Микроконтроллеры microchip в импульсных источниках питания

Жесткий емкостной режим

Этот режим возникает, когда фаза тока резонансного контура становится нулевой или отрицательной при переходе из одного цикла в другой, как в случае короткого замыкания на выходе (рис. 4). В этом случае силовой MOSFET выключается, работа преобразователя прекращается, и жесткой коммутации не происходит.

Рис. 4. Жесткий емкостной режим

Жесткое переключение при запуске

При запуске системы режим ZVS может выключиться, что приведет к жесткой коммутации силовых ключей и появлению большого обратного тока при восстановлении диода. При запуске системы напряжение на емкости резонансного контура изначально отсутствует, и требуется ряд коммутационных циклов, прежде чем оно достигнет величины V_in/2 в устойчивом режиме. В начале переходного процесса могут появиться большие всплески тока в резонансном контуре. Этот ток не меняет полярности в первом одном или в первых двух коммутационных циклах. В этих потенциально опасных условиях работа в емкостном режиме и с жесткой коммутацией может оказаться очень ограниченной по времени. dV/dt и dI/dt силового ключа могут превысить номинальные значения (рис. 5) и привести к отказу.

Рис. 5. Опасный режим работы устройства, работающего в условиях превышения номинальных значений

Замедление динамики переходных процессов в схеме с комбинацией диода и резисторов, установленных последовательно двум затворам, помогает избежать этих отказов.

Жесткая коммутация в результате отключения питания

Во время нормальной работы импульсного источника питания может возникнуть режим жесткого переключения. Если отключить систему от основного источника питания, она может перейти в емкостной режим (рис. 6). На рисунке видно, что после отключения основного источника питания (точка А) мертвого времени, установленного драйвером, недостаточно для дальнейшего продолжения работы в индуктивном режиме. В этих условиях сквозной ток ключей увеличивается.

Рис. 6. Режим жесткой коммутации в результате отключения питания

Жесткая коммутация из-за быстрого переходного процесса на нагрузке

В этом случае система не в состоянии достаточно быстро изменить частоту коммутации. В результате возникает емкостной режим работы, пока управляющий блок пытается восстановить нормальную работу импульсного источника питания в индуктивном режиме.

По сигналу напряжения V_gs (фиолетового цвета) на рис. 7 видно, как меняется рабочая частота при быстром переходном процессе на нагрузке. Сигнал тока (бирюзового цвета) имеет типичный вид для резонансного LLC-преобразователя. Напряжение V_ds (зеленого цвета) отстает от сигнала тока. Далее этот сигнал принимает типовой вид для емкостной цепи.

Рис. 7. Режим жесткой коммутации в результате быстрого переходного процесса на нагрузке

Топология и характеристики резонансного полумостового LLC-преобразователя

На рис. 1 показана базовая топология резонансного полумостового LLC-преобразователя. Эта схема состоит из блока генератора прямоугольных импульсов, резонансной цепи, выпрямителя и фильтра. Блок генератора прямоугольных импульсов состоит из двух MOSFET (Q₁ и Q₂), которые генерируют однополярное напряжение. Резонансная цепь состоит из емкости C_r и двух индуктивностей L_r и L_m. Резонансный LLC-преобразователь отличается от последовательного резонансного LC-преобразователя (SRC) только индуктивностью L_m. Выпрямитель состоит из вторичной стороны преобразователя, двух диодов для двухполупериодного выпрямления и выходной емкости C_o, которая сглаживает выпрямленное напряжение, подаваемое на нагрузку R_L.

Рис. 1. Базовая топология резонансного полумостового LLC-преобразователя

На рис. 2 показаны рабочие области резонансного LLC-преобразователя двух типов: с коммутацией при нулевом токе (область ZCS) и при нулевом напряжении (ZVS). В первом случае частота переключения ниже резонансной f_r2, т. е. поведение резонансной цепи имеет емкостной характер. Иной режим возникает при работе в области ZVS: в этом случае частота переключения выше резонансной f_r1.

