CC BY
44
1НФОРМАЦ1Я ПРО ЗАК1НЧЕН1 РОЗРОБКИ
УДК621.314.58
АКТИВНИЙ ДЕМПФЕР З ЗАБЕЗПЕЧЕННЯМ ВИМИКАННЯ КЛЮЧА
ПРИ НУЛЬОВ1Й НАПРУЗ1
Антипенко Р.В., Кирпатенко IM, Кухарчук 1.О., Мовчанюк А.В., Фесгч В.П.
Запропонована схема активного демпфера, що забезпечуе вимкнення силового транзистора при нульовт напруз1.
Розвиток перетворювально!' техшки ще в напрямку шдвищення робочо!' частоти, що дае змогу зменшити габарити перетворювальних пристро1в. Однак, при збiльшеннi частоти зростають динамiчнi втрати в ключових елементах, що призводить до необхщност у бiльш ефективних та громiзд-ких методах охолодження, i до зменшення ефекту вiд збiльшеннi частоти. Друга проблема, яка виникае при збшьшенш частоти комутацп силових ключiв полягае у зниженнi надiйностi пристрою. Через зростання динамiч-них втрат зменшуеться ККД перетворювача, збiльшуеться коефщент наван-таження силових ключiв. Вщомо, що збiльшення температури активного елементу на 10°С призводить до зростання вдвiчi iнтенсивностi вiдмов [1].
Наведене спонукае розробниюв перетворювально!' технiки до штенсив-них пошукiв способiв зменшення динамiчних втрат в активних елементах.
Методи зменшення динамiчних втрат в ключових елементах.
Проблема зменшення динамiчних втрат в ключах при робот з комплек-сним навантаженням - складова задачi забезпечення роботи ключа в так званш областi безпечних режимiв (ОБР). Традицiйнi методи забезпечення роботи ключа в ОБР полягають у використанш RC, RCD демпферних кш, за допомогою яких потужшсть динамiчних втрат (втрат при вимкненш ключа) розсiюеться не в ключовому елементi (транзисторi), а в резистор^ що входить до складу RC або RCD кола [2]. Хоча за допомогою таких кш можна забезпечити роботу транзистора в ОБР, таке ршення не призводить до збшьшення ККД перетворювача. За великих потужностей, енер-пя, що розсшеться в резисторах демпфер1в, мо-же бути значною. а б
Наприклад, в [2] опи- Рис. 1. Схеми активних демпферiв
суеться перетворювач постшного струму, де в якост силових ключiв вико-ристовуються бiполярнi транзистори, ввiмкненi за схемою "пуш-пул". Ви-хiдна потужшсть пристрою 2,8 кВт; повш втрати в RCD-демпферi
164 BicHUK Нацюнального техтчного утверситету Украши "КП1"
Серiя -Радютехтка. Радюапаратобудування.-2008.-№37
P = 77,15 Вт , тобто близько 3% вихщно! потужностi.
Щоб одночасно забезпечити роботу транзистора в ОБР i пiдвищити ККД перетворювача використовуються кола, як забезпечують передачу енерги, накопичено! в реактивних елементах демпфера, в навантаження або в джерело живлення (наприклад, див. рис.1). На рис. 1а зображено фрагмент схеми перетворювача з активним фшсатором [3]. Конденсатор С1 е елементом, в якому накопичуеться енергiя переходного процесу вими-кання основного транзистора VT2. В схемi з активним фшсатором можлива реалiзацiя режиму перемикання ключа при нульовiй напрузi - ZVS (zero voltage switching), тобто ККД перетворювача з активним фшсатором може бути досить високим [3,4]. Недотк активного фшсатора - необхвдтсть трьох додаткових силових ключiв та складтсть управлiння [3].
На рис. 1б зображено фрагмент схеми перетворювача тдвищуючого типу з демпферним колом, принцип роботи якого оснований на викорис-тант промiжного накопичувача енерги - конденсатора С2 [2]. Схема цього демпферу простша, нiж попередня, але вона мае бiльш суттевi недолiки: неможливiсть забезпечення розмикання ключа в режимi ZVS, через те, що в момент розмикання ключа напруга на конденсаторi С1 не е нульовою, а визначаеться напругою на закритому транзисторi i ствввдношенням емно-стей С1 i С2, отже ККД перетворювача з таким демпфером не е максимально можливим; цей демпфер може бути застосований тшьки у випадку гальватчного зв'язку мiж джерелом живлення i навантаженням.
Наведене визначае актуальнiсть розробки демпфера, який би забезпечу-вав режим ZVS, не мав додаткових силових ключiв та надавав можлившть працювати з гальванiчно - розв'язаним навантаженням.
