Силовая электроника №1'2004

Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях напряжения

Павел Угринов


При работе однотактного преобразователя напряжения на ключевом транзисторе возникают перенапряжения, обусловленные как коммутационными процессами, так и процессами, связанными с перемагничиванием сердечника силового трансформатора. Эти перенапряжения достигают больших значений и могут привести к выходу из строя полупроводниковых приборов, а также способствуют увеличению уровня помех на входе преобразователя напряжения.


Из наиболее известных широко применяются два типа однотактных преобразователей напряжения: с «обратным» включением выпрямительного диода (ОПО) и с «прямым» включением диода (ОПП).

ОПО

Силовой трансформатор TV выполняет функцию накопителя энергии тока, отбираемого от источника Uп (рис. 1). При открытом транзисторе VT импульс тока длительностью tп = γ* Тп накапливает энергию в индуктивности L1 первичной обмотки w1 силового трансформатора TV. Выпрямительный диод VD при этом закрыт. Ток через транзистор нарастает линейно по закону, определяемому значением индуктивности L1, а напряжение в нагрузке Uн на этом этапе поддерживается конденсатором CФ выходного фильтра. После того как транзистор VT закрывается, полярность напряжения на обмотке w2 изменяется, а ранее накопленная в индуктивности L1 энергия поступает через диод VD в нагрузку и заряжает конденсатор CФ. При этом напряжение на закрытом транзисторе VT определяется выражением

  (1)

Рис. 1. Однотактный преобразователь напряжения с «обратным» включением диода
Рис. 1. Однотактный преобразователь напряжения с «обратным» включением диода

ОПП

В открытом состоянии транзистора VT энергия от источника питания Uп через силовой трансформатор TV и выпрямительный диод VD2 поступает в нагрузку, накапливается в элементах фильтра, а также в магнитном поле сердечника силового трансформатора TV (рис. 2). После закрытия транзистора VT открывается диод VD3, шунтирующий вход фильтра, а накопленная в дросселе LФ энергия отдается в нагрузку. Диод VD2 при этом закрывается, а энергия, запасенная силовым трансформатором, рекуперируется в источник питания Uп через обмотку wр (в случае ее применения) и диод VD1. В этой схеме силовой трансформатор работает на несимметричном частном цикле без накопления магнитного потока в сердечнике. Иными словами, после закрытия транзистора VT наступает этап рекуперации, на котором происходит уменьшение магнитного потока до исходного состояния, характеризуемого остаточной индукцией Br. Этот процесс должен быть завершен к моменту очередного открытия транзистора VT. Напряжение на закрытом транзисторе VT, в схеме с размагничивающей обмоткой, определяется коэффициентом транСФормации TV по цепи размагничивающей обмотки:

   (2)

Рис. 2. Однотактный преобразователь напряжения с «прямым» включением диода и размагничивающей обмоткой
Рис. 2. Однотактный преобразователь напряжения с «прямым» включением диода и размагничивающей обмоткой

Обе эти схемы преобразователей напряжения могут работать в двух режимах: в режиме прерывистых токов (ПТ) и в режиме непрерывных токов (НТ). Если за время интервала tп ток индуктивностей L1 (для первой схемы) и LФ (для второй схемы) спадает до нуля, то в схеме имеет место режим ПТ. Тогда открытие транзистора VT происходит при нулевом значении тока. В противном случае имеет место режим НТ.

Коммутационный импульс напряжения

Из-за наличия индуктивности рассеивания LS силового трансформатора TV при закрытии транзистора VT на его стоке возможно появление коммутационного импульса напряжения. Так как до закрытия силового транзистора VT через него протекал ток Icm, то энергия, накопленная в индуктивности рассеивания LS:

  (3)

Закрытие транзистора VT сопровождается увеличением напряжения Uси. Так как спад тока транзистора происходит за пренебрежимо малое время, то увеличение напряжения вследствие наличия индуктивности LS и емкости сток-исток Cси транзистора подчиняется синусоидальному закону (рис. 3). Амплитуда колебаний:

 (4)

где Тк=2π√LSхCси — период собственных колебаний резонансного контура LSCси (принято Cси = const.);

β =  Rk/2xLS — коэффициент затухания колебательного контура;

Rk — активное последовательное сопротивление колебательного контура.

