Однотактный прямоходовый преобразователь с активным ограничением напряжения

Однотактный прямоходовый преобразователь

Рассмотрим принципиальную схему однотактного однофазного прямоходового преобразователя (Рис.1), которую зарубежом называют «forward».

Рис.1. Схема однотактный прямоходового преобразователя

Пусть в течении прямого хода ключевой транзистор VT1 открыт, через первичную обмотку трансформатора TV1 протекает ток, создающий магнитное поле в сердечнике. На вторичной обмотке наводится напряжение, которое подведено к нагрузке, выпрямляемое диодом VD1 и сглаживаемое конденсатором С1. Через нагрузку в течении прямого хода протекает ток. В течении обратного хода полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора TV1 становится противоположной. При этом выпрямительный диод VD1 закрыт, и ток через нагрузку обеспечивает конденсатор С1.

Для того чтобы снизить остаточную индукцию и уберечь магнитопровод однотактного прямоходового преобразователя от захода петли гистерезиса в область насыщения, в нем на пути магнитного потока обычно создают немагнитный зазор. Если этой меры будет недостаточно или введение зазора недопустимо из-за снижения магнитной проницаемости, на магнитопроводе можно уложить дополнительную обмотку рекуперации, подключенную к источнику питания преобразователя через диод, благодаря чему в течение обратного хода энергия, запасенная в магнитном поле, возвратится в источник питания.

На выходах сток-исток или коллектор-эмиттер ключевого транзистора однотактного прямоходового преобразователя во время работы возникают импульсы напряжения прямоугольной формы. Импульсы тока, протекающие через первичную обмотку трансформатора, имеют форму прямоугольной трапеции, причем амплитуда плавно возрастает от фронта до спада импульса. Форму можно представить как прямоугольник, на который поместили прямоугольный треугольник. Такую же форму имеют импульсы тока, протекающие по первичным обмоткам двухтактных полумостовых, мостовых и push-pull преобразователей.

Однотактные прямоходовые преобразователи обладают мощностью примерно от единиц ватт до киловатта.

Их достоинства:

• наличие всего одного ключевого транзистора;
• магнитопровод импульсного трансформатора имеет меньшие габариты, чем магнитопровод трансформатора однотактного обратноходового преобразователя при прочих одинаковых условиях эксплуатации и близких режимах работы.

Недостатком однотактного прямоходового преобразователя является подмагничивание сердечника трансформатора, вызванное несимметричным циклом перемагничивания петли гистерезиса. Из-за этого КПД такого преобразователя обычно меньше, чем у двухтактных преобразователей с симметричным перемагничиванием импульсного трансформатора.

Принципиальная невозможность использования эффективных систем симметрирования в однотактных преобразователях является недостатком. Предельную петлю гистерезиса магнитопровода однотактного прямоходового преобразователя может спасти только быстродействующая система защиты, в противном случае они будут выведены из строя.

К закрытому ключевому транзистору приложено удвоенное напряжение питания преобразователя и напряжение индуктивного выброса, что накладывает некоторое ограничение на выбор компонента.

Источник

Особенности проектирования однотактного прямоходового понижающего преобразователя с активным ограничением напряжения

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 25.05.2021 2021-05-25

Статья просмотрена: 50 раз

Библиографическое описание:

Уласов, Г. А. Особенности проектирования однотактного прямоходового понижающего преобразователя с активным ограничением напряжения / Г. А. Уласов, А. Н. Крюков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 22 (364). — С. 126-131. — URL: https://moluch.ru/archive/364/81551/ (дата обращения: 13.12.2021).

В статье рассматриваются основные топологии построения современных низковольтных импульсных преобразователей напряжения, их достоинства и недостатки, составлена в Altium Designer 20 и промоделирована в САПР OrCAD 17.4 электрическая принципиальная схема понижающего преобразователя напряжения с активным ограничением напряжения, с использованием отечественной микросхемы 1363ЕУ1У. Дополнительно рассмотрена возможность применения синхронного выпрямителя в данной топологии.

Ключевые слова: низковольтный источник питания, преобразователь постоянного напряжения, активное ограничение напряжения, синхронный выпрямитель.

Стратегией национальной безопасности Российской Федерации определены цели реформирования Вооружённых сил. Задача модернизации систем связи и разработки новых, частью которых служит понижающий преобразователь напряжения, является актуальной.

