CC BY
11СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ CIRCUIT ENGINEERING AND DESIGN
УДК 621.311.6:621.382.3 DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-234-243
Цифровая схема коммутации силовых ключей источников питания в квазирезонансном режиме
Е.А. Иванов, А.Н. Якунин
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
jonny-evildream @yandex. т
При разработке вторичных источников питания наиболее важными составляющими являются повышенный КПД и сниженные массогабаритные параметры. В работе предложены алгоритмы коммутации транзисторов силовой цепи, предназначенные для использования в источниках питания, оборудованных цифровой системой управления. Работа алгоритмов построена на определении моментов времени в процессе преобразования энергии, когда коммутация транзистора происходит с минимальной потерей энергии. В отличие от существующих в рассматриваемых алгоритмах определено несколько таких моментов, и дальнейшая их работа заключается в формировании последовательности управляющих импульсов. Показано, что данная последовательность позволяет коммутировать транзистор в определяемые моменты с разными интервалами времени и носит квазирезонансный характер. Представленные алгоритмы осуществляют коррекцию выходных параметров источника питания за счет использования частотно-импульсной модуляции и коррекции генерируемой последовательности управляющих импульсов. Применение предложенных алгоритмов позволяет снизить уровень загруженности контроллера операциями общения с аналого-цифровым преобразователем до 40 % и уровень электромагнитных помех не менее чем в 2 раза по сравнению с существующими алгоритмами. Наиболее важное их преимущество - модернизированный квазирезонансный подход в определении моментов коммутации силовых ключей, позволяющий поддерживать минимальный уровень теряемой на переключение энергии, увеличить КПД источника питания и уменьшить размер системы отвода тепла.
Ключевые слова: вторичные источники питания; коммутация транзисторов; квазирезонансный режим; частотно-импульсная модуляция; потери энергии; электромагнитные помехи
© Е.А. Иванов, А.Н. Якунин, 2020
Для цитирования: Иванов Е.А., Якунин А.Н. Цифровая схема коммутации силовых ключей источников питания в квазирезонансном режиме// Изв. вузов. Электроника. 2020. Т. 25. № 3. С. 234-243. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-234-243
Digital Switching Circuit of Power Transistors of Power Supplies in Quasi-Resonant Mode
E.A. Ivanov, A.N. Yakunin
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia jonny-evildream@yandex. ru
Abstract: During development of the secondary power supplies the most important components are increased efficiency and reduced weight and size parameters. In the paper the power transistor switching algorithms intended for use in the power supplies, equipped with a digital control system, has been proposed. The work of the algorithms is based on the determination of time points in the process of energy conversion, at which the transistor occurs with the minimal energy loss. Unlike the existing algorithms, being considered, several such algorithms have been determined, and further work of the proposed algorithms consists in forming a sequence of control pulses. It has been shown that this sequence permits to switch the transistor at defined moments with different time intervals, is quasi-resonant in nature. The presented algorithms carry out the correction of the output parameters of the power source through the use of PFM and correction of the generated sequence of control pulses. The application of the presented algorithms permits to reduce the controller load level by the operations of communication with the analog-to-digital converter up to 40% and not less than 2 times to reduce the level of electromagnetic interferences compared to the existing algorithms. Their most important advantage is modernized quasi-resonance approach in determining the switching moments of the power switches, which allows maintaining the minimal level of energy lost on switching, increasing the efficiency of the power source and reducing the size of the heat removal system.
Keywords: secondary power supplies; transistor switching; quasi-resonant mode; pulse frequency modulation; energy loss; electromagnetic interference
For citation: Ivanov E.A., Yakunin A.N. Digital switching circuit of power transistors of power supplies in quasi-resonant mode. Proc. Univ. Electronics, 2020, vol. 25, no. 3, pp. 234-243. DOI: 10.24151/1561-5405-2020-25-3-234-243
Введение. Важнейшими параметрами при разработке конкурентоспособных вторичных источников питания (ИП) являются их габариты и КПД. Такие ИП имеют высокую удельную мощность, которая зависит от указанных параметров в соответствии с формулой
Р
Т) _ вых
уд_ V '
где Руд - удельная мощность ИП, кВт/дм3; Рвых - выходная мощность источника питания, кВт; V- объем ИП, дм3.
