Эффективный ККМ, выполненный с применением МК по принципу двухфазной модуляции тока.
Сравнение с решением на базе SiC MOSFET

Введение

Технология цифрового управления мощностью компании IXYS открывает новые возможности для разработки эффективных AC/DC-преобразователей с ККМ за счет полного применения возможностей новых быстродействующих полупроводниковых ключей при увеличенных значениях тока и напряжения. Эта разработка также включает в себя технологию цифрового контроля пускового тока и двухфазную коррекцию коэффициента мощности. Схема управления реализована на базе 8-битного микроконтроллера Zilog Z8F6481.

Данная разработка, содержащая AC/DC-преобразователь мощностью более 3 кВт, активный ККМ и двухфазную переключающуюся схему преобразования, была выполнена с целью подтвердить возможность достижения высокой эффективности на больших мощностях за счет применения следующих решений:

• квазирезонансный режим на большой мощности;
• техника модуляции пикового тока;
• схема коммутации тока на MOSFET с быстрым обратным восстановлением;
• быстродействующий повышающий выпрямитель с быстрым восстановлением прямой проводимости;
• новая высокочастотная индуктивность на 30 А с малыми потерями для эффективного хранения и накачки энергии в выходной конденсатор и нагрузку.

Применение квазирезонансного режима переключения позволяет минимизировать потери мощности от перезарядки выходной емкости MOSFET вместе с паразитной емкостью на больших мощностях. Двухфазная техника поочередной модуляции тока и 12-битный многоканальный ЦАП с быстрым компаратором, который работает как амплитудный дискриминатор высокой разрядности, обеспечивают форму тока, точно повторяющую референсную. Благодаря этому коэффициент мощности находится на высоком уровне и задержки минимальны, что еще более способствует увеличению эффективности преобразователя.

Время выключения транзистора TURN OFF уменьшено за счет сдвига напряжения затвора в отрицательную область благодаря применению мощного драйвера управления IXYS с отрицательным напряжением питания.

Встроенный диод X-Class MOSFET кремниевого транзистора семейства Super-Junction (SJ) используется в качестве повышающего (boost) диода. Обратные встроенные диоды семейства X- и X2-Class обеспечивают выдающиеся характеристики восстановления прямой проводимости, что существенно уменьшает выброс напряжения  при восстановлении прямой проводимости (практически втрое), и также вносят свой вклад в увеличение общей эффективности преобразователя.

Цифровая схема управления на микроконтроллере также помогает улучшить характеристики преобразователя, выполняя ограничение пускового тока, обеспечивая программируемую схему защиты и возможность оптимизации режимов работы преобразователя относительно диапазона нагрузок и входного напряжения.

Высокоэффективный преобразователь с цифровым управлением, ККМ и двухфазной модуляцией тока обеспечивает следующие характеристики:

• максимальная мощность 3 кВт при питающем напряжении 240 В;
• входное напряжение 240 В±10%, 50/60 Гц;
• выходное напряжение 45–650 В, программируемое;
• выходной ток 6,7 А при 450 В;
• отклонение выходного напряжения <5% при полной нагрузке;
• отклонение входного тока <8%;
• допустимое изменение нагрузки >8×;
• частота работы преобразователя 80–100 кГц на большой мощности;
• программируемые значения перегрузки по току и напряжению, защита от пропадания напряжения;
• цифровой контроль пускового тока;
• плавный пуск;
• индикация сигнала Power good;
• высокая производительность, сопоставимая с решениями на базе SiC MOSFET.

Области применения

Данная разработка представляет собой платформу для проектирования различных AC/DC-преобразователей на базе силовых компонентов и микроконтроллеров IXYS, которые могут применяться для построения:

• кондиционеров воздуха;
• зарядных устройств для электромобилей;
• заряда аккумуляторных батарей;
• высокоэффективных LED-светильников.

Принципы действия

Подходы к проектированию и схемотехника данного преобразователя подробно описаны в [1].

