемах с ШИМ, так как в данном случае колебания напряжения и тока во время передачи мощности в нагрузку имеют прямоугольную форму. Возможные схемы данного класса ВПН представлены на рис.6.
В отличие от резонансных и квазирезонансных ВПН преобразователи с резонансным переключением не требуют применения силовых полупроводниковых приборов с предельными импульсными напряжениями и токами, в два-три раза превышающими аналогичные параметры в обычных схемах с ШИМ. Поскольку время действия РК ограничено временем фронтов тока и напряжения, реактивная мощность их элементов невелика. Как правило, роль РК в них играют индуктивность рассеяния или намагничивания трансформатора и выходная емкость транзистора. Действие РК в этих ВПН очень схоже с действием формирующих цепей. Но мощность коммутационных потерь не рассеивается, а рекуперируется в источник питания.
Таким образом, в схемах ВПН с резонансным переключением очень удачно используются паразитные параметры элементов путем введения специального алгоритма управления, что значительно снижает потери при переключении полупроводниковых приборов.
В заключение можно сказать, что во всех предложенных схемах ВПН потери при переключении силовых полупроводниковых приборов максимально снижены и не ограничивают рост частоты преобразования.
Литература
1. Колосов В.А., Лукин А.В., Сергеев Б.С. Схемотехника высокочастотных преобразователей напряжения. — АОВТ и ПЭ, 1993.
2. Мелешин В.И., Новинский В.Н. Транзисторные преобразователи напряжения с последовательным резонансным контуром. — Электротехника, 1990, N8, с.47—53.
3. Макаров В.В. Преобразователь напряжения с последовательным резонансным контуром. — Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты, 1986, вып. 3, с.39—41.
4. Лукин А.В., Кастров М.Ю. Квазирезонансные преобразователи напряжения. — Электропитание, 1993, вып. 2, с.24—37.
5. Кастров М.Ю., Лукин А.В. Нерегулируемый квазирезонансный преобразователь напряжения с переключением при нуле напряжения. // В сб. докл. Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки — Ассоциация “Электропитание”, 1991, с.43—48.
6. Никитин Ю.А. Транзисторные преобразователи постоянного напряжения класса Е.//Канд. диссертация. — МАИ, 1990.
7. Лукин А.В. Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансным переключением. — Электропитание, 1993, вып. 1, с.15—26.
Хотя каждая из этих проблем имеет свои особенности, в традиционных схемах ВПН с прямоугольной формой напряжения и тока все они решались путем формирования траектории переключения транзисторов и диодов. Формирующие цепи, обеспечивая задержку между спадом напряжения и фронтом тока транзистора при включении и спадом тока и фронтом напряжения при его выключении, значительно снижают коммутационные потери мощности в транзисторах. Однако мощность потерь при этом не рекуперируется в источник питания, а рассеивается в элементах цепей. Кроме того, форма тока через транзистор остается практически прямоугольной. Следовательно, сохраняются все связанные с этим недостатки (высокий уровень электромагнитных помех, перенапряжения на полупроводниковых приборах, инерционные свойства выпрямительных диодов и т.п.). Номинальная мощность дросселей и конденсаторов формирующих цепей невелика, поскольку время действия формирующих цепей ограничено временем фронта и спада. При этом существенного повышения частоты преобразования (свыше 100 кГц) не происходит.
Другой путь решения данных проблем — разработка ВПН, использующих явление резонанса. Как правило, они основаны на схемах традиционных ВПН, в которые введены резонансные контуры, образованные дополнительными или паразитными реактивными элементами. Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансными контурами (ВПН-РК) позволяют практически исключить потери мощности на переключение, а также значительно снизить пульсации выходного напряжения и электромагнитные помехи источников вторичного электропитания (ИВЭП). В результате частота преобразования может быть повышена до нескольких мегагерц.
К настоящему времени опубликовано достаточно много работ, где рассматриваются различные типы ВПН-РК [1], которые можно разделить на четыре больших класса: резонансные, квазирезонансные, класса Е и с резонансным (“мягким”) переключением (рис.1).
Резонансные ВПН в свою очередь подразделяются на преобразователи с последовательным резонансным контуром и нагрузкой, включенной последовательно с элементами РК; ВПН с последовательным РК и нагрузкой, включенной параллельно элементам РК; ВПН с параллельным РК.