Помимо типа электрической схемы и компонентов, на которых построен разрабатываемый ИП, на КПД и габариты влияет метод коммутации транзистора силовой цепи (силовой транзистор). Такая коммутация может производиться с разным количеством рассеиваемой в тепло энергии. Так, коммутация силового транзистора с постоянным временным интервалом без регулирования этого момента для снижения энергетических потерь называется «жесткой» коммутацией [1]. В случае корректировки момента переключения транзистора в зависимости от величины коммутируемого напряжения коммутация будет называться «мягкой» [2, 3]. Мягкая коммутация силовых транзисторов позволяет снизить энергетические потери и, как следствие, габариты системы отвода тепла.
Существуют различные зарубежные и отечественные методики мягкой коммутации, построенные на аналоговых и цифровых решениях. Среди зарубежных решений наиболее распространенными являются методики нулевого тока и нулевого напряжения, применения снабберов [4-6]. Отечественные решения представлены вариантами применения специализированных микросхем [7, 8], использования колебательных контуров [9], внедрения цифровой системы квазирезонансного управления [10]. Внедрение цифровой системы управления, предлагаемое в некоторых методиках, позволяет реализовать дополнительные возможности защиты или функционирования ИП и более гибкого управления в процессе его работы. В связи с этим такая методика является перспективным решением.
В работе предложены отличающиеся от известных алгоритмы коммутации для методик разработки ИП на основе цифровой системы управления. Алгоритмы позволяют высвободить временные ресурсы микроконтроллера и обеспечить квазирезонансное управление силовым транзистором с корректировкой в режиме реального времени.
Принцип работы алгоритма. Алгоритм работы ИП с мягкой коммутацией силового транзистора основан на изменении времени коммутации. Алгоритм определяет моменты времени, когда напряжение на стоке транзистора минимальное, что позволяет снизить потери энергии при переключении. Описываемые моменты времени представлены на рис.1,а и обозначены термином «ложбины» (обозначены кружочком).
Рис.1. Формы коммутируемого напряжения силовой цепи (а) и оцифровываемого
напряжения (б)
Fig.1. Power circuit switched form (a) and digitized voltage form (b)
Для обеспечения описанного переключения в структуре алгоритма можно выделить основные шаги: 1) считывание и фиксация оцифрованных значений коммутируемого силовым ключом напряжения; 2) обработка оцифрованных значений; 3) выработка управляющего воздействия.
На первом шаге происходит оцифровка формы напряжения силовой цепи с заданной частотой дискретизации с помощью внутреннего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера. Считываемые значения фиксируются для дальнейших операций.
Количество обращений к АЦП непосредственно влияет на использование ресурсов микроконтроллера. Если обозначить полную загруженность микроконтроллера вычислительными операциям Т, то опрос АЦП в каждый промежуток времени с 4 по 4 (рис.1, б), когда транзистор выключен, с типовой скважностью £ = 2 составит Т = 0,5 Т, где Т - загруженность микроконтроллера операциями чтения данных с АЦП. Соответственно, при обращении к АЦП для считывания оцифрованных значений формы напряжения в силовой цепи только во время с 4 по 4 для каждой десятой или сотой коммутации транзистора загруженность микроконтроллера операциями общения с АЦП составит:
T
10"
T 1 = 0,5— =T —; 10 20
T 100 = 0,5
100'
■ T-
1
200
Таким образом, чем реже микроконтроллер опрашивает АЦП, тем больше у него остается ресурсов на другие задачи и больше времени система будет реагировать на изменения в форме напряжения силовой цепи.
Последовательный и предсказывающий алгоритмы. Количество обращений к АЦП зависит от способа обработки полученных данных для фиксации положений ложбин и, 4 и 4. На данном этапе предложенные алгоритмы разделяются на последовательный, осуществляющий обработку всего массива значений с 4 по 4, и предсказывающий [11], выполняющий меньшее количество обращений к АЦП. Последовательный алгоритм имеет сходство с алгоритмом работы методики нулевого тока. Его существенное отличие от аналога заключается в фиксации не только первой, но и всех ложбин, которые укладываются в форме напряжения силовой цепи для дальнейшего формирования последовательности управляющих импульсов. Предсказывающий алгоритм определяет меньшее число экстремумов по форме напряжения силовой цепи, представленной на рис.2.
Определение локальных минимумов Х1-Х5 на отрезке [4, 4] - цель обработки считываемых значений алгоритмом. В первую очередь предсказывающий алгоритм перебором значений определяет первый максимум, соответствующий точке М. Следующими определяются минимум Х1 и последующий максимум Х2. Определение экстремумов М, Х1 и Х2 достаточно для
вычисления положения последующих локальных минимумов. После определения экстремума Х2 завершается процесс работы с АЦП. Последующие минимумы устанавливаются исходя из периода затухающих колебаний, равного удвоенному времени между экстремумами Х1 и Х2:
Т=(1Х 2 -X ) 2.