Рис. 2. Рабочие области резонансного LLC-преобразователя

При коммутации преобразователя в диапазоне частот f_r1–f_r2 режим его работы (ZVS или ZCS) определяется нагрузкой. В нормальном режиме резонансный LLC-преобразователь работает на частоте чуть выше f_r1. Это наилучшая рабочая точка, обеспечивающая высокую эффективность. При работе на резонансной частоте выходные параметры преобразователя не зависят от нагрузки. Преобразователю, работающему в этой точке, нет необходимости менять частоту коммутации при любом значении выходной мощности, пока входное напряжение остается неизменным.

Полумостовая схема блока питания

Вообще, преобразователи напряжения могут классифицироваться по многим признакам и иметь различные схемы и принципы работы.

Когда речь заходит о полумостовой схеме, обязательно подразумеваются двухтактные импульсные преобразователи напряжения (ПН).

Для понимания приведём классификацию наиболее распространённых преобразователей:

• Трансформаторные (работают на низких частотах);
• Симисторные или тиристорные (объединены, потому что принцип работы основных элементов во многом схож);
• Инверторные (преобразуют постоянные напряжения в переменные);
• Импульсные. Здесь возможны производные варианты:
  • Дроссельные;
  • Однотактные (по сути, работают в режиме дросселя)
    • С прямоходовой схемой;
    • С обратноходовой схемой.
  • Двухтактные
    • С выводом средней точки первичной обмотки (часто называется Push-Pull или «Тяни-толкай»);
    • С мостовой схемой;
    • С полумостовой схемой.

Два такта работы подразумевают возбуждение обмоток импульсного трансформатора в обоих направлениях.

Один такт – только в одном направлении.

Все варианты имеют свои преимущества и недостатки.

Теперь перейдём непосредственно к двухтактным блокам питания.

Для наглядности лучше всего привести их простейшие схемы.

Рис. 1. Простейшие схемы двухтактных блоков питания

Принцип работы двухтактных ПН отлично иллюстрирует Push-Pull схема:

1. Возникающее магнитное поле в первичной обмотке возбуждает ток во вторичной. При поступлении положительного импульса/колебания на выход первой обмотки, транзистор срабатывает и пропускает ток.

2. При поступлении отрицательного импульса срабатывает уже вторая обмотка со своим транзистором. В этот момент первый транзистор и его обмотка простаивают. То есть они меняются местами.

Это и есть два такта работы «тяни-толкай».

Но схему можно усложнить, используя больше управляющих переключателей (транзисторов). Тогда можно обойтись только одной вторичной обмоткой, что существенно упрощает намотку импульсного трансформатора. Нагляднее всего это видно на схеме «Мост». И положительные, и отрицательные колебания подаются на одну обмотку.

Если заменить половину транзисторов на конденсаторы, получится тот самый «полумост». Конденсаторы выполняют роль сглаживающего фильтра и способствуют стабилизации напряжения.

Примеры принципиальных схем

Первый, достаточно распространённый вариант.

Рис. 2. Принципиальная схема

Ключами управляет таймер, здесь он построен на базе очень популярного ШИМ-контроллера TL-494. Чтобы импульсы маломощного генератора стали достаточными для силовых ключей VT3 и 4, они предварительно усиливаются каскадом из VT1, 2 и трансформатора TR1.

Выпрямление тока происходит уже почти на выходе схемы. За эту задачу отвечают диоды Шоттки и простые сглаживающие фильтры – конденсаторы.

В качестве 1 и 2 транзисторов могут использоваться мосфеты IRFZ34, 3 и 4-го — IRFP460.

Основная сложность – импульсные трансформаторы. Если вы хотите рассчитать свой, лучше всего воспользоваться специальным ПО.

• Первый. Каждая обмотка по 50 витков проводом 0,5 мм.
• Второй. 1 – 110 витков 0,8 мм, 2 – рассчитывается исходя из требуемого напряжения (1 виток – 2 В), 3 – 12 витков 0,8 мм.

Такая конфигурация может обеспечить питание мощностью до 500 Вт. Номинальное значение – около 300 Вт.

