Силовая электроника №3'2011

Устранение коммутационных потерь в конвертерах постоянного напряжения, обусловленных обратным восстановлением выходного диода

Антонян Грайр

Миняйло Владимир


В статье рассматриваются проблемы устранения коммутационных потерь в конвертерах постоянного напряжения, обусловленных обратным восстановлением выходного диода. Приведено схемное решение данной проблемы.

Коммутационные потери мощности в однотактных DC/DC-конвертерах с непосредственной связью, обусловленные процессом обратного восстановления выходного диода, являются доминирующими [12]. Эффективное устранение коммутационных потерь мощности указанного характера реализовано схемотехническими решениями, приведенными в [23], а также широко практикуемым использованием дополнительного силового коммутатора, соответствующим образом управляемого ШИМ-контроллером [45]. Указанные решения ориентированы на DC/DC-конвертеры повышающего типа, предназначенные, в частности, для коррекции коэффициента мощности. Между тем указанная проблема актуальна и для DC/DC-конвертеров понижающего типа и конвертеров с развязывающим конденсатором и трансформаторной обмоткой — конвертеров Кука [67].

Устранение коммутационных потерь мощности в DC/DC-конвертерах, обусловленных процессом обратного восстановления выходного диода, основано на очевидном принципе ограничения скорости спада прямого тока диода некоторым дополнительным индуктором, подключаемым последовательно с выходным диодом в процессе запирания последнего. Техническая реализация данного принципа должна обеспечивать:

  • утилизацию энергии, накопленной в дополнительном индукторе;
  • переключение направления тока основного индуктора в обход дополнительного индуктора.

Схемное решение для повышающего DC/DC-конвертерa, отвечающее вышеуказанным требованиям, рассмотрено в [8]. Однако оно, очевидно, может быть применено также в DC/DC-конвертерах понижающего типа и Кука. Функциональные схемы повышающего и понижающего DC/DC-конвертеров, а также конвертера Кука с ограниченной скоростью спада прямого тока выходного диода представлены на рис. 1–3, соответсвенно. В схемах на рис. 1 и 2 в качестве дополнительного индуктора использована часть обмотки основного индуктора L, а на рис. 3 — часть трансформаторной обмотки T.

 Повышающий DC/DC-конвертер

Рис. 1. Повышающий DC/DC-конвертер


 Понижающий DC/DC-конвертер

Рис. 2. Понижающий DC/DC-конвертер


 Конвертер Кука

Рис. 3. Конвертер Кука

На рис. 4 приведены временные диаграммы изменений токов через диоды D1, D2 и коммутатор S. В течение пассивного такта (коммутатор S разомкнут) выходной ток i0 замыкается через диод D1 (основной диод), а к диоду D2 (дополнительный диод) прикладывается обратное напряжение обмотки W2. При переходе конвертера из пассивного такта в активный, т. е. при замыкании коммутатора S (t = t0), переключение тока с диода D1 на коммутатор S происходит с ограниченной скоростью благодаря неидеальности магнитной связи между обмотками W1 и W2 основного индуктора L (рис. 1, 2) или обмотки трансформаторa T (рис. 3). При этом начальное значение тока коммутатора S равно нулю. Таким образом, данное решение обеспечивает режим переключения при нулевом токе коммутатора S. В течение процесса полного обратного востановления диода D1 (trec) ток через коммутатор S может принимать некоторое максимальное значение, равное сумме текущего значения тока нагрузки и максимального обратного тока диода D1, определяемого задаваемой скоростью спада прямого тока последнего. В момент размыкания коммутатора S (t = t1) ток нагрузки переключается на диод D2 и начинает убывать, а ток диода D1 — возрастать под воздействием ЭДС обмотки W2, направленной от анода диода D2 к аноду диода D1. В результате через некоторый промежуток времени tset диод D2 обесточивается и ток нагрузки (выходной ток) полностью переключается на диод D1.

 Графики тока диодов D1 и D2 и коммутатора S

Рис. 4. Графики тока диодов D1 и D2 и коммутатора S

Оценка скорости спада прямого тока основного диода D1 сводится к простому анализу схемы замещения магнитной цепи (рис. 5) при начальных условиях момента перехода DC/DC-конвертера из пассивного такта в активный и с внешними воздействиями, имеющими место в процессе обратного восстановления основного диода. Схема описывается системой уравнений:

где: V1, V2 — входное и выходное напряжение схемы замещения соответственно; Δi1, Δi2 — приращение входного и выходного тока схемы соответственно; L1, L2 — индуктивности обмоток W1 и W2 соответственно; M — взаимная индуктивность обмоток:

где K — коэффициент связи между обмотками W1 и W2, причем K<1.