Поскольку момент начала импульса 4, формируемый системой управления, известен, определение времени экстремумов происходит исходя из количества выданных
и, вт
зоо-
200-
100-
0 М 1 Х\ Хъ Х5 2 t, МКС
Рис.2. Определение экстремумов в форме
напряжения силовой цепи Fig.2. Determination of extrema in the form of power circuit voltage
АЦП значений при известной частоте дискретизации. Положение во времени ложбин относительно момента и определяется формулами: ^л==^х; ^Л2 = ^х 1 + ?; ^щ=tXí + 21.
На следующем шаге предсказывающий и последовательный алгоритмы используют одинаковый вариант формирования управляющего сигнала. Управляющий сигнал представляет собой чередующуюся последовательность импульсов с разной длиной. Предлагаемая квазирезонансная составляющая определяется на данном шаге работы алгоритмов и заключается не в корректировке момента коммутации силового ключа по положению первой ложбины, в которой происходит каждое переключение, как в существующих аналогах [12-15], а в чередовании импульсов управления с разными длинами, соответствующими положениям разных ложбин (рис.3).
Рис. 3. Форма коммутируемого напряжения силовой цепи под воздействием последовательности
управляющих импульсов Fig.3. The form of the switched voltage of the power circuit under the influence of a sequence
of control pulses
Импульсам А, B и С соответствуют сигналы управления длительностью t , tи t Лз соответственно. На рисунке отмечены различные по времени промежутки между импульсами. Это вызвано необходимостью регулирования уровня энергии, передаваемой во вторичную обмотку (прямоходовой источник питания) или накапливаемой в трансформаторе (обратноходовой ИП). Например, для обратноходового ИП уровень запасаемой энергии должен оставаться неизменным и соответствовать формуле
W=
Ж ' 2
где L - индуктивность трансформатора, Гн; I - ток, протекающий в первичной обмотке трансформатора, А.
Рекомендованная последовательность импульсов для работы алгоритмов имеет вид А, B, С, B, А, B, С, B,... Такая последовательность получена экспериментальным путем и обеспечивает гибкую возможность коррекции алгоритмом процесса коммутации. Коррекция заключается в периодической проверке импульса B на положение первой ложбины и последующей корректировке рабочих точек всей последовательности при необходимости.
Типовая рекомендуемая последовательность А, B, С, B, А, B, С, B,... может быть изменена микроконтроллером для увеличения выходной мощности источника питания в ущерб уменьшения времени реакции системы на отклонение рабочей точки или времени опроса АЦП. Для этого может быть использовано два способа:
- увеличение количества длительных импульсов в последовательности. Например, рекомендуемая последовательность может принять следующий вид: А,B£,B,А££,B,...^А,B,C,А,B£,А,B£,...^А,C,B£,А,C,B,C,... В данном случае, чем больше длительных импульсов находится между короткими контрольными импульсами B, по которым алгоритм производит коррекцию времени коммутации, тем реже происходит эта коррекция и уменьшается время реакции системы на смещение рабочей точки;
- переход алгоритма к последовательности импульсов с дополнительной ложбиной. В данном случае выполняется переопределение средних импульсов B в короткие импульсы A, длинных C в средние B и происходит увеличение длинных импульсов C до C+. Импульсы C+ удлиняются на один период колебаний до следующей ложбины.
Рис.4. Структура последовательного алгоритма Fig.4. Sequential algorithm structure
Рис.5. Структура предсказывающего алгоритма Fig.5. Predictive algorithm structure
Помимо мягкой коммутации по представленной последовательности алгоритмы должны осуществлять коррекцию последовательности для стабилизации уровня выходного напряжения подконтрольного ИП. Поскольку широтно-импульсная модуляция в данном случае затруднена ввиду наличия квазирезонансной составляющей, рекомендуется использовать частотно-импульсную модуляцию (ЧИМ).
На рис.4 и 5 приведены структуры последовательного и предсказывающего алгоритмов. Счетчик отсчитывает количество коммутаций силового ключа до проверки
формы напряжения силовой цепи и последующей коррекции управляющей последовательности сигналов, вырабатываемых микроконтроллером. Предсказывающий алгоритм содержит операции (выделены серым цветом на рис.5), которые отличают его от последовательного алгоритма.
Заключение. Предсказывающий алгоритм позволяет снизить загруженность контроллера операциями общения с АЦП до 40 % по сравнению с алгоритмами последовательного считывания полного сигнала. Это достигается за счет применения расчетного подхода для определения времени между ложбинами.