Квазирезонансный режим адаптивен к изменениям значений пикового тока и управляется с помощью микроконтроллера. SJ MOSFET находится в выключенном состоянии при любом возникновении пикового тока. Напряжение на индуктивности и стоке транзистора начинает спадать в режиме, близком к резонансному. Когда напряжение на индуктивности совпадает со значением волны входного напряжения, компаратор генерирует сигнал для микроконтроллера. Хотя параметры резонансного режима существенно не меняются в реальных условиях, требуется внесение предсказуемой задержки на включение транзистора при нулевом токе индуктивности. Значение этой задержки хранится во внутренней Flash-памяти микроконтроллера и загружается в таймер для генерации сигнала на включение по приходу импульса с компаратора. Это позволяет всегда включать MOSFET при нулевом или близком к нулю ток в индуктивности.

Преобразователь работает в квазирезонансном режиме на большой мощности до того момента, пока нагрузка не упадет до 50% пиковой мощности. Если выходная мощность падает более чем на 50%, преобразователь выключает «ведомый» режим и переходит в прерывистый проводящий режим с активным снаббером для подавления резонансных выбросов [2]. Выходное напряжение контролируется преимущественно за счет длины импульса модуляции путем изменения времени задержки. Точная установка выходного напряжения, как и прежде, осуществляется модуляцией пикового тока по опорной амплитуде в ограниченном динамическом диапазоне.

Рис. 1. Переключение в повышающем режиме SJ IXFH50N85X в типовом включении:
желтый — напряжение на индуктивности/сток,
зеленый — ток в индуктивности, красный — напряжение на затворе.
* Нижняя часть иллюстрации является разверткой верхней осциллограммы между двумя белыми маркерами

Время выключения при коммутации является существенной причиной потерь мощности и должно быть коротким, насколько это возможно. Для уменьшения времени выключения был применен мощный драйвер управления, обеспечивающий выходной ток, близкий к максимально допустимому для SJ MOSFET IXFH50N85X. Дополнительно напряжение закрытия транзистора было сдвинуто в отрицательную область за счет применения драйвера с отрицательным напряжением питания. Подход, позволяющий эффективно снизить время выключения, показан на рис. 1 и 2. Рис. 1 демонстрирует традиционный подход с применением затворного 5-Ом резистора и напряжения закрытия на уровне «земли». На рис. 2 показан процесс выключения при использовании мощного драйвера управления с выходным током 30 А и напряжением управления, смещенным до –15 В, что дало практически двукратное сокращение общего времени переключения.

Рис. 2. Переключение в повышающем режиме SJ IXFH50N85X в схеме с улучшенным драйвером:
желтый — напряжение на индуктивности/сток,
зеленый — ток в индуктивности, красный — напряжение на затворе.
* Нижняя часть иллюстрации является разверткой верхней осциллограммы между двумя белыми маркерами

С целью сравнения были проведены испытания транзистора SiC IXFN50N120SiC в том же включении. При этом напряжение управления было смещено до –5 В в соответствии со спецификацией транзистора. Время заряда затвора транзистора SiC IXFN50N120SiC составляет 25 нс, что меньше, чем у SJ-ключа (31 нс), но общее время выключения находится в том же диапазоне (рис. 3). Таким образом, X-Class MOSFET могут быть применены для проектирования изделий, чьи коммутационные характеристики будут сопоставимы с решениями на базе SiC-ключей.

Рис. 3. Переключение в повышающем режиме IXFN50N120SiC с улучшенным драйвером управления:
желтый — напряжение на индуктивности/сток,
зеленый — ток в индуктивности, красный — напряжение на затворе.
* Нижняя часть иллюстрации является разверткой верхней осциллограммы между двумя белыми маркерами

Быстрое выключение ключа создает выброс напряжения на истоке транзистора, величина которого зависит от времени восстановления прямой проводимости повышающего диода. Применение диода DHG40C1200HB создает выброс 200 В по сравнению с напряжением на выходе ККМ (рис. 1). Данный диод быстрый и «идеален» с точки зрения восстановления обратной характеристики в приложениях с жестким переключением и продолжительным временем прямой проводимости. Для критических режимов проводимости с жестким односторонним переключением требуется диод с быстрым восстановлением прямой проводимости для сокращения выбросов. Встроенный диод SJ MOSFET является лучшим выбором в данном случае, поскольку его время восстановления прямой проводимости существенно меньше. Применение SJ IXFH50N85X (того же типа, что и ключ) в качестве диода позволяет сократить выброс до 100 В (рис. 2). При пиковом токе 30 А в момент переключения применение диода, встроенного в MOSFET, уменьшает потери мощности в повышающем диоде в два раза по сравнению с DHG40C1200HB, что также вносит свой вклад в увеличение общей эффективности ККМ преобразователя.