Второй вариант – более сложный. Но здесь предусмотрены:

• Защита от КЗ и перегрузок;
• Мягкий (софт) старт;
• Фильтры помех на входе и выходе.

Рис. 3. Принципиальная схема

В качестве драйвера здесь была выбрана микросхема IR2153.

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Двухтактный повышающий преобразователь: развитие топологии

Известно большое количество конвертеров повышающего типа, в том числе и двухтактных: мостовой конвертер с дросселем постоянного тока на входе, нулевая топология

Рис. 1. Двухтактный полумостовой повышающий конвертер: а) исходная топология; б) базовая топология с дополнительными размагничивающими обмотками дросселей; в) с общим магнитосвязанным дросселем

(push-pull) с дросселем постоянного тока в цепи питания и др. Рассматриваемый в данной статье конвертер и его основные разновидности были предложены в работе . В зарубежной литературе за ним закрепилось название two inductor current-fed boost half-bridge converter — полумостовой повышающий конвертер с двумя дросселями на входе и гальванической развязкой между входом и выходом (далее — 2ДППК).

На рис. 1 показаны основные разновидности 2ДППК. Исходная топология приведена на рис. 1а. Питание первичной обмотки силового трансформатора Tr1 осуществляется от «источников тока» в виде дросселей постоянного тока Dr1 и Dr2. Обязательным условием нормального функционирования схемы, приведенной на рис. 1а, является управление ключами VT1, VT2 с коэффициентом заполнения D > 0,5.

Иными словами, должно быть исключено состояние, при котором оба ключа одновременно выключены, так как в этом случае возникают высоковольтные импульсы напряжения на стоках ключей из-за отсутствия у дросселей Dr1 и Dr2 путей сброса тока, накопленного в течение замкнутого состояния ключей. На практике выбирается величина D_min = 0,52–0,55. Данная топология обладает следующими положительными свойствами:

• В конвертере 2ДППК принципиально отсутствуют сквозные токи между ключами.
• Конвертер «не боится» насыщения магнитопровода силового трансформатора — в случае «замагничивания» магнитопровода каждый ключ коммутирует токи обоих дросселей, которые линейно по времени увеличиваются в течение периода коммутации. Но этот процесс существенно более медленный из-за большей индуктивности дросселей, чем при экспоненциальном росте тока намагничивания силового трансформатора при его насыщении в конвертерах с питанием от источника напряжения. Это обстоятельство предоставляет ШИМ-контроллеру достаточное время для «принятия решения» и ограничения тока через ключи.
• Конвертер имеет высокий коэффициент передачи по напряжению: V = 2/(1 – D) × V_inn, где V_in — напряжение питания конвертера, n — коэффициент трансформации силового трансформатора, V — выходное напряжение.
• Конвертер обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом.

Практически, конвертер с исходной топологией может использоваться либо в регулируемом режиме с D > 0,5, либо как нерегулируемый с фиксированным коэффициентом заполнения D = 0,52–0,55 и в таком виде не представляет особого интереса, но тем не менее применяется в качестве, например, входного преобразователя напряжения солнечных панелей .

Возможно преобразование исходного варианта 2ДППК в регулируемый при фиксированном значении D. Для этого вводится резонансный формирующий контур, что позволяет использовать в качестве регулирующего выходное напряжение параметра частоту коммутации ключей. Одновременно с этим появляется возможность реализовать режим «мягкой» коммутации силовых транзисторов .

Чтобы устранить основной недостаток исходной топологии — невозможность использования ШИМ-регулирования в широком диапазоне изменения 0 0,5 возможна, но в данной статье не рассматривается. В связи с низким питающим напряжением и малой выходной мощностью конвертера цепи снижающие коммутационные потери не применялись. При изготовлении дросселей использовались магнитопроводы из феррита из соображений удобства работы с разборным сердечником. Для минимизации массогабаритных показателей дросселей следует использовать магнитопроводы с максимальной доступной индукцией насыщения, такие как Kool-Mu, High Flux, XFlux, Molypermalloy, порошковое железо.