Применение квазирезонансного подхода в предложенных алгоритмах снижает уровень электромагнитных помех [16] на рабочей частоте подконтрольного источника питания не менее чем в 2 раза, так как распределение управляющих импульсов происходит в расширенном спектре частот.
Постоянный контроль рабочей точки за счет рефлексии алгоритма позволяет упростить и уменьшить систему отвода тепла контролируемого ИП или совсем отказаться от нее, увеличив удельную мощность последнего. При условии использования интегрированного планарного трансформатора [17] снижение высоты ИП может варьироваться в пределах 2-15 мм в зависимости от конструкции.
Литература
1. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. 632 с.
2. Kosenko R., Vinnikov D. Soft-switching current-fed flyback converter with natural clamping for low voltage battery energy storage applications // IFIP Advances in Information and Communication Technology. 2017. No. 499. P. 429-436.
3. Sokol Y., Ivakhno V., Zamaruiev V., Stysko B. Full soft switching dual DC/DC converter with quadrant switch for systems with battery energy storage system // IEEE 3RD International Conference on Intelligent Energy and Power Systems. 2018. C. 155-160.
4. McMurray W. Optimum snubbers for power semiconductors // IEEE IAS Transactions. 1972. Vol. I. No. 5. P. 593-600.
5. McMurray W. Selection of snubbers and clamps to optimize the design of transistor switching convert-ers//IEEE IAS Transactions. 1980. Vol. I. No. 4. P. 513-523.
6. Zhang Yi., Sobhani S., Chokhawala R. Snubber considerations for IGBT applications, international rectifier designer's manual // IGBT-3. TPAP-5. 1995. P. 135-144.
7. Резников С.Б., Бочаров В.В., Харченко И.А., Ермилов Ю.В. Способ импульсного преобразования напряжения и устройство для его осуществления // Патент России №2510871 РФ. 2014. Бюл. № 10.
8. Антонов А.А., Карпович М.С., Пичугин И.В., Васильев В.Ю. Разработка и верификация интегральной микросхемы драйвера «мягкой» коммутации силовых ключей для мощных источников электропитания // Нано- и микросистемная техника. 2015. №9. С. 57-64.
9. Кабелев Б.В. Способ обратноходового импульсного преобразования постоянного напряжения // Патент России №2125334. 1996. Бюл. № 29.
10. Иванов Е.А. Методика уменьшения значения коммутируемого напряжения в силовых ключах обратноходовых источников питания // Нано- и микросистемная техника. 2017. Т. 19. №11. С. 694-698.
11. Иванов Е.А., Якунин А.Н. Алгоритм коммутации силовых ключей обратноходовых источников питания в квазирезонансном режиме с низкими энергетическими потерями // Материалы научно-практической конференции «Актуальные проблемы информатизации в науке и образовании - 2018». 2018. С.48-54.
12. Силкин Е., Применение нулевых схем инверторов тока с квазирезонансной коммутацией // Силовая электроника. 2005. №5. С. 84-87.
13. Ниткин Д.А., Петрашевская А.А. Анализ рабочих процессов в двунаправленном конвертере напряжения с коммутацией при нулевом токе // Вестник Ростовского государственного университета пу -тей сообщения. 2012. №2. с. 165-174.
14. Горяшин Н.Н., Лукьяненко М.В., Соломатова А.А., Хорошко А.Ю. Моделирование режимов параллельной работы квазирезонансных преобразователей напряжения с коммутацией ключевых элемен-
тов при нулевых значениях тока // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2009. №4. С. 53-58.
15. Горяшин Н.Н., Зорин А.Н. Исследование повышающего преобразователя напряжения с режимом коммутации ключевого элемента при нулевых значениях тока // Решетневские чтения. 2011. Т. 1. № 15. С. 166-167.
16. Мирошниченко Е.Л., Ивановский О.Я. Способы борьбы с электромагнитными помехами источников питания // Современные тенденции развития науки и технологий. 2017. №2. С.42-45.
17. Любимов А.В., Иванов Е.А., Коровин Г.В. Планарный трансформатор // Патент России №176671. 2018. Бюл. № 3.
Поступила в редакцию 20.12.2019 г.; после доработки 20.12.2019 г.; принята к публикации 17.03.2020 г.