При больших токах коммутации и высоких частотах индуктивность так же важна, как и другие компоненты. Насыщение индуктивности при пиковом токе может стать причиной падения эффективности, поскольку снижение индуктивности приводит к увеличению тока, но не увеличивает запасаемую в ней энергию.

Комания MPS Industries разработала высокочастотную катушку большой мощности с выдающимися магнитными характеристиками для применения в ККМ (рис. 4). Применение данной индуктивности обеспечивает стабильную эффективность в широком диапазоне нагрузок, вплоть до пиковой мощности.

Рис. 4. Индуктивность в зависимости от тока, решение от MPS Industries

Модуляция пикового тока позволяет кривой тока потребления повторять форму входного напряжения, которое используется в качестве референсного. В данной разработке применен ЦАП для определения референсного напряжения при пиковой модуляции тока. Выпрямленный и масштабированный сигнал входной синусоиды поступает на аналоговый вход ЦАП, в то время как цифровой вход используется для контроля амплитуды на выходе ЦАП в соответствии с предустановками и сигналом обратной связи. На рис. 5 показан процесс модуляции тока.

Рис. 5. Модуляция тока потребления:
желтый и зеленый — ток заряда первой и второй индуктивности,
синий — ток потребления,
розовый — напряжение на второй индуктивности.
* Пиковый ток индуктивности составляет в амплитуде 30 А при входном напряжении 240 В.
Напряжение на индуктивности составляет 400 В. Нижняя часть осциллограммы является разверткой верхней между двумя белыми маркерами

Реализация

ККМ с цифровым управлением компании IXYS состоит из модуля микроконтроллера, силового модуля и вспомогательной платы (рис. 6). Модуль микроконтроллера и вспомогательный модуль выполнены отдельно и питаются от вспомогательного источника питания. Модуль микроконтроллера имеет разъем для программирования и должен быть запрограммирован до включения изделия. Силовой модуль выполнен на четырехслойной печатной плате с поверхностным монтажом и обеспечивает легкий доступ к контрольным точкам. Выделение мощности на силовых MOSFET не превышает 54 Вт при выходной мощности 3000 Вт. Данное изделие может питаться от сети переменного тока 50–60 Гц, 220/240 В. Дополнительный источник питания обеспечивает ±3,3 В для питания микроконтроллера и ±12 В для драйверов управления силового модуля.

Рис. 6. Основная силовая плата с модулем микроконтроллера и вспомогательным модулем

Эффективность ККМ с цифровым управлением

Эффективность данного решения определялась при исключенном диодном выпрямителе и без входного фильтра AC. При нагрузке 3000 Вт потери мощности составили 54 Вт, что означает эффективность на уровне 98,2%. Дополнительные потери мощности будут определяться применяемым диодным мостом и входным AC-фильтром.

Выводы

Данное решение является развитием имеющихся разработок ККМ с цифровым управлением, основанного на микроконтроллере Zilog Z8F6481 и обеспечивающего большую гибкость за счет применения уникального алгоритма, помогающего при этом получить высокую эффективность силовой системы. Основной фокус был сделан на демонстрации возможности реализовать ККМ мощностью 3 кВт с высокой эффективностью за счет применения новых силовых MOSFET компании IXYS. Быстродействие новых SJ MOSFET X-Class компании IXYS и характеристика восстановления прямой проводимости обратных диодов данных транзисторов позволили достичь цели увеличения эффективности ККМ и других силовых преобразователей с цифровым управлением.