Бестрансформаторный вариант 2ДППК может применяться и при высоком питающем напряжении, например в устройствах с питанием от промышленной сети 220 В/ 50 Гц. В этом случае потребуется использовать высоковольтные транзисторы с максимальным рабочим напряжением не менее 800 В, что может рассматриваться как минус данной топологии. Однако этот недостаток можно преодолеть, включив силовые транзисторы последовательно по питанию, а не параллельно, как в базовой схеме. Пример такого «высоковольтного» 2ДППК с мостовым вторичным выпрямителем показан на рис. 9а. На рис. 9б представлен способ замены мостового вторичного выпрямителя на двухполупериодный. Диоды VD1 и VD2 на рис. 9а являются рекуперационными.

Рис. 9. «Высоковольтный» вариант 2ДППК с двумя вариантами вторичных выпрямителей

Возможно, вам также будет интересно

Введение Ветроэнергетика — одна из наиболее интересных отраслей техники, в которой используются мощные высоковольтные преобразователи. Этот раздел силовой электроники является приоритетным направлением деятельности дизайнерского центра фирмы SEMIKRON, который более 30 лет занимается проектированием и производством преобразователей для альтернативных источников энергии. Конверторы ветроэнергетических установок (ВЭУ), построенные на основе модулей SKiiP SEMIKRON, преобразуют сейчас более 44 ГВт

IGBT-транзисторы применяются в высоковольтных приборах, таких как сварочные аппараты, корректоры коэффициента мощности, инверторы, драйверы электромоторов. Компания International Rectifier (IR), один из ведущих разработчиков и производителей силовых полупроводниковых компонентов, предлагает новое (седьмое — G7/Gen7) поколение IGBT-транзисторов . Основной особенностью IGBT-транзисторов является линейная зависимость потерь проводимости от тока, в отличие от MOSFET, имеющих квадратичную форму зависимости. Поэтому IGBT предпочтительнее применять в мощных

StakPak — семейство IGBT словых модулей и силовых диодов компании АВВ Semiconductors в новом модульном корпусе, конструкция которого гарантирует равномерное распределение нагрузки на полупроводниковые чипы при использовании в многоуровневых сборках (стеках).

Нестандартные рабочие режимы

Работа в емкостной области

Емкостная область работы силовых ключей потенциально опасна. В качестве примера можно привести работу системы в устойчивом режиме при малой нагрузке. В этих условиях рабочая частота системы находится вблизи нижней резонансной частоты, и реализуется режим ZVS.

Представим себе, что нагрузка изменяется с малого значения до высокого; при этом частота коммутации должна соответствовать новой резонансной частоте. Если этого не происходит, преобразователь может перейти в область 3 (рис. 2). Силовой MOSFET выключается, пока ток проходит через внутренний диод, и поскольку второй силовой MOSFET включен, диод может восстановиться, и начнет протекать сквозной ток. В этом случае происходит дополнительное рассеяние мощности, обусловленное прохождением тока через внутренний диод.

При одновременном включении обоих силовых ключей может возникнуть условие отказа полумостовой схемы. Как правило, во время восстановления внутренних диодов происходят выбросы тока большой величины. Этого риска можно избежать, воспользовавшись одним из нескольких решений. Например, специализированный контроллер драйвера затвора, который управляет мертвым временем или сложными контурами, позволяет увеличить этот показатель или обеспечить более высокие значения R_gate. Кроме того, в настоящее время производители полупроводников выпускают специализированные силовые ключи с меньшим временем восстановления. Например, компания STMicroelectronics разработала новую MOSFET-технологию MDmesh DM2, благодаря которой время восстановления встроенных диодов стало меньше 200 нс.