Известно, что преобразователи напряжения делятся на однотактные, в которых энергия передаётся на выход только в течение одного такта полного цикла преобразования, и двухтактные, в которых используются обе части цикла преобразования. У двухтактных меньшая установленная мощность ключей, они имеют более высокий КПД и равномерное рассеивание мощностей на силовых элементах, но их недостатками является большее количество элементов и повышенная сложность управления ключами, что в разы увеличивает стоимость производства и габариты.

Однотактные преобразователи дешевле и проще в исполнении. Если в них энергия передаётся в нагрузку при замкнутом ключе, преобразователь называют прямоходовым, если при разомкнутом ключе, то преобразователь называют обратноходовым. Имеется несколько способов построения таких преобразователей, каждый из которых имеет свои особенности.

Схемотехника построения однотактных понижающих преобразователей

Если в схеме преобразователя напряжения используются стабилитрон и диод, подключенные параллельно первичной обмотке, то рассеиваемая мощность заметно ухудшит КПД устройства. Если отдавать энергию в первичный источник напряжения посредством двух диодов и двух ключей на первичной стороне, то такой вариант работает лучше предыдущего со стабилитроном, но имеет большое количество элементов, и необходимо дополнительно управлять работой. Такая схема будет проигрывать в стоимости. Можно решить проблему рекуперации энергии в первичный источник установкой дополнительной обмотки на первичной стороне. Данная схема нашла применение в многоканальных устройствах на мощностях до сотен ватт, но вызванный индуктивностью выброс («шпилька») напряжения на запираемом ключе требует высоковольтного транзистора с большим сопротивлением в открытом состоянии R _{cu .отк} и сложных R-C-VD демпфирующих цепей, в которых будет рассеиваться энергия, высвобождаемая из индуктивности L _s .

Устранение вышеописанных недостатков возможно использованием активного ограничения напряжения — последовательно соединенных ключа и конденсатора.

Рис. 1. Схема ОПП с активным ограничением напряжения

Ключ Т2 — дополнительный транзистор, который работает противофазно с основным ключом Т1 (рисунок 1). Если ключ Т1 замкнут, то разомкнут ключ Т2, и наоборот. Если рассматривать неидеальный, а реальный случай, то между запиранием одного транзистора и включением другого имеется пауза в несколько десятков наносекунд для того, чтобы предотвратить сквозной ток через транзисторы Т1 и Т2. Период работы преобразователя делится на два интервала: импульс (t _и ) — замкнут основной ключ Т1 и паузу — замкнут ключ Т2.

Схема активного ограничения напряжения («клампа», элементы Т2 и С) влияет на режим работы трансформатора. В интервале t _и ток i _c равен нулю, постоянной составляющей тока нет в конденсаторе и в интервале паузы. В интервале t _п через конденсатор проходит только ток намагничивания i _μ , трансформатора. Поэтому в интервале паузы под действием напряжения на конденсаторе U _c происходит размагничивание сердечника трансформатора.

Рис. 2. Движение рабочей точки на кривой перемагничивания сердечника

При использовании цепи активного ограничения напряжения рабочая точка на кривой перемагничивания сердечника проходит в интервале t _п точку В _r , и ток намагничивания изменяет свое направление (рисунок 2). [1]

Прямоходовые преобразователи эффективнее обратноходовых [2]:

— МОП-транзисторы имеют меньшее напряжение сток-исток и сопротивление открытого канала RDS (on).

— два магнитных компонента: трансформатор гальванической развязки и индуктивность LC-фильтра нагреваются меньше, чем единственный трансформатор в обратноходовом источнике питания;

— с увеличением числа силовых элементов можно распределить ток по 2 ключам и увеличить эффективность ОПП, однако повышается площадь печатной платы и стоимость устройства.

Изложенное выше стало основой выбора для проектирования схемы однотактного прямоходового понижающего преобразователя.

Результаты проектирования однотактного прямоходового понижающего преобразователя

Были заданы диапазон изменений входного напряжения 24–32В, выходное напряжение 3,3В, выходной ток 2А, гальваническая развязка входа и выхода. С использованием типовой схемы включения составлена принципиальная электрическая схема преобразователя в программе Altium Designer 20 на отечественной микросхеме 1363ЕУ1У. САПР не имеет возможности имитационного моделирования.

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения

Для определения параметров преобразователя был найден зарубежный аналог микросхемы 1363ЕУ1У — LM5025, с помощью типовой схемы включения в [3] построена модель преобразователя в САПР OrCAD 17.4 (рисунок 4) и проведён анализ его работы (рисунок 5).