Выходное напряжение резонансных ВПН регулируется изменением частоты преобразования выше или ниже резонансной частоты РК, что приводит к изменению тока (напряжения) на элементах РК и, соответственно, в нагрузке. Частотные регулировочные характеристики ВПН-РК этого класса близки к резонансным кривым РК. Их крутизна существенным образом зависит от сопротивления нагрузки (добротности нагруженного контура).
В схеме ВПН с последовательным РК и последовательным соединением нагрузки (рис.2) выключение силового транзистора всегда происходит при нулевом токе. Следовательно, потери мощности при этом равны нулю [2].
Ток транзистора при включении определяется режимом работы схемы, и в режиме непрерывного тока РК зависит от изменения входного напряжения и тока нагрузки. В этом случае необходимо применять высокочастотные обратные диоды или дополнительные цепи, устраняющие режим “сквозных” токов. Граничный режим работы, а также режим разрывного тока РК обеспечивают бестоковую коммутацию силового транзистора, но при этом увеличивается реактивная мощность элементов РК и номинальная мощность активных элементов схемы. Эти и другие особенности рассматриваемой схемы (в частности, возможность стабилизации тока нагрузки и, как следствие, возможность параллельной работы) определяют область применения данного ВПН: сетевые ИВЭП при мощности в нагрузке до нескольких киловатт.
В схеме ВПН с последовательным резонансным контуром и параллельным включением нагрузки (рис.3) минимальная частота коммутации силовых транзисторов, соответствующая максимальному току нагрузки и минимальному входному напряжению, выбирается выше резонансной частоты РК. Сопротивление контура при этом носит индуктивный характер, и ток в нем отстает по фазе от напряжения [3].
Потери мощности в транзисторах при включении равны нулю. Наличие сдвига фаз между током и напряжением в РК обеспечивает коммутацию силовых транзисторов с задержкой, что устраняет режим “сквозных” токов и практически сводит к нулю потери мощности при выключении.
Таким образом, в некоторых схемах резонансных ВПН изначально заложены потери при включении транзистора. Но их легко минимизировать выбором соответствующего режима работы ВПН. Отличительная особенность резонансных ВПН — возможность работы в режиме стабилизации тока без применения дополнительных мер. Это определяет оптимальную область их применения: различного рода зарядные устройства, системы бесперебойного питания и высоконадежные системы питания с резервированием, где используется возможность их параллельной работы. В числе недостатков резонансных ВПН можно назвать наличие дополнительных элементов РК, имеющих значительную номинальную реактивную мощность, и повышенные значения токов через полупроводниковые приборы. Общим для всех типов резонансных ВПН является постоянство структуры РК, работающего весь период преобразования.
Дальнейшее развитие схемотехники резонансных ВПН привело к созданию принципиально новых классов ВПН с резонансными контурами и переменной структурой силовой цепи. В соответствии с существующей терминологией эти ВПН разделяют на два класса: квазирезонансные (преобразователи с дозированной передачей энергии) и резонансные класса Е.
Как и традиционные преобразователи с широтно-импульсной модуляцией, квазирезонансные ВПН характеризуются однонаправленной передачей энергии в нагрузку [4,5].
Они подразделяются на преобразователи с переключением при нуле тока через силовой транзистор (рис.4) и преобразователи с переключением при нуле напряжения на силовом транзисторе (рис.5). В схеме с переключением при нуле тока выходное напряжение регулируется или стабилизируется изменением длительности запертого состояния транзистора, а в схеме с переключением при нуле напряжения — изменением длительности открытого состояния транзистора. При этом изменяется частота переключения, поскольку интервал времени, в течение которого происходит колебательный процесс в РК, практически постоянен.
Потери при выключении транзистора в квазирезонансном ВПН с переключением при нуле тока всегда равны нулю. Так как вкючение транзистора происходит при отсутствии электромагнитной энергии в катушке индуктивности, то в этом случае существуют лишь потери, обусловленные разрядом выходной емкости транзистора. Потери при включении транзистора в квазирезонансном ВПН с переключением при нуле напряжения также всегда равны нулю. При выключении транзистора сохраняются незначительные потери, определяемые величиной его выходной емкости или емкости дополнительного конденсатора.