Как уже упоминалось, резонансный преобразователь может работать в емкостной или индуктивной областях (рис. 3). В индуктивной области коммутация осуществляется в режиме переключения по нулевому напряжению. При коммутации, когда основной ключ переходит из состояния ВКЛ. в ВЫКЛ., его ток I_p имеет положительную величину (область фиолетового цвета) и протекает от стока к истоку. В емкостной области (бежевого цвета) работа осуществляется в режиме переключения по нулевому току. В этом случае ток на основном ключе протекает от истока к стоку, в т. ч. через физический диод MOSFET-структуры. Рассмотрим работу LLC-системы в емкостном режиме при двух условиях.

Рис. 3. Емкостная и индуктивная области

Структура ШИМ-контроллеров NCP1237, NCP1238, NCP1287 и NCP1288

Микросхемы этих типов практически идентичны по цоколевке и схеме включения. В них используется режим управления по току с фиксированной частотой преобразования. Микросхемы предназначены для применения в обратноходовых преобразователях (Flyback) c гальванической развязкой (трансформатор, управление — обратная связь по напряжению через оптрон, по току — через дополнительную обмотку силового трансформатора). На рис. 4 показана структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237.

Рис. 4. Структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237

Встроенная схема Dynamic Self-Supply (DSS) упрощает проектирование и обеспечивает уменьшение дополнительных элементов. Наличие режима Soft-Skip с пропуском циклов обеспечивает повышение эффективности преобразования при малых нагрузках с сохранением низкого потребления в дежурном режиме. Также поддерживается и понижение частоты преобразования до 31 кГц (frequency foldback) с гистерезисом. Порог включения режима — 1,5 В, обратный переход в рабочий режим происходит при превышении порога 1 В. При понижении напряжения сигнала обратной связи ниже порога 0,7 В активизируется режим пропуска циклов Soft-Skip, который позволяет уменьшить потребление дополнительно, а также уменьшить возникновение акустического шума на трансформаторе и конденсаторах, использовать более дешевые трансформаторы. Встроенный двухпороговый защитный таймер служит для защиты при сбоях и нарушениях работы схемы управления вследствие скачков тока. Встроенная схема формирования джиттера частоты обеспечивает «размывание» спектра и уменьшение пиковых уровней ЭМИ. Контроллер также включает новую схему высоковольтного каскада, которая совместно со схемой старта позволяет оценивать уровень сигнала с токового датчика как в цепи переменного напряжения, так и в цепи постоянного выпрямленного напряжения. ON Semiconductor использует высоковольтную технологию входных цепей контроллера, поэтому NCP1288 может подключаться по питающим цепям непосредственно к шине высокого напряжения питания.

Режим блокировки для NCP1237 (рис. 5) может активизироваться по одному из двух условий: при повышении уровня напряжения выше порогового на входе Latch за счет перенапряжения или при уменьшении напряжения ниже другого заданного порога за счет терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, стоящего на силовом транзисторе.

Рис. 5. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1237

Токовый источник HV startup обеспечивает заряд конденсатора VCC до порогового напряжения VCC (on) и работает, пока входное напряжение более VHV (start), обеспечивая режим включения. Затем контроллер производит плавный пуск Soft-Start, во время которого ток потребления линейно возрастает перед включением режима регулирования. Во время периода плавного старта блокировка игнорируется, а ток блокировки удваивается, обеспечивая быстрый предзаряд конденсатора на входе вывода блокировки.

В микросхемах реализована защита от короткого замыкания на выходе.

Частота преобразования — 65/100/133 кГц и определяется модификацией микросхем. Микросхемы рассчитаны на использование в расширенном температурном диапазоне от -40 до +125 °С, что особенно актуально для промышленных приложений. Типовые применения контроллеров:

• сетевые источники питания принтеров, мониторов;
• зарядные устройства для аккумуляторов;
• встроенные сетевые источники бытовой аппаратуры.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Здесь мы поговорим об импульсных блоках питания (ИБП), которые на сегодняшний день получили самое широкое распространение и с успехом используются во всех современных радиоэлектронных устройствах.

Прежде всего, эта статья посвящена для начинающих специалистов по ремонту электронной техники, поэтому материал будет изложен в упрощенной форме и поможет понять основные принципы работы ИБП.

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя. При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2).

Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.