CC BY
276
УДК 621.314.1:621.382.2/.3
С.В. Маморцев, Г.Я. Михальченко
Технология мягкой коммутации транзисторов в преобразователе постоянного напряжения в постоянное
Рассматриваются возможности построения преобразователя постоянного напряжения в постоянное с мягкой коммутацией полупроводниковых ключевых элементов и уменьшением пульсаций входного и выходного токов.
Ключевые слова: БС-БС-преобразователь, схема Кука, динамические характеристики. коммутирующий дроссель, мягкое включение транзисторов, пульсации.
Широкое применение находят простейшие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (БС/БС-преобразователи) в источниках питания светодиодного освещения, сварочных аппаратах инверторного типа, зарядных устройствах аккумуляторных батарей, зарядных устройствах индуктивных и емкостных накопителей энергии, а также в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах. Как правило, такого рода преобразователи характеризуются жесткой коммутацией ключевых полупроводниковых элементов, что сопровождается неоправданно высоким уровнем динамических потерь и электромагнитных помех [1]. Кроме того, для защиты от перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки в известных устройствах, основанных на базе повышающего преобразователя, требуется применять дополнительные довольно сложные схемотехнические решения, что приводит к снижению надежности, увеличению энергопотребления и массогабаритных показателей, а также к увеличению себестоимости продукции.
Особое место среди БС/БС-преобразователей занимает преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выполненный по схеме Кука (рис. 1), в силу непрерывности как потребляемого, так и выходного токов и меньших пульсаций выходного напряжения [2].
1 г. Но и преобразователю Кука также свой-
ственны высокие значения динамических потерь, связанные с тем, что к моменту включения транзистора его «паразитная» емкость заряжена до удвоенного напряжения источника питания, и при включении транзистора эта емкость разряжается импульсным током, в десятки раз превышающим номинальное значение тока транзистора. Кроме того, дополнительно в этот же момент транзистор нагружается еще и обратным током выключающегося диода по цепи: положительная обкладка накопительного конденсатора С, транзистор УТ, диод УО, отрицательная обкладка накопительного конденсатора. Суммарное значение этого импульсного тока сопровождается выделением на кристалле транзистора мощности в десятки киловатт за доли микросекунды, что приводит к постепенной деградации кристалла и, как следствие, к сокращению срока службы преобразователя. Традиционно снижение динамических нагрузок на кристалл транзистора достигается включением в схему снабберных ЯС- или ЯСО-цепей, что приводит к снижению коэффициента полезного действия.
Наиболее хорошие результаты по уменьшению динамических потерь достигнуты в схемах резонансных и квазирезонансных преобразователей. Но стоит отметить, что в данных решениях регулирование выходного напряжения осуществляется изменением длительности паузы при постоянстве длительности резонансного колебания, т.е. используется частотно-импульсная модуляция, что
— О-
УТ,
ь
УО,
'Л
= С2 |ГЪ ПТ Ш з
¿а Т*
Рис. 1. Преобразователь Кука
2
ограничивает диапазон регулирования выходных токов и напряжений. Расширение этого диапазона способствует увеличению девиации частоты, что значительно повышает частотные требования к полупроводниковым приборам, магнитным материалам, конденсаторам, увеличиваются пульсации входного тока и выходного напряжения, а это сопровождается повышением массогабаритных показателей и стоимости фильтрующих элементов. Поэтому разработчики устройств силовой электроники ведут поиск путей построения преобразователей с широтно-импульсной или широтно-частотно-импульсной модуляцией при мягкой коммутации транзисторов [3].
Одним из путей разрешения такого рода проблемной ситуации является построение двухфазной схемы преобразователя с коммутационным дросселем (рис. 2), обеспечивающим мягкое переключение транзисторов с широтно-импульсной модуляцией. Этим достигается отсутствие всплесков выделяемой на кристалле МОББЕТ транзистора мгновенной мощности в моменты включения и выключения транзистора [4]. Этот эффект обусловлен переключением транзисторов при нулевом токе, что повышает коэффициент полезного действия посредством уменьшения динамических потерь.