Поскольку контур в квазирезонансных ВПН работает только часть периода, реактивная мощность его элементов существенно меньше, чем в резонансных ВПН. В качестве РК здесь чаще всего используют индуктивность рассеяния трансформатора и выходную емкость транзистора.
Наиболее эффективно квазирезонансные ВПН используют в ИВЭП с питанием от низковольтной (12—6О В) сети постоянного тока с уровнем выходной мощности до 5О Вт, а также низким уровнем пульсаций выходного напряжения и помех. Недостатком квазирезонансных ВПН можно считать требование более высоких значений номинальной мощности транзисторов и диодов по сравнению с традиционными ВПН.
В отличие от квазирезонансных преобразователей в ВПН класса Е неизменная часть РК находится под воздействием переменного тока, замыкающегося на нагрузку. Номинальная мощность полупроводниковых приборов и реактивная мощность элементов РК в них больше, чем в резонансных ВПН. Поэтому область применения этой схемы весьма ограничена.
Принципы регулирования рассмотренных ВПН основаны на разных режимах работы резонансных контуров, входящих в их состав. Так, в резонансных ВПН и в ВПН класса Е контур работает весь период преобразования, в квазирезонансных — часть периода. Преобразователи напряжения, в которых РК работает только во время переключения силовых ключей, называют ВПН с резонансным (“мягким”) переключением [7]. Коммутация силовых ключей в них происходит при нуле напряжения.
Такие преобразователи позволяют сочетать низкие потери при переключении, характерные для резонансных и квазирезонансных ВПН, с экономичностью процесса передачи мощности в схемах с ШИМ, так как в данном случае колебания напряжения и тока во время передачи мощности в нагрузку имеют прямоугольную форму. Возможные схемы данного класса ВПН представлены на рис.6.
В отличие от резонансных и квазирезонансных ВПН преобразователи с резонансным переключением не требуют применения силовых полупроводниковых приборов с предельными импульсными напряжениями и токами, в два-три раза превышающими аналогичные параметры в обычных схемах с ШИМ. Поскольку время действия РК ограничено временем фронтов тока и напряжения, реактивная мощность их элементов невелика. Как правило, роль РК в них играют индуктивность рассеяния или намагничивания трансформатора и выходная емкость транзистора. Действие РК в этих ВПН очень схоже с действием формирующих цепей. Но мощность коммутационных потерь не рассеивается, а рекуперируется в источник питания.
Таким образом, в схемах ВПН с резонансным переключением очень удачно используются паразитные параметры элементов путем введения специального алгоритма управления, что значительно снижает потери при переключении полупроводниковых приборов.
В заключение можно сказать, что во всех предложенных схемах ВПН потери при переключении силовых полупроводниковых приборов максимально снижены и не ограничивают рост частоты преобразования.
Литература
1. Колосов В.А., Лукин А.В., Сергеев Б.С. Схемотехника высокочастотных преобразователей напряжения. — АОВТ и ПЭ, 1993.
2. Мелешин В.И., Новинский В.Н. Транзисторные преобразователи напряжения с последовательным резонансным контуром. — Электротехника, 1990, N8, с.47—53.
3. Макаров В.В. Преобразователь напряжения с последовательным резонансным контуром. — Электронная техника. Сер. Радиодетали и радиокомпоненты, 1986, вып. 3, с.39—41.
4. Лукин А.В., Кастров М.Ю. Квазирезонансные преобразователи напряжения. — Электропитание, 1993, вып. 2, с.24—37.
5. Кастров М.Ю., Лукин А.В. Нерегулируемый квазирезонансный преобразователь напряжения с переключением при нуле напряжения. // В сб. докл. Источники вторичного электропитания с частотно-импульсной модуляцией. Практика разработки — Ассоциация “Электропитание”, 1991, с.43—48.
6. Никитин Ю.А. Транзисторные преобразователи постоянного напряжения класса Е.//Канд. диссертация. — МАИ, 1990.
7. Лукин А.В. Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансным переключением. — Электропитание, 1993, вып. 1, с.15—26.
Отзывы читателей