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема модели преобразователя

В данной топологии уместно применение синхронного выпрямителя на вторичной стороне, и чем больше выходное напряжение, тем выгоднее становится этот вариант с точки зрения потерь. Это обосновывается тем, что падение напряжения на диодах Шоттки в худшем случае составит 0,6 В, что при токе в 2 А даёт 1,2 Вт потерь на каждом диоде. При использовании вместо них полевых транзисторов с низким (порядка 0,01 Ом) сопротивлением сток-исток потери снизятся до 0,04 Вт. Для управления ключами потребуется драйвер управления. При низком выходном напряжении представляет сложность быстро пройти цикл заряда-разряда ёмкости транзистора и преодолеть плато Миллера, величина которого увеличивается с ростом температуры. Например, для транзистора, работающего от логического уровня ИС 2П7231А9, максимальная величина затвор-исток при температуре 125ºС равна 2,8 В, что сразу отсеивает схемы с меньшим выходным напряжением.

Рис. 5. Временные диаграммы работы модели

По временным диаграммам видно, что заданные выходное напряжение и ток устанавливаются за 0,3 мс, напряжение на стоках транзисторов в точке Vswitch1 устанавливается за 1 мс. Этот переходной процесс обуславливается циклом заряда-разряда конденсатора (Caclamp) активного ограничителя напряжения и паразитной индуктивностью первичного подмагничивания трансформатора (Lpri1).

Проектирование понижающих преобразователей напряжения на отечественной элементной базе затрудняется не полным соответствием имеющихся инструментов поставленным задачам. Увеличивается количество ручных операций и время на верификацию модели.

На следующем этапе будет собран макет для подтверждения или опровержения результатов моделирования.

Источник

Какой преобразователь лучше: обратноходовой или прямоходовой?

Введение

Битлз или Роулинг Стоунз? Майкл Джордан или Леброн Джеймс? Бифштекс глубокой или средней прожарки? Прямоходовой или обратноходовой преобразователь? Это лишь некоторые из вечных вопросов, по которым люди спорят на протяжении многих лет, энергично отстаивают свое мнение и не находят единственно верного ответа. Но, по правде говоря, в каждом из этих примеров оба варианта ответа имеют свои преимущества, а потому, правильным ответом может быть и тот и другой.

В этой статье мы сосредоточимся на прямоходовых и обратноходовых преобразователях. Мы обсудим характеристики прямоходовой топологий с активным ограничением и обратноходовой схемы, работающей в режиме непрерывных токов (continuous conduction mode), продемонстрируем преимущества и недостатки каждой из них на примере двух источников питания. В частности, мы рассмотрим PoE-источники питания (Power over Ethernet) мощностью 51 Вт, которые соответствуют стандарту IEEE 802.3bt и предназначены для телекоммуникационных приложений.

В новом стандарте максимальная мощность была увеличена до 71 Вт, благодаря чему прямоходовая топология стала более привлекательной, чем она была ранее, когда максимальная мощность составляла 25,5 Вт. В то же время появляются новые типоразмеры и технологии сердечников трансформаторов, что приводит к увеличению мощности и эффективности обратноходовых преобразователей. В результате этих улучшений, а также благодаря развитию силовых полупроводниковых ключей, требуется по-новому взглянуть на вопрос: какой же преобразователь лучше: прямоходовой или обратноходовой?

Анализ принципов работы и особенностей прямоходовых и обратноходовых преобразователей выходит за рамки данной статьи. Тем не менее, выполняемый в статье краткий обзор каждой топологии, помогает выделить сходства и различия, а также сильные и слабые стороны обоих типов преобразователей.

Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Типовая схема прямоходового преобразователя с активным ограничением показана на рисунке 1. Для простоты на схеме представлены только силовые ключи, трансформатор, выходной фильтр и контроллер. Вспомогательные компоненты, например, относящиеся к обвязке контроллера, не показаны для большей наглядности.

Рис. 1. Прямоходовой преобразователь с активным ограничением

Контроллер управляет двумя силовыми МОП-транзисторами Q_PRI и Q_CLAMP, расположенными на первичной стороне. Ключи коммутируются поочередно с высокой частотой (100 кГц). Когда один силовой транзистор включен, другой должен быть выключен. Отношение части периода, в течение которого Q_PRI включен (Q_CLAMP выключен), к полному периоду коммутации называется рабочим циклом или коэффициентом заполнения D. Рабочий цикл определяет плотность следования импульсов напряжения в первичной обмотке трансформатора V_PRI. Благодаря магнитной связи между обмотками эти импульсы передаются на вторичную сторону преобразователя. Напряжение на вторичной обмотке V_SEC масштабируется в соответствии с коэффициентом трансформации (N), определяемым соотношением числа витков в обмотках.

