Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2008 год.

Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2008 год. Повышение эффективности обратноходовых преобразователей Джон Беттен, Брайан Кинг (Texas Instruments)

Во многих устройствах применяют обратноходовые преобразователи (flyback) из-за простоты и низкой стоимости, а не из-за их высокой эффективности. Не спешите отказываться от их применения, так как всего несколько рекомендаций инженеров компании Texas Instruments помогут Вам сократить потери почти на 10%.

В стандартном обратноходовом преобразователе выходной выпрямительный диод вносит существенный вклад в суммарные потери преобразования. Средний ток в выходном диоде равен постоянному выходному току, а пиковое значение тока может быть в несколько раз выше, в зависимости от длительности рабочего цикла. Падение напряжения на диоде Шоттки около 0,5 В, на стандартных диодах с PN-переходом - 0,8 В. Такое падение напряжения на диоде ведет к относительно высоким потерям и значительному снижению КПД. Использование транзистора MOSFET вместо диода при синхронном выпрямлении значительно уменьшает потери преобразования. На рисунке 1 представлен стандартный способ преобразования источника питания с диодным выпрямителем в источник питания с синхронным выпрямлением на МОП-транзисторе.

 

 

Рис. 1. Замена диода на МОП-транзистор с синхронным выпрямлением
а) до замены, б) после замены

Для преобразования DC/DC с топологией flyback (a) в конвертер с синхронным выпрямлением можно заменить выходной диод МОП-транзистором с каналом n - типа (MOSFET) и добавить обмотку к силовому трансформатору для формирования сигнала управления MOSFET.

Низкое сопротивление МОП-транзистора в открытом состоянии приводит к меньшим потерям, чем сопротивление выходного диода. Таким образом, значительно увеличивается КПД при одинаковой нагрузке. Принцип работы преобразователя с топологией flyback и выпрямительным диодом существенно отличается от синхронного обратноходового преобразователя с МОП-транзистором. На рисунке 2 представлены осциллограммы напряжения и тока в обратноходовых преобразователях с выпрямительным диодом (а) и с МОП-транзистором (б) в режиме синхронного выпрямления.

 

 

Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока в обратноходовых преобразователях

Выходной диод в стандартном обратноходовом преобразователе не позволяет току во вторичной обмотке трансформатора протекать в обратном направлении. При малой нагрузке эта ситуация ведет к переходу в режим с разрывом тока, при котором ток вторичной обмотки трансформатора полностью уменьшается до нуля в конце каждого цикла (а). Через синхронный МОП-транзистор ток может протекать и в обратном направлении, благодаря чему синхронный преобразователь работает в режиме без разрыва тока независимо от величины нагрузки (б).

В схеме с МОП-транзистором при синхронном выпрямлении перепады тока значительно меньше по сравнению со схемой с выпрямительным диодом, поэтому синхронный выпрямитель обеспечивает лучшие динамические характеристики даже при нулевой нагрузке. Однако эффективность преобразования конвертера с синхронным выпрямителем сильно снижается при малой нагрузке, так как обратный ток через транзистор становится соизмерим с выходным током. Суммарные потери в трансформаторе и МОП-транзисторе при синхронном выпрямлении из-за обратных токов больше, чем аналогичные потери в схеме с выпрямительным диодом, так как в последней схеме обратный ток во много раз меньше выходного тока.

Хотя синхронный МОП-транзистор значительно снижает тепловые потери, его использование приводит к снижению эффективности преобразования из-за большого обратного тока. Потери в ключе также происходят из-за входной емкости затвора МОП-транзистора, который заряжается и разряжается в течение каждого цикла. Для исключения сквозных токов начало открывания транзистора на первичной обмотке трансформатора должно немного опережать начало закрывания транзистора синхронного выпрямителя. Такая ситуация провоцирует короткое замыкание в трансформаторе во время включения и может привести к значительным потерям энергии. В управляемом синхронном обратноходовом преобразователе при включении первичного МОП-транзистора должен выключаться транзистор синхронного выпрямителя. Следовательно, невозможно устранить сквозные токи в то время, когда силовой трансформатор передает сигнал непосредственно синхронному МОП-транзистору. Управляемый синхронный МОП-транзистор должен иметь минимальные задержки при включении и выключении для минимизации потерь от сквозных токов. Хотя правильно сконструированный преобразователь с синхронным выпрямителем вносит дополнительные потери переключения, тепловые потери при его использовании значительно ниже, чем потери из-за прямого падения напряжения на выпрямительном диоде. Одно это достоинство синхронного выпрямителя перевешивает все недостатки при его использовании.

На рисунке 3 показано, как можно добавить в синхронный преобразователь изолированный сигнал управления затвором с регулируемой задержкой для устранения потерь от сквозных токов.