Рис. 3. Диаграмма колебаний напряжения на стоке транзистора при его выключении
Рис. 3. Диаграмма колебаний напряжения на стоке транзистора при его выключении

Анализ выражений (3) и (4) показывает, что для уменьшения энергии, запасенной в LS, и, следовательно, мощности, рассеиваемой демпфирующей цепью, целесообразно преимущественное уменьшение тока Icm. В режиме непрерывных токов ток Icm всегда меньше, чем в режиме прерывистых токов, что определяет преимущество первого с точки зрения уменьшения энергии WS. Увеличение индуктивности дросселя фильтра LФ ведет к уменьшению тока Icm и энергии WS. Однако в ОПО увеличение L2 приводит к увеличению LS, вследствие чего может возрасти и энергия WS.

Амплитуда импульса Uс.имп может быть уменьшена увеличением емкости транзистора Cси или увеличением активного сопротивления контура RК. Увеличение сопротивления контура серьезно ухудшает энергетические характеристики преобразователей напряжения.

Величина индуктивности LS зависит от качества исполнения, проектирования и конструктивных параметров силового трансформатора.

Ограничение напряжения на транзисторе в ОПО

Основным способом ограничения напряжения на транзисторе в этой схеме является применение демпфирующих RCD-цепей. При этом они работают только на ограничение коммутационного выброса напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Основные схемы RCD-цепей
Рис. 4. Основные схемы RCD-цепей

На рис. 4, а показана простейшая демпфирующая цепь, состоящая из резистора и конденсатора. Для расчета параметров этой RC-цепи необходимо предварительно определить частоту колебаний резонансного контура LSCси, обусловленных паразитными параметрами цепи:

  (5)

Значение емкости конденсатора RC-цепи

  (6)

Значение сопротивления резистора

  (7)

Мощность, рассеиваемая этим резистором ,

 (8)

 где fп — частота преобразования.

Другая простейшая цепь показана на рис. 4, б, в ней использован стабилитрон VD с напряжением стабилизации Uст, до уровня которого и ограничивается амплитуда импульса напряжения стока транзистора. Стабилитрон должен быть рассчитан на протекание импульсного тока Icm. Мощность, рассеиваемая стабилитроном:

  (9)

Стабилитрон может подключаться также параллельно первичной обмотке силового трансформатора (так называемая ZD-цепь). В этом случае напряжение стабилизации стабилитрона должно удовлетворять условию:

 (10)

Широко применяется RCD-цепь, показанная на рис. 4, в. В момент закрытия транзистора VT реактивная энергия, запасенная в индуктивности LS, передается через диод VD в конденсатор C. Во время открытого состояния транзистора VT диод VD закрыт, а конденсатор C разряжается в резистор R. Исходя из условий равенства энергии индуктивности и конденсатора, емкость конденсатора:

  (11)

где ΔUкон — изменение напряжения на конденсаторе.

Среднее напряжение на конденсаторе равно:

 (12)

Сопротивление разрядного резистора:

 (13)

RCD-цепь, показанная на рис. 4, в, дороже ZD-цепи, но более эффективна. Демпфирующая цепь на рис. 4, г по своему действию аналогична цепи на рис. 4, в. Отличие от предыдущей схемы состоит в том, что конденсатор C разряжается через резистор R в источник питания. Среднее напряжение на конденсаторе в этом случае:

 (14)

Отсюда видно, что для данной схемы необходим более высоковольтный конденсатор, что может вызвать определенные затруднения при ее реализации, особенно при высоком входном напряжении.