Напряжение на вторичной стороне выпрямляется с помощью синхронного выпрямителя, состоящего из силовых МОП-транзисторов Q_FWD и Q_FREE. Выпрямленное напряжение поступает на выходной фильтр, образованный индуктивностью L_OUT и конденсатором C_OUT. Этот низкочастотный LC-фильтр необходим для преобразования последовательности импульсов в постоянное напряжение на выходе источника питания. Выходное напряжение оказывается пропорциональным величине рабочего цикла D и коэффициенту трансформации N. Импульсы напряжения на вторичной обмотке (V_SEC) также часто используются для управления силовыми МОП-транзисторами, которые выполняют функцию выпрямительных диодов. Такая схема называется схемой синхронного выпрямления (Synchronous Rectifcation , SR). Она обеспечивает более высокую эффективность, по сравнению с обычными диодами.

Обратноходовая топология

Типовая схема обратноходового преобразователя показана на рис. 2. Контроллер управляет силовым МОП-транзистором, расположенным на первичной стороне (Q_PRI), и МОП-транзистором синхронного выпрямителя на вторичной стороне (Q_SYNC). Включение транзисторов происходит поочередно. Как и в случае с прямоходовым преобразователем, силовой ключ Q_PRI коммутируется с высокой частотой и изменяемым рабочим циклом D. Напряжение на первичной обмотке трансформатора V_PRI передается на вторичную сторону V_SEC. В отличие от рассмотренной ранее прямоходовой схемы, накопление энергии происходит непосредственно в трансформаторе в интервалах, когда включен транзистор Q_PRI. Затем, когда Q_PRI выключается, включается Q_SYNC, и накопленная энергия передается в нагрузку.

Рис. 2. Обратноходовой преобразователь с синхронным выпрямлением

Таким образом, транзистор Q_SYNC отвечает за выпрямление переменного импульсного напряжения на вторичной обмотке. Для включения и выключения Q_SYNC необходим сигнал управления, формируемый контроллером, который расположен на первичной стороне. Для гальванической развязки этого сигнала используется дополнительный маломощный трансформатор.

Схема фильтрации в обратноходовой топологии также отличается от схемы, применяемой в прямоходовых преобразователях. В качестве индуктивности выходного LC-фильтра выступает вторичная обмотка трансформатора. Результирующее постоянное напряжение V_OUT1 на выходе источника питания оказывается пропорциональным значению D и коэффициенту трансформации N. В дополнение к основному LC-фильтру, образованному вторичной обмоткой и конденсатором C_OUT1, часто используют опциональный LC-фильтр, содержащий индуктивность L_OUT2 и емкость C_OUT2. Этот низкочастотный фильтр еще больше ослабляет уровень пульсаций напряжения V_OUT2 на выходе источника питания.

Сравнение преобразователей

Сравнение количества компонентов и качества выходной фильтрации

Пожалуй, проще всего сравнивать прямоходовую и обратноходовую топологии по числу используемых компонентов. Этот пункт достаточно важен, особенно с учетом влияния, которое он оказывает на габариты и стоимость источника питания. На рис. 3 показана упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя. Транзистор Q_SYNC, используемый в схеме на рис. 2, был заменен обычным диодом. Дополнительный фильтр LC-фильтр был исключен.

Рис. 3. Упрощенная схема традиционного обратноходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Аналогичным образом можем получить упрощенную схему традиционного прямоходового преобразователя, в котором транзисторы синхронного выпрямителя также заменены на диоды (рис. 4). Как видно из таблицы 1, обратноходовой преобразователь является очевидным победителем по количеству используемых компонентов. По этой причине общепринятым является мнение, согласно которому обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Рис. 4. Упрощенная схема традиционного прямоходового преобразователя (с выпрямительными диодами)

Таблица 1. Перечень компонентов, используемых в прямоходовом и обратноходовом преобразователях (в порядке уменьшения стоимости)

Компоненты в порядке уменьшения стоимости

Прямоходовой

Обратноходовой

Традиционный

Современный

Традиционный

Современный

Тем не менее, современные прямоходовые и обратноходовые источники питания для телекоммуникационных приложений часто используют схемы синхронного выпрямления, как это показано на рисунках 1 и 2, а также двухступенчатый выходной фильтр в обратноходовых преобразователях. В результате, как видно из Таблицы 1, это сокращает разрыв по количеству компонентов и сложности реализации между двумя топологиями, что делает спорным утверждение о том, что обратноходовой преобразователь всегда проще и дешевле.