 

 

Рис. 3. Введение регулируемой задержки при включении и выключении транзистора синхронного выпрямителя для устранения сквозных токов
а) без задержки, б) с задержкой

Дополнительный трансформатор необходим для обеспечения гальванической изоляции и обеспечения необходимого уровня на затворе транзистора синхронного выпрямителя. Для регулировки напряжения на первичной и вторичной сторонах синхронного выпрямителя необходим ШИМ-контроллер (PWM) типа UCC2897. Формируемые задержки должны быть достаточно длительными для того, чтобы синхронный МОП-транзистор успел полностью закрыться перед включением транзистора в первичной цепи. Чрезмерная задержка вызывает перегрев встроенного диода на одном или обоих транзисторах MOSFET и приводит к дополнительным потерям преобразования энергии. Поэтому необходимо использовать контроллер с регулируемой задержкой для минимизации потерь, так как оптимальное время выключенного состояния зависит от задержек на первичной и вторичной сторонах, скорости передачи сигнала, индуктивности рассеяния силового трансформатора и параметров драйвера затвора МОП-транзистора.

На рисунке 4 показано, как дополнительно повысить (4б) эффективность преобразования, введя снабберные цепи и одновременно управляя первичной и вторичной цепями конвертера с помощью активного ограничения тока транзисторов.

 

 

Рис. 4. Осциллограммы напряжения и тока в обратноходовых преобразователях

Такая конфигурация часто называется обратноходовой DC/DC-преобразователь с активным демпфированием. В предыдущих схемах демпфер используется для уменьшения выброса напряжения между стоком и истоком на МОП-транзисторе первичной цепи. Выброс напряжения происходит при выключении транзистора первичной цепи и из-за утечки энергии в первичной обмотке трансформатора. Демпфер RCD (резистор - конденсатор - диод) рассеивает энергию импульса на резисторе снаббера, если амплитуда импульса превышает напряжение ограничения.

На рисунке 5 показано напряжение между стоком и истоком с регулируемой скважностью для синхронного обратноходового выпрямителя в режиме холостого хода с использованием RCD-демпфера (а) и в режиме активного ограничения (б).

 

 

Рис. 5. Напряжение между стоком и истоком обратноходового выпрямителя в режиме холостого хода с использованием RCD-демпфера (а) и в режиме активного ограничения (б)

Активное ограничение устраняет высокочастотные выбросы. Кроме того, активное ограничение выбросов напряжения значительно сокращает потери при переключении и снижает электромагнитные помехи.

В дополнение к фактическому устранению утечки тока активное ограничение напряжения и тока значительно снижает потери переключения и минимизирует электромагнитные помехи. Во многих случаях демпфер с активным ограничением позволяет использовать первичный МОП-транзистор с более низким напряжением сток - исток, который может еще больше сократить потери, так как низковольтные МОП-транзисторы имеют меньшее сопротивление канала в открытом состоянии, а следовательно, и меньшие тепловые потери.

На рисунке 6 показано, как можно повысить КПД преобразования обратноходового преобразователя в реальных условиях эксплуатации.

 

 

Рис. 6. Улучшение параметров DC/DC-преобразователей с переходом на более эффективные схемы конвертеров

Источник питания преобразует напряжение 48 В в выходное напряжение 3,3 В с максимальным током до 3,5 А. Переход от схемы с выпрямительным диодом к схеме обратноходового преобразователя с синхронным выпрямлением повышает КПД преобразования более чем на 7%, но при выходном токе менее 1 А эффективность преобразования значительно уменьшается. Такая ситуация возникает из-за потерь в драйвере затвора, а также потерь из-за сквозных токов при переключении, к которым приводит использование синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах.

Дополнение системы регулируемой длительности паузы между импульсами значительно увеличивает эффективность преобразования при малых значениях нагрузки и устраняет потери от сквозных токов. (cм. рис. 7) КПД при полной нагрузке остается почти неизменным, так другие типы потерь доминируют над потерями синхронного МОП-транзистора.

 

 

Рис. 7.  Эффект от добавления схемы управления задержкой

На рисунке 8 представлены графики зависимости КПД при разных длительностях паузы между импульсами в схеме с активным ограничением, а также их влияние на эффективность преобразования для разных режимов нагрузки.

 

 

Рис. 8. Зависимость КПД от тока нагрузки для разных пауз между импульсами

Более длительная задержка, устанавливаемая на ШИМ-контроллере UCC2897, требует большего номинала задающего резистора и значительно увеличивает КПД при малых нагрузках, уменьшая потери от сквозных токов в этом режиме. Но такая длительная задержка увеличивает тепловые потери синхронного МОП-транзистора и при полной нагрузке снижает его КПД преобразования на 1%. Тепловые потери встроенного диода синхронного МОП-транзистора при полной нагрузке превышают потери из-за сквозных токов при использовании более низкого сопротивления, задающего длительность паузы между импульсами. В некоторых ситуациях вам придется выбирать между максимальной производительностью на малых нагрузках по току и максимальной нагрузкой, выбирая подходящие значения резистора, определяющего длительность задержки.

На рисунке 9 представлен источник питания обратноходового преобразователя с активным ограничением, обеспечивающий данный конвертер всеми перечисленными в статье способами повышения эффективности преобразования.

 

 

Рис. 9. Источник питания обратноходового преобразователя с активным ограничением

Эта схема при максимальной нагрузке имеет КПД на 10% больше, чем при малых выходных токах и имеет почти такую же эффективность на малых нагрузках, как и оригинальная схема с выпрямительным диодом.

Вернуться к содержанию номера







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.