Структурная схема двухфазного преобразователя по схеме Кука с коммутирующим дросселем представлена на рис. 2, а временные диаграммы,
поясняющие принцип работы преобразователя на рис. 3, 4.
В установившемся режиме работы преобразователя в момент времени (см. рис. 2) выключается транзистор УТ1 и включается транзистор УТ2 по сигналам ШИМ контроллера выходными напряжениями драйверов ид1 и ид2. Ток 1ц начинает нарастать, а ток 1Ь4 спадает. Конденсатор С1 подзаряжается до удвоенного значения напряжения источника питания, в то время как конденсатор С3 подразряжается током нагрузки через включенный транзистор УТ2, который выключается в момент времени ?2. Суммарный ток дросселей Ь1 и Ь4 представляет собой потребляемый от источника питания ток 1вх. Аналогично сумма токов 1Ь2 и 1Ь3 выходных дросселей является током нагрузки 1н и током конденсатора фильтра С6.
На интервале выключенного состояния транзистора УТі дроссель Ь2 отдает накопленную энергию в конденсатор фильтра и нагрузку по цепи: вывод дросселя Ь2, диод У01, конденсатор С2, второй вывод дросселя Ь2. Заряженный на интервале времени ?2 — ?5 до удвоенного напряжения источника питания конденсатор С2 на следующем интервале разряжается через транзистор по цепи: плюс конденсатора С3, транзистор УТ2, конденсатор С2, дроссель Ь3, минус конденсатора С3. Дроссель Ь3 при этом накапливает энергию.
В интервале времени ?2 — ?3 оба транзистора выключены, питание нагрузки обеспечивается энергией конденсатора фильтра С2. Дроссель Ь4, конденсатор С3, коммутирующий дроссель Ьк, конденсатор С1, дроссель Ь2 образуют контур, обеспечивающий при максимальных углах регулирования ШИМ контроллера снижение потенциала на стоке выключенного транзистора УТі до отрицательного напряжения, при котором включается встроенный в него обратный диод, как показано на рис. 3. Поскольку потенциал иУТ1 стока выключенного в интервале времени ?1 — ?3 транзистора УТ1 определяется суммой напряжений замкнутого контура, образованного дросселями Ь1, Ь4, Ьк, и к моменту времени ?2 становится равным нулю, то и включение его в момент времени ?3 осуществляется при нулевом напряжении и отрицательном токе ЇУТ1, протекающем через встроенный обратный диод. В интервале времени ?3 — ?5 аналогичные процессы протекают в транзисторе УТ2, работающем в противотактном режиме.
Рассмотрим процессы мягкого включения транзисторов, которые пояснены диаграммами на рис. 4. К концу интервала проводимости, например транзистора УТ1, ток дросселя Ь2 убывает до нулевого значения и под действием напряжения на конденсаторе С2 изменяет свое направление. В это же время ток подзарядки конденсатора С1 снижается, приближаясь к значению, близкому к нулю, и как только он сравняется с током дросселя Ь2, диод УБ1 запирается. Ток дросселя Ь2 продолжает протекать, теперь уже по цепи: вывод дросселя Ь2, конденсатор С1, паразитная емкость сток-исток транзистора УТ1, конденсатор фильтра С2, второй вывод дросселя Ь2. Этим током разряжается паразитная емкость транзистора УТ1 до нулевого значения и перезаряжается до противоположной
полярности, при которой открывается встроенный обратный диод транзистора, который и ограничивает обратное напряжение на транзисторе. Мягкая коммутация транзистора возможна с данного момента времени и до момента, когда накопленная энергия дросселя Ь2 не снизится до нулевого значения. В проти-вотактном транзисторе УТ2 процессы включения протекают аналогично рассмотренным.