 Схема замещения магнитной цепи

Рис. 5. Схема замещения магнитной цепи

Обозначив Δt1 время спада тока выходного диода до нулевого значения, определим из (1) скорость спада его прямого тока с учетом, что |Δi2t1)| = i0:

Отметим, что L2(1–К2) = L20 — индуктивность обмотки W2, измеренная при коротком замыкании обмотки W1.

Значения напряжений V1 и V2 (рис. 5) определяются конфигурацией DC/DC-конвертера и приведены в таблице, где Vi и V0 входное и выходное напряжения DC/DC-конвертера соответственно.

Таблица. Значения V1 и V2 для DC/DC-конвертеров различного типа

Схема V1 V2
Рис. 1 Vi V0
Рис. 2 Vi-V0 Vi
Рис. 3 Vi Vi+V0

Эмпирическое уточнение соотношения витков индуктора или трансформаторной обмотки, обеспечивающего заданную скорость спада прямого тока основного диода, сводится к следующей, достаточно простой, процедуре: при разомкнутой обмотке W1 измеряем индуктивность L2 обмотки W2, а затем индуктивность L20 той же обмотки при коротком замыкании обмотки W1. После этого определяем коэффициент связи K:

Пользуясь соотношением (3), вычисляем скорость спада прямого тока основного диода dif/dt. Таким образом, заданную скорость спада прямого тока основного диода можно задать при изготовлении индуктора L (рис. 1, 2) или трансформатора Т (рис. 3). Как показывает практика, соотношение витков W2/W1 не превышает 0,1–0,2, т. е. число витков дополнительной обмотки относительно невелико.

В качестве примера на рис. 6 приведены осциллограммы напряжения и тока силового ключа (транзистор IRG4PC50W) при его включении в понижающем DC/DC-конвертере (рис. 6а) без дополнительной обмотки (рис. 6б) и с дополнительной обмоткой (рис. 6в). Индуктивность основной обмотки W1 дросселя равна 200 мкГн, а соотношение W2/W1 = 0,07. Из рассмотрения осциллограмм следует, что включение транзистора при наличии дополнительной обмотки происходит практически при нулевом токе, т. е. без коммутационных потерь.

 а) Реализованная схема понижающего DC/DC-конвертера; осциллограммы напряжения и тока

Рис. 6. а) Реализованная схема понижающего DC/DC-конвертера; осциллограммы напряжения и тока: б) при включении его силового транзистора без дополнительной обмотки W2 (диод D1 отключен); в) с дополнительной обмоткой

В качестве еще одного примера эффективности данного решения укажем, что разработанный понижающий преобразователь, предназначенный для питания газоразрядной лампы постоянным током при максимальном его значении 50 A, по удельным показателям — мощность/объем и мощность/масса — превосходит аналогичное изделие фирмы Analog Modules [9] приблизительно вдвое.

А применение данного решения в узле корректора коэффициента мощности источника питания импульсной газоразрядной лампы с выходной мощностью до 2 кВт позволило снизить потери в указанном узле до 30 Вт.

Литература

  1. Милешин В. Транзисторная преобразовательная техника. М.: «РИЦ «Техносфера». 2005.
  2. Power Factor Correction With Zero Voltage Resonant Switching. Application Note 42032. www.fairchildsemi.com.
  3. Пат. US 6266257 B1 (США). Power Convertor with Low Loss Switching / S. Geissler // 24.07.2001.
  4. FAN4822. ZVS Average Current PFC Controller. Product Specification. www.fairchildsemi.com
  5. UC2855A/B. High Performance Power Factor Preregulator. www.focus.ti.com.
  6. Cuk S. Switching DC-to-DC Converter with Zero Input or Output Current Ripple // IEEE Industry Applications Society. Annual Meeting. 1978. (IEEE 780H 1346-61A).
  7. Кук С. Новый DC/DC-преобразователь с нулевыми пульсациями и интегрированными магнитопроводами. Часть 1, 2 // Силовая электроника. 2004. № 2. 2005. № 1.
  8. Пат. № 2201 А2 (Республика Армения). М. кл. H02M 7/00, H02M 7/12. Конвертер постоянного тока / Г. Г. Антонян, В. М. Миняйло // Бюл. 2009. №1 (57).
  9. Analog Modules, Inc. Laser Electronics. Power Module 5901. www.analogmodules.com.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_03_56.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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