Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на основе контроллеров Renesas HA16163

Современная элементная база позволяет получить в классических ШИМ-решениях довольно высокий КПД — до ~95%. В бюджетных конструкциях, где не важны массо-габаритные характеристики, довольствуются более скромными показателями. Но существуют области применения, где габариты и КПД ставятся на первое место — источники питания для оборонной промышленности, летательных аппаратов, питание серверов (пассивное охлаждение), малогабаритные источники для ноутбуков, телекоммуникаций и т. д. Основные потери в классическом ШИМ-импульсном источнике питания распределяются примерно следующим образом: силовые ключи — 50%, выходной выпрямитель— 40%, трансформатор и снабберы — 10%. Как видно, основные потери в виде тепла рассеиваются в ключевых элементах и выходном выпрямителе. Динамические потери в ключевых силовых транзисторах значительно уменьшаются за счет мягкого режима переключения (резонансный и квазирезонансный метод управления). Это позволяет использовать более «медленные» силовые транзисторы на повышенных частотах преобразования или, используя штатные массовые силовые транзисторы, получать частоты преобразования в несколько раз выше, чем в стандартной ШИМ-топологии. При переключении ключей при нулевом токе (ПНТ) или при нулевом напряжении (ПНН) значительно снижаются потери на снабберных элементах, в некоторых случаях возможно даже отказаться от снабберов.

Использование квазирезонансной схемотехники дает следующие преимущества: более высокий КПД, чем у классических ШИМ-схем, широкий диапазон нагрузок (в отличие от резонансной схемы с регулированием частоты). В квазирезонансной схеме, в отличие от резонансной, колебательный контур не аккумулирует энергию, а лишь участвует в передаче энергии в нагрузку. Это позволяет не использовать внушительные по размерам компоненты резонансного контура. Однако подобная схема имеет свой недостаток — при снижении нагрузки она переходит в режим жесткого переключения, и эффективность падает. В диапазоне нагрузок, в котором происходит мягкое переключение, схема излучает узкий спектр помех, который легче подавить.

Потери в выходном выпрямителе в диапазоне от единиц до сотен ватт при выходных напряжениях 1,8–80 В можно существенно снизить за счет синхронного выпрямления.

Рассмотрим схему квазирезонансного преобразователя с синхронным выпрямлением. На рис. 1 приведена временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя.

Момент времени 1 (рис. 2). В момент t0 силовые транзисторы S3 и S6 открыты, напряжение питания Vin подключено через дроссель Lr к первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке появляется напряжение, пропорциональное напряжению в первичной обмотке. Ключи синхронного выпрямителя S14S15 выключены, S16S17 — включены. Напряжение с первичной обмотки через дроссель L1 поступает на нагрузку.

Момент времени 2 (рис. 3). В момент t1 силовой транзистор S3 включен. При выключении силового транзистора S6 на резонансном дросселе Lr происходит выброс напряжения самоиндукции. Ключи S14S15 и S16S17 выходного выпрямителя включены, тем самым, шунтируя выходную обмотку, энергия, запасенная в резонансном дросселе Lr, переходит в выходную емкость силового транзистора S6 — C12. С12 заряжается со скоростью

где N = N1/N2 — коэффициент трансформации; I_нагр — ток нагрузки; C12 — выходная емкость силового транзистора.

Момент времени 3 (рис. 4). В момент t2 происходит включение транзистора S4. К этому времени выходная емкость силового транзистора S6-C12 заряжается до напряжения питания Vin (чтобы переключение происходило при нулевом напряжении с минимальными потерями).

Задержка включения силового транзистора S4

Момент времени 4 (рис. 5). В момент времени t3 силового транзистор S3 выключается, происходит разряд выходной емкости транзистора S5-C11. Энергия переходит из конденсатора C11 в резонансный дроссель Lr. В контуре — свободные гармонические колебания. Собственная резонансная частота контура

Момент времени 5 (рис. 6). В момент времени t4 выключается транзистор синхронного выпрямителя, ток через ключ продолжает протекать через паразитный диод силового транзистора, тем самым закорачивая выходную обмотку и удерживая энергию внутри контура. Через момент времени

напряжение на емкости C11 будет равно 0.

Момент времени 6 (рис. 7). В момент времени t5 при достижении нулевого напряжения на емкости C11 включается силовой транзистор S5. Ток в выходной обмотке меняет свое направление, напряжение вторичной обмотки подключается к нагрузке через дроссель L2.

Производитель электронных компонентов Renesas производит квазирезонансный ZVS контроллер HA16163, имеющий 4 слаботочных выхода для управления мостовой схемой преобразователя и 2 выхода для управления ключами синхронного выпрямителя. Микросхема имеет следующие функции:

• мягкий старт;
• возможность через дополнительный вход включать/выключать преобразователь;
• вход внешней синхронизации;
• поцикловое ограничение тока нагрузки;
• полное отключение при коротком замыкании;
• встроенный усилитель ошибки;
• 3 вывода, позволяющие программировать задержки на выходах A и B, C и D, E и F.

На рис. 8 приведена типовая схема включения. В качестве драйверов для выходов A, B, C, D можно использовать интегральные полумостовые драйверы, их широкая номенклатура представлена компанией International Rectifier. Также можно использовать драйверы на дискретных элементах с использованием трансформаторной развязки. В качестве драйверов для выходов E и F необходимо использовать либо оптические драйверы, либо разделительные трансформаторы (исходя из требований изоляции первичная — вторичная сторона преобразователя).

Моменты, которые необходимо учесть при проектировании квазирезонансного преобразователя:

1. 1. Напряжение на резонансном контуре V_res = (I_нагр/2N)
      

      должно быть больше или равно напряжению питания V_res ≥ V_in. Необходимо выбирать силовые транзисторы с наименьшим значением выходной емкости, а индуктивность — наибольшую. Это позволит уменьшить минимальную мощность нагрузки, при которой схема работает в режиме «мягкого» переключения. Граничное условие, при котором схема все еще работает в режиме «мягкого» переключения

1. В качестве резонансного дросселя можно использовать индуктивность рассеяния трансформатора или внешний дроссель. Дроссель может стоять как в первичной обмотке, так и во вторичной.
2. Квазирезонансный метод с фазовым управлением в отличие от классического ШИМ эффективен при достаточно высоких динамических потерях, соизмеримых со статическими.
3. На основе сравнительного анализа двух типов схем выпрямителей — с диодами Шоттки и с синхронным выпрямлением — следует отметить, что при использовании диодов Шоттки и транзисторов примерно одинакового порядка (допустимое напряжение и предельный ток) мощность статических потерь практически не отличается. Во втором случае выигрыш можно получить, лишь используя параллельное включение силового транзисторов. Это позволит снизить суммарное сопротивление «сток–исток» силовых транзисторов, однако приведет к дополнительному увеличению стоимости изделия.