Таким образом, к моменту включения транзисторов УТі и УТ2 потенциалы иУТ1 и иУТ2 стока этих транзисторов спадают до нуля, и через встроенные обратные диоды начинает протекать отрицательный ток в направлении исток-сток, как показано на рис. 3. Это приводит к тому, что в момент включения рассеиваемая на кристалле транзистора мощность равна
нулю. В момент выключения транзисторов в предлагаемом преобразователе и в преобразователе по классической схеме Кука динамическая мощность на транзисторах сравнима и находится на уровне статической рассеиваемой мощности.
Кроме того, как показано на рис. 2, токи 1Ь4 и 1Ь1 складываются таким образом, что потребляемый входной ток 1вх преобразователя становится практически постоянным за счет того, что имеет удвоенную частоту пульсаций по отношению к частоте коммутации транзисторов и минимальные амплитуды пульсаций. Аналогично, за счет эффекта сложения токов 1Ь2 и 1Ь3, изменяющихся противоположно, выходной ток 1Н нагрузки преобразователя имеет сглаженную форму постоянного
Рис. 4. Временные диаграммы работы преобразователя
тока. Пиковые значения тока и рассеиваемой мощности транзистора преобразователя по классической схеме Кука во много раз выше значения тока и мощности транзистора рассматриваемого преобразователя. В частности, по результатам имитационного моделирования преобразователя, построенного по классической схеме Кука (см. рис. 1), численные значения амплитуды динамического тока разряда «паразитной» емкости транзистора в моменты включения в 22 раза превышают таковые в математической модели схемы, представленной на рис. 2. Такой эффект сопровождается тем, что пиковые значения амплитуды мгновенной мощности снижаются в сотни раз. В частности, в сравниваемых моделях снижение пиковой мощности достигает 289 раз.
Заключение. Таким образом, рассмотренный преобразователь обладает существенно меньшими динамическими потерями в момент включения транзисторов, обеспечивает повышение коэффициента полезного действия, улучшает надежность и срок службы преобразователя. Также значительно уменьшаются пульсации входного и выходного токов в количество раз, равное количеству параллельно соединенных ячеек преобразователей по схеме Кука с коммутирующими дросселями, соединяющими стоки транзисторов. Не менее важно и то, что коммутирующий дроссель переменного тока Lk определяет строго противофазное изменение переменной составляющей токов дросселей L1, L2, L3, L4 и строгое равенство постоянных составляющих, т.е. придает каждой ячейке «естественные» свойства равномерного распределения этих токов.
Литература
1. Михальченко Г.Я. Научно-технические проблемы электропитания / Г.Я. Михальченко, С.Г. Михальченко, А.Н. Четин // Труды Всерос. научно-техн. конф. - М.: ЗАО «ММП-Ирбис», 2011.
2. U. S. Patent 4,257,087. Mar. 17, 1981. DC-to-DC Switching Converter With Zero Input And Output Current Ripple And Integrated Magnetics Circuits / Slobodan M. Cuk.
3. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Музыченко Н.М. Модуляционные источники питания РЭА. -Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990. - 336 с.
4. Пат. 2464692 РФ, МПК H 02 M 3/335. Преобразователь постоянного напряжения в постоянное (варианты) / Г.Я. Михальченко (РФ), С.В. Маморцев (РФ), С.Г. Михальченко (РФ). - №2 011 134 950 / 07; заявл. 19.08.2011; опубл. 20.10.2012. Бюл. № 29. - 13 с.
Маморцев Степан Валерьевич
Аспирант каф. промышленной электроники ТУСУРа Тел.: 8 (382-2) 90-00-29, доб.107 Эл. почта: stepan_mamortsev@mail.ru
Михальченко Геннадий Яковлевич
Д-р техн. наук, профессор каф. промышленной электроники ТУСУРа
Тел.: 8 (382-2) 41-32-32
Эл. почта: kpe-tusur@yandex.ru
Mamortsev S.V, Mikhalchenko G.Y.
Technology of soft switching of transistors in DC-DC converter
Opportunities of DC-DC converter designing with soft switching of semiconductor switching elements and reducing of input and output currents ripple are explored in article.
Keywords: DC-DC converter, Cuk scheme, dynamic characteristics, commutating choke, soft switching of transistors, ripple.