Практически повсеместное использование синхронного выпрямления обусловлено несколькими основными факторами:

• постоянным снижением стоимости силовых МОП-транзисторов и контроллеров, поддерживающих функцию синхронного выпрямления;
• уменьшением выходного напряжения и повышением выходной мощности современных источников питания.

Очевидно, что попытка использовать обычный диодный выпрямитель в преобразователях с выходным напряжением 3,3 В и током 20 А вряд ли окажется успешной. Выпрямление тока 20 А, даже с диодом Шоттки, приведет к потере приблизительно 10 Вт мощности, если прямое падение напряжения на диоде составляет 0,5 В. Выделяемое на диодах тепло будет чрезвычайно сложно отвести, не говоря уже о снижении эффективности источника питания. Это сильно контрастирует с показателями синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах, который может без проблем иметь сопротивление около 2,5 мОм. В таком случае полевой транзистор рассеивает всего лишь около (20 А) 2 х 2,5 мОм = 1 Вт. Отвести от силового ключа мощность 1 Вт, выделяемую в виде тепла, уже намного проще. Как правило, для охлаждения диода придется использовать большой и дорогой радиатор, в то время как для охлаждения МОП-транзистора будет достаточно теплоотвода, обеспечиваемого печатной платой определенного размера.

В прямоходовых преобразователях для управления МОП-транзисторами синхронного выпрямителя в простейшем случае можно подключить выводы вторичной обмотки к затворам транзисторов, как это показано на рис/ 1. Этот метод часто называется синхронным выпрямлением с самостоятельным управлением (Self-Driven Synchronous Rectifcation, SDSR). Если напряжение на вторичной обмотке оказывается слишком высоким, то может потребоваться дополнительная схема сдвига уровней или схема ограничения, которые призваны не допустить превышения максимального напряжения на затворах МОП-транзисторов. Поскольку эти схемы относительно просты и используют недорогие компоненты, то они не учитываются в таблице 1.

В отличие от прямоходовых преобразователей, обратноходовые преобразователи по каким-то эзотерическим причинам плохо работают со схемой синхронного выпрямления с самостоятельным управлением SDSR. В результате, как уже было сказано выше, для управления МОП-транзистором синхронного выпрямителя, расположенного на вторичной стороне, требуется дополнительный сигнальный трансформатор для передачи сигнала управления затвором. Использование новых миниатюрных трансформаторов серии LPD8035V от Coilcraft с рейтингом напряжения 1500 Vrms позволяет безболезненно решить проблему стоимости и габаритов.

Еще одной причиной сокращения разрыва по количеству используемых компонентов между двумя топологиями источников питания является добавление второго LC-фильтра в обратноходовых преобразователях. Часто можно встретить утверждение о том, что обратноходовые преобразователи являются более шумными, чем прямоходовые из-за значительных пульсаций тока во вторичных обмотках. Это означает, что если вы используете одноступенчатый LC-фильтр в обратноходовом преобразователе, то вам потребуется гораздо большая индуктивность и конденсатор, чтобы получить такой же уровень пульсаций выходного напряжения, как и у прямоходового преобразователя. На практике для решения указанной проблемы можно применять несколько подходов:

• использовать силовой трансформатор с большой индуктивностью;
• использовать большой выходной конденсатор;
• использовать двухступенчатый LC-фильтр.

Первые два варианта обычно оказываются более дорогими. При использовании двухступенчатого LC-фильтра, каждый из компонентов может выбираться исходя из оптимизации конкретного параметра схемы (низкого тока пульсации, низких потерь в сердечнике и т. д.). В результате, такой подход обеспечивает тот же уровень пульсаций напряжения при меньших габаритах и стоимости.

По указанным выше причинам современные прямоходовые и обратноходовые преобразователи мало отличаются по количеству используемых компонентов, габаритам и общей стоимости, в отличие от традиционных прямоходовых и обратноходовых источников питания. В таблице 2 показаны результаты практического сравнения габаритов и стоимости современного обратноходового преобразователя (рис. 5 сверху) и современного прямоходового преобразователя (рис. 5 снизу). Оба источника питания имеют выходное напряжение 12 В и мощность 51 Вт. Они построены на базе контроллера LT4295 PD от Analog Devices. Фотографии печатных плат представлены на рис. 5, а упрощенные принципиальные схемы на рисунках 1 и 2. Как видно из таблицы 2, обратноходовой преобразователь по-прежнему остается более компактным и менее дорогим, но разница уже не столь значительная.

Таблица 2. Сравнение характеристик реальных современных преобразователей

Источник