Ограничение напряжения на транзисторе в ОПП

Основными способами ограничения напряжения на транзисторе в этой схеме являются:

  • размагничивающая обмотка;
  • демпфирующие RCD-цепи;
  • активное ограничение.

Схема однотактного преобразователя напряжения с размагничивающей обмоткой приведена на рис. 2. Размагничивающая обмотка может и отсутствовать, однако в этом случае сужается диапазон возможного изменения рабочей индукции ΔВ магнитного материала сердечника силового трансформатора, что приводит к значительному увеличению его массы и габаритов. Изменяя соотношение витков между первичной и размагничивающей обмотками, можно значительно ограничить напряжение на ключевом транзисторе. Недостатком такого способа является то, что при значительном увеличении числа витков размагничивающей обмотки относительно первичной увеличивается напряжение, вырабатываемое между этими обмотками, что требует усиления изоляции между ними. Диод, включенный последовательно с размагничивающей обмоткой, испытывает такое же напряжение и, следовательно, должен иметь соответствующий номинал. К тому же это вызовет появление существенной паразитной индуктивности и собственной емкости между первичной и размагничивающей обмотками. Это приводит к увеличению налагаемых на импульсы тока и напряжения высокочастотных колебаний, а эти колебания трудноустранимы. Поэтомуна практике для уменьшения индуктивности рассеяния и, следовательно, снижения амплитуды коммутационного импульса напряжения на стоке ключевого транзистора при его закрывании, первичная и размагничивающая обмотки выполняются с одинаковым количеством витков. Поэтому напряжение на транзисторе в закрытом состоянии Uси = 2Uп и максимальный коэффициент заполнения γmax = 0,5.

Самой применяемой в ОПП является RCDцепь, представленная на рис. 4, в. Эта цепь работает в данной схеме не только на ограничение коммутационного выброса напряжения, но и на ограничение так называемого «колокола», обусловленного процессом размагничивания сердечника силового трансформатора. Емкость конденсатора в данном случае:

 (15)

где Iμ — ток намагничивания первичной обмотки силового трансформатора.

Напряжение на конденсаторе при непрерывном токе намагничивания первичной обмотки:

 (16)

Сопротивление разрядного резистора:

  (17)

где Umax — максимальное входное напряжение;

γmin — минимальный коэффициент заполнения.

RCD-цепь ограничивает напряжение на транзисторе, величина которого в основном определяется коэффициентом заполнения. При применении RCD-цепи в ОПП размагничивающую обмотку можно исключить, что значительно упрощает конструкцию силового трансформатора.

Схема активного ограничения напряжения на ключевом транзисторе в ОПП представлена на рис. 5. На рис. 6 представлены диаграммы, поясняющие работу схемы при непрерывных изменениях магнитных потоков в сердечниках дросселя LФ и силового трансформатора TV. Транзистор VT1 выполняет функцию основного ключа, транзистор VT2 — вспомогательного. Они управляются противофазно: когда транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, и наоборот. В открытом состоянии транзистора VT1 (интервал времени γtп) энергия от источника входного напряжения Uп через силовой трансформатор по обмотке w2 и через открытый диод VD1 передается в нагрузку и накапливается в индуктивностях дросселя LФ и силового трансформатора L1. После закрывания транзистора VT1 и открывания VT2 диод VD1 закрывается, и энергия, запасенная в дросселе LФ, через диод VD2 отдается в нагрузку. При этом через конденсатор Cог протекает ток, равный разности мгновенных значенийтока намагничивания силового трансформатора и тока дросселя, приведенного к первичной обмотке w1. То есть ток конденсатора Cог представляет собой разность пульсаций тока намагничивания силового трансформатора и пульсаций тока дросселя фильтра, приведенных к первичной обмотке w1. Этот ток в первую половину интервала времени (1–γ) x tп замыкается через внутренний диод транзистора VT2, а вторую половину — через сам транзистор VT2 в противоположном направлении, тем самым намагничивая сердечник. При этом энергия, запасенная в конденсаторе Cor, не передается в нагрузку.