Активний демпфер i3 забезпеченням режиму ZVS
На рис. 2 подана спрощена схема активного демпфера iз забезпеченням режиму ZVS, яка вшьна ввд вказаних не-долiкiв. Це досягаеться введенням у схему трансформатора ТР2. Принцип роботи активного демпфера, що пропо-нуеться, можна пояснити, спираючись на рис. 3, де наведет вщповщт осцилограми. В момент вимикання сило
вого транзистора VT1 через дюд VD1 вiдбуваеться заряд конденсатора С1, який на цей момент е повтстю розрядженим i, таким чином, транзистор вимикаеться в режимi ZVS. Напруга на конденсаторi С1 Uci зображена на рис.3 на верхньому графiку. При цьому на виходi компаратора DA1 вста-новлюеться високий рiвень напруги - UoutDAi (нижнш графiк рис.3), який подаеться на один з входiв схеми "I". На другий вхвд схеми "I" подаеться
Рис. 2
В1сник Нацюнального техтчного утверситету Украгни "КП1" 165
Серiя -Радютехтка. Радюапаратобудування.-2008.-№37
сигнал управлшня основним силовим транзистором УТ1 - ЦёУТ[. На часовому пром1жку й сигнал на затвор1 силового транзистора УТ1 мае низький р1вень, отже сигнал на затвор1 допом1жного транзистора УТ2 - иёуТ2 теж мае низький р1вень 1 транзистор УТ2 закритий. На пром1жку часу 12 сигнал иёУТ\ приймае високий р1вень, вщповщно до цього сигнал иёУТ2 теж приймае високий р1вень 1 транзистор У72 вщкриваеться. Конденсатор С1 1 первинна обмотка трансформатора ТР2 утворюють паралельний коливальний контур. На промь жку часу (2 вщбуваеться розряд кондесатора Рис. 3
С1 через первинну обмотку трансформатора ТР2. При досягненш напруги на конденсатор! С1 нульового р1вня на виход1 компаратора встановлюеться низький р1вень напруги 1 транзистор У72 замикаеться. В цей момент часу допом1жний транзистор У72 1 трансформатор ТР2 утворюють зворотнохо-довий перетворювач, 1 енерпя, накопичена в первиннш обмотш трансформатора ТР2 передаеться в конденсатор С2, який може бути шдключений до навантаження або до джерела живлення. Таким чином, енерпя перехщного процесу вимикання основного силового транзистора УТ1 передаеться в навантаження або у джерело живлення 1 забезпечуеться процес вимикання транзистора в режим1 ZУS.
Реалiзацiя активного демпфера iз забезпеченням режиму
На рис. 4 наведена схема активного демпфера 1з забезпеченням режиму ZVS. Точка 1 схеми шдключаеться до стоку силового транзистора, на точку 2 схеми подаеться сигнал управлшня силовим
транзистором. В точку 4 по-даеться напруга живлення демпфера, точка 3 шдключаеться до навантаження.
Рис. 4
На елементах №1, №2, УП2, УТ1, УТ2, №3, №4, №6,02 реашзовано компаратор з внутр1шшм позитивним зворотним зв'язком, який забезпечують елементи №3, №4, №6, С2 та УТ1. На транзисторах У73, У75, У76, УТ4 реаль зована схема "I". Третя обмотка трансформатора ТР1 - ТР1.2 призначена для здшснення позитивного зворотного зв'язку. Позитивш зворотш зв'язки введет для пришвидшення роботи демпфера. Осцилограми, що шюстру-
166 В^ник Нацюнального техшчного утверситету Украши "КП1"
Серiя -Радютехтка. Радюапаратобудування.-2008.-№37
ють роботу демпфера, наведен на рис.5. Осцилограми отримана при струма силового транзистора в 5 раз^в меншого за номшальний, тому трива-лють фронту 1мпульсу запирания транзистора е завищеною.
1
а б
Рис. 5. Осцилограми, що шюструють роботу активного демпфера а - напруга на силовому транзистора без застосування демпфера, б - верхня осцилограма - напруга на конденсатора С1, нижня - напруга на силовому транзистора при застосування демпфера
Запропоновано активний демпфер, який використано у перетворювач^ з номинальною потужшстю 150 Вт. Експериментальш дослщження, показали ефектившсть демпфера: ККД перетворювача шднявся з 83% до 91%;
температура радиатора силових ключ^в знизилась з 70оС до 60оС. Лггература
1. Лукин А. В., Кастров М.Ю., Малышков Г. М., и др. Преобразователи напряжения силовой электроники. - М.: Радио и связь, 2004. - с. 415.
2. Четти П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер.с англ. -М.: Энергоатомиздат, 1990. с.240.
3. Designing for High Efficiency with the Active Clamp UCC2891 PWM Controller. Texas Instruments. Application report. April - 2004.
4. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. К.:«МК - Прес», 2005. 288 с.
5. Solving noise problems in high power, high frequency control IC driven power stages. Control Integr.circuit designers manual. Inter. Rectifier. El Segundo, California. 1996.
6. Maximizing the latch immunity of the IR2151 and IR2152 in ballast applications. Control Integr.circuit designers manual. Inter. Rectifier. El Segundo, California. 1996.
Ключовi слова: активний демпфер, джерела електроживлення
Антипенко Р.В., Кирпатенко И.Н., Кухарчук И. А., Мовчанюк А.В., Фесич В.П. Активный демпфер с обеспечением выключения ключа при нулевом напряжении Предложена схема активного демпфера, обеспечивающего выключение силового транзистора при нулевом напряжении. Antipenko R.V., Kirpatenko I.N., Kukhartchuk I.A., Movtchanjuk A.V., Fesitch V.P. Active emollient with maintenance of reenergizing of a key at a zero voltage A new circuit of active emollient, which provides zero voltage switching conditions are presented
Весник Национального техничного университету Украти "КП1 " 167
Сер^я -Радютехмка. Рад^оапаратобудування.-2008.-№37