Иванов Евгений Андреевич - аспирант Института микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), j onny-evildream@yandex.ru
Якунин Алексей Николаевич - доктор технических наук, профессор Института микроприборов и систем управления имени Л.Н. Преснухина Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), needcar@mail.com
References
1. Meleshin V.I. Transistor Converter Technology. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2005. 632 p. (in Russian).
2. Kosenko R., Vinnikov D. Soft-switching current-fed flyback converter with natural clamping for low voltage battery energy storage applications. IFIP Advances in information and communication technology, 2017, no. 499, pp. 429-436.
3. Sokol Y., Ivakhno V., Zamaruiev V., Stysko B.Full soft switching dual DC/DC converter with quadrant switch for systems with battery energy storage system. IEEE 3RD International conference on intelligent energy and power systems, 2018, pp.155-160.
4. McMurray W. Optimum snubbers for power semiconductors. IEEE IAS transactions, 1972, vol. I, no. 5, pp. 593-600.
5. McMurray W. Selection of snubbers and clamps to optimize the design of transistor switching converters. IEEE IAS transactions, 1980, vol. I, no. 4, pp. 513-523.
6. Zhang Yi., Sobhani S., Chokhawala R.Snubber considerations for IGBT applications, international rectifier designer's manual. IGBT-3. TPAP-5. 1995. pp. 135-144.
7. Reznikov S.B., Bocharov VV, Harchenko I.A., Ermilov Y.U. Method for pulse voltage conversion and device for its implementation. Patent №2510871 RF. 2014. (in Russian).
8. Antonov A.A., Karpovich M.S., Pichugin I.V, Vasil'ev V Development and verification of an integrated driver microcircuit for soft switching power keys for powerful power sources. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano and microsystem technology, 2015, no. 9, pp. 57-64. (in Russian).
9. Kabelev B.V Method offlyback pulsed DC voltage conversion. Patent №2125334.1996. (in Russian).
10. Ivanov E.A. Methods of reducing the value of the switched voltage in the power switches of flyback power supplies. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika = Nano and microsystem technology, 2017, vol 19, no. 11. pp. 694-698. (in Russian)
11. Ivanov E.A., Yakunin A.N. Algorithm for switching power keys of flyback power supplies in quasi-resonant mode with low energy losses. Materials of the scientific-practical conference «Actual problems of informatization in science and education-2018». 2018. pp. 48-54. (in Russian).
12. Silkin E. The use of zero current inverters with quasi-resonant switching. Silovaya ehlektronika = Power Electronics, 2005, no. 5. pp. 84-87 (in Russian).
13. Nitkin D.A., Petrashevskaya A.A. Analysis of working processes in a bidirectional voltage converter with switching at zero current. Vestnik Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putej soobshcheniya = Bulletin of the Rostov State University of Railway Engineering, 2012, no. 2. pp. 165-174. (in Russian).
14. Goryashin N.N., Luk'yanenko M.V., Solomatova A.A., Horoshko A.Yu. Modeling of parallel operation modes of quasi-resonant voltage converters with switching of key elements at zero current values. Vestnik
Sibirskogo Gosudarstvennogo Aehrokosmicheskogo Universiteta IM. akademika M.F. Reshetneva = Bulletin of the Siberian State Aerospace University. Academician M.F. Reshetneva, 2009, no. 4, pp. 53-58. (in Russian).
15. Goryashin N.N., Zorin A.N. Study of a step-up voltage converter with switching mode of a key element at zero current values.Reshetnevskie chteniya = Reshetnev readings, 2011, vol. 1, no. 15, pp. 166-167. (in Russian).
16. Miroshnichenko E.L., Ivanovskij O.Ya. Methods of dealing with electromagnetic interference of power sources. Sovremennye tendencii razvitiya nauki i tekhnologij = Modern trends in the development of science and technology, 2017. no. 2, pp. 42-45. (in Russian).
17. Lyubimov A.V., Ivanov E.A., Korovin G.V. Planar transformer. Patent №176671 RF. 2018. (in Russian).
Received 20.12.2019; Revised 20.12.2019; Accepted 17.03.2020. Information about the authors:
Evgeniy A. Ivanov - PhD student of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Ze-lenograd, Shokin sq., 1), jonny-evildream@yandex.ru
Alexey N. Yakunin - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Microdevices and Control Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), needcar@mail.com
Уважаемые авторы и читатели!
Вышел в свет журнал
SEMICONDUCTORS
Vol. 53, No. 15,2019. - ISSN PRINT: 1063-7826,
ISSN ONLINE: 1090-6479, в котором опубликованы избранные статьи
журнала «Известия вузов. Электроника».
http://pleiades.online http://link.springer.com