Рис. 5. Оема однотактного преобразователя напряжения с прямым включением диода и активным ограничением напряжения
Рис. 5. Оема однотактного преобразователя напряжения с прямым включением диода и активным ограничением напряжения
Рис. 6. Формы напряжений и токов в преобразователе напряжения с активным ограничением
Рис. 6. Формы напряжений и токов в преобразователе напряжения с активным ограничением

Для коммутации транзисторов VT1 и VT2 с минимальными напряжениями на них вводятся временные паузы между их моментами переключения (рис. 7).

Рис. 7. Временные интервалы включения транзисторов
Рис. 7. Временные интервалы включения транзисторов

При переходе от основного ключа к вспомогательному длительность паузы tп1 не очень важна, так как в течение первой половины интервала закрытого состояния основного ключа проводит внутренний диод вспомогательного ключа, и длительность этого промежутка времени определяется только временами переключения ключей и элементов схемы управления. Переход от вспомогательного ключа к основному ключу предъявляет более жесткие требования на длительность паузы tп2. Запасенная энергия в индуктивности намагничивания силового трансформатора с окончанием интервала (1–γ) x tп используется для разряда собственной емкости основного ключа в течение паузы tп2. Оптимальная длительность этой паузы составляет четверть периода резонанса, определяемого собственной емкостью основного ключа и индуктивностью намагничивания силового трансформатора. Поэтому следующее открытие основного ключа происходит при напряжении на нем ниже, чем входное (режим мягкого переключения). Тем самым снижается мощность потерь в транзисторе при его открытии. Оптимальная длительность паузы не зависит от условий работы, а в основном определяется для каждой конкретной конструкции. В резонансный процесс могут включаться и другие паразитные элементы схемы, причем до такой степени, что переключение на нуле напряжения становится невозможным.

Емкость конденсатора Cог определяется с достаточной для инженерных расчетов точностью без учета пульсации напряжения на нем по формуле:

 (18)

Напряжение на основном ключе при выполнении этих условий составляет

 (19)

Анализируя последнее выражение, можно увидеть, что при входном напряжении до 370 В можно применить транзистор с допустимым максимальным напряжением сток-исток 600 В, тогда как при других способах ограничения необходимо применять транзистор с более высоким допустимым напряжением сток-исток.

При реализации схемы с активным ограничением по схеме на рис. 5 необходимо обеспечить гальваническую развязку затворной цепи транзистора VT2. Это можно сделать при помощи силового трансформатора или применением специальных микросхем. С помощью микросхемы драйвера верхнего уровня с плавающим питанием фирм International Rectifier или ST-Microelectronics это можно легко реализовать.

На основании вышеизложенного можно сделать следующий вывод. Применение RCD-цепей в однотактных преобразователях напряжения позволяет существенно снизить перенапряжения на полупроводниковых приборах при относительно невысоких затратах. Основным недостатком этого способа является ухудшение энергетических характеристик преобразователей напряжения и увеличение постоянной составляющейтока намагничивания силового трансформатора.

Применение активного ограничения в однотактных преобразователях напряжения значительно снижает напряжение на ключевом транзисторе, упрощает конструкцию силового трансформатора, позволяет при этом работать с большим размахом индукции в сердечнике, чем в других схемах. Активное ограничение позволяет увеличить коэффициент заполнения до 0,7 по сравнению с 0,5 для базовой топологии. За счет мягкого переключения транзистора значение КПД выше, а уровень помех на входе преобразователя напряжения ниже по сравнению с другими однотактными преобразователями напряжения.

Литература

  1. Поликарпов А. Г., Сергиенко Е. Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. М.: Радио и связь. 1989.
  2. Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. М.: Радио и связь. 1992.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_01_62.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо