Сравнение вариантов схем мостовых DC/DC-преобразователей на основе их моделирования

Введение

Существует несколько разновидностей схемотехники мостовых DC/DC-преобразователей. Для сравнения свойств и характеристик этих устройств целесообразно использовать результаты их моделирования. Оно должно быть выполнено в предположении одинаковых условий работы на входе и выходе схем.

Мостовые DC/DC-преобразователи обладают, как правило, значительной выходной мощностью (более 1 кВт). Поэтому питание их входной цепи осуществляется с помощью корректора коэффициента мощности. Это устройство формирует ток, потребляемый от питающей сети переменного тока, пропорциональный мгновенному значению сетевого напряжения, и, кроме того, поддерживает постоянным уровень напряжения на своем выходе [1]. Им питается DC/DC-преобразователь, подключенный к выходу корректора.

При проведении моделирования было принято, что постоянное напряжение на входе всех сравниваемых схем DC/DC-преобразователей, работающих с частотой переключения силовых транзисторов, равной 100 кГц, составляет 420 В. Выходные цепи преобразователей подключены к аккумуляторной батарее напряжением 27 В.

Мостовые цепи всех схем образованы силовыми транзисторами типа IRFPS38N60L (600 В, 38 А, 0,12 Oм), а их выходные цепи шунтированы конденсаторами емкостью 100 пФ. Выпрямление переменного тока выходных обмоток трансформатора (трансформаторов) во всех схемах осуществляется четырьмя силовыми диодами типа 243NQ100 (100 В, 240 А).

Фазовый способ управления транзисторами состоит в том, что формируются две последовательности парафазных импульсных сигналов. Каждая из них содержит по два сигнала, причем второй сигнал задержан по отношению к первому на время, равное половине периода их повторения. Сигналы одинаковы по длительности, которая незначительно меньше половины периода. Поэтому в каждой из последовательностей существует кратковременная пауза между окончанием одного сигнала и началом другого. Вторая последовательность импульсных сигналов задержана по отношению к первой на регулируемое время, равное (T/2)D, где T = 1/f — длительность периода, D — параметр регулирования.

Первый и второй импульсные сигналы первой последовательности управляют первыми двумя транзисторами мостовой схемы (VT1 и VT2), включенными последовательно между шинами питания, а первый и второй сигналы второй последовательности — двумя другими транзисторами этой схемы (VT3 и VT4). Вариацией D обеспечивается регулирование мощности, передаваемой в нагрузку.

Снижение выходной мощности преобразователя вызывает уменьшение магнитной энергии, запасаемой в его трансформаторе. Из-за этого при низких уровнях выходной мощности перестают выполняться условия для обеспечения режима отпирания силовых транзисторов при нуле напряжения на них (режим Zero Voltage Switch — ZVS) [2].

Создание условий для реализации режима ZVS в полном диапазоне изменения выходной мощности (от нуля до максимума) достигается применением технического решения, предложенного в [3]. Оно состоит в том, что энергия, необходимая для обеспечения режима ZVS, запасается в магнитных накопителях двух дополнительных LCD-цепей, подключаемых к выводам выходной цепи транзисторной мостовой схемы. Током дросселя LCD-цепи осуществляется перезаряд емкостей силовых транзисторов, соединенных последовательно, на коротких интервалах их запертого состояния. Тем самым в них сокращается мощность потерь. Дополнительное снижение этой мощности достигается шунтированием выходных цепей силовых транзисторов конденсаторами.

При фазовом способе управления силовыми транзисторами запасание энергии в магнитном накопителе каждой LCD-цепи осуществляется в течение достаточно длительного интервала времени (оно чуть меньше половины периода работы схемы). Поэтому масса и габариты элементов дополнительных LCD-цепей незначительны. В дальнейшем предполагается, что указанные цепи присутствуют в каждом из рассматриваемых DC/DC-преобразователей.

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов LCD-цепей.

Дроссели выполнены на магнитных сердечниках типоразмера RM8i, изготовленных из магнитного материала N87 (EPCOS). Расчетные значения индуктивности и сопротивления обмотки дросселей равны соответственно 410 мкГн и 0,45 Ом. Емкости конденсаторов LCD-цепей — 8,2 нФ.

Схема 1 DC/DC-преобразователя приведена на рис. 1. В ней преобразуемая энергия передается трансформатором TV. Его первичная обмотка W1 подключена к выводам мостовой транзисторной цепи, а вторичные обмотки W21–W32 через силовые выпрямительные диоды VD5–VD8 и обмотки W1_L3, W2_L3 выходного дросселя L3 связаны с выводами выходной цепи преобразователя [2].

Рис. 1. Схема 1 DC/DC-преобразователя

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов схемы 1.

Силовой трансформатор TV. Сердечник типоразмера PQ 50/50 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 100 мкм. Число витков обмоток: w1 = 28; w21 = 2; w22 = 2; w31 = 2; w32 = 2. Индуктивность первичной обмотки 1,51 мГн. Сопротивление обмоток (мОм):   Rw1 = 22,4; Rw21 = 0,587; Rw22 = 0,624; Rw31 = 0,654; Rw32 = 0,679.

Дроссель L3. Сердечник типоразмера PQ 35/35 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Число витков обмоток: w1_L3 = 1; w2_L3 = 1. Их индуктивность 0,106 мкГн. Сопротивление обмоток (мОм): Rw1_L3 = 0,42; Rw2_L3 = 0,432.

Схема 2 DC/DC-преобразователя приведена на рис. 2. В ней энергия передается двумя одинаковыми линейными трансформаторами. Описание схемы содержится в [4], где она была предложена. В ней управление силовыми транзисторами осуществляется методом ШИМ. Та же схема, но с использованием фазового принципа управления силовыми транзисторами, содержится в патенте США [5].

Рис. 2. Схема 2 DC/DC-преобразователя

В устройстве на рис. 2 к выводам транзисторной мостовой цепи подключены соединенные последовательно первичные обмотки W11, W12 двух линейных трансформаторов TV1 и TV2. Первые одноименные выводы их вторичных обмоток W21–W32 соединены с первым выходным зажимом преобразователя через выпрямительные диоды VD5–VD9, а вторые выводы этих вторичных обмоток непосредственно соединены со вторым выходным зажимом.

Каждый из двух линейных трансформаторов (TV1 и TV2) в один такт передает энергию в выходную цепь, а в другой ее накапливает. При этом в тот такт, когда TV1 передает энергию, TV2 ее накапливает. В другой такт трансформаторы меняются ролями: TV1 накапливает энергию, а TV2 ее передает.

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов схемы 2.

Силовой трансформатор TV1 (TV2). Сердечник типоразмера PQ 40/40 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Числа витков обмоток: w11 = 14; w21 = 2; w22 = 2; индуктивность первичной обмотки W11 — 23,2 мкГн; сопротивления обмоток (мОм): Rw11 = 6,44; Rw21 = 0,752; Rw22 = 0,793.

Схемы 1 и 2 не обладают свойством параметрического ограничения выпрямленного тока выходной цепи. Это следует из их регулировочных характеристик, которые приведены на рис. 3.

Рис. 3. Регулировочные характеристики схем 1 и 2

В характеристиках присутствуют два участка. Первый из них — крутонарастающий. Он характерен для режима работы устройства, при котором непрерывен ток обмоток выходного дросселя L3 (в схеме 1) или ток вторичных обмоток трансформаторов TV1, TV2 (на интервале передачи ими мощности в схеме 2).

Второй участок — с плавным нарастанием значения выходного тока, происходящего при увеличении параметра регулирования D, соответствует режиму разрывного тока обмотки дросселя L3 или тока вторичных обмоток трансформаторов TV1, TV2.

Далее рассматриваются схемы, обладающие свойством параметрической ограниченности тока, который потребляется от источника питания и трансформируется в выходную цепь. Это свойство обусловлено применением реактивных элементов на первичной стороне преобразователей, ограничивающих амплитуду и среднее значение тока, потребляемого от источника питания.

Схема 3 DC/DC-преобразователя приведена на рис. 4. В ней преобразуемая энергия передается силовым трансформатором, последовательно с первичной обмоткой которого включена обмотка дросселя L3 [6]. Выводы двухфазных вторичных обмоток трансформатора через силовые выпрямительные диоды подключены к первому выходному зажиму преобразователя, а средние точки этих обмоток непосредственно соединены со вторым выходным зажимом. Функция, которая выполняется дросселем L3, состоит в ограничении амплитуды тока, протекающего по первичной обмотке W1 трансформатора TV и обмотке дросселя L3, соединенным последовательно. Этот ток коммутируется силовыми транзисторами VT1–VT4.

Рис. 4. Схема 3 DC/DC-преобразователя

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов схемы 3.

Дроссель L3. Сердечник PQ 40/40 из магнитного материала N87 (EPCOS). Обмотка выполнена изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Число витков обмотки w1_L3 = 10. Ее индуктивность 14,73 мкГн. Сопротивление обмотки 0,226 мОм.

Силовой трансформатор TV. Сердечник PQ 50/50 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Числа витков обмоток: w1 = 17; w21 = 2; w22 = 2; w31 = 2; w32 = 2. Индуктивность первичной обмотки 0,557 мГн. Сопротивления обмоток (мОм): Rw1 = 6,82; Rw21 = 0,592; Rw22 = 0,624; Rw31 = 0,654; Rw32 = 0,679.

Схема 4 DC/DC-преобразователя приведена на рис. 5 [7]. В этой схеме преобразуемая энергия передается силовым трансформатором, содержащим две изолированные друг от друга секции первичной обмотки W11, W12. Между ними и последовательно с ними включен конденсатор C7, выводы которого через диоды VD5–VD8 подключены к шинам питания [7]. Тем самым ограничивается амплитуда переменного напряжения на конденсаторе C7, поэтому он выполняет функцию ограничения заряда, потребляемого от источника питания, который протекает по секциям первичной обмотки в каждом такте. При условии постоянства частоты коммутаций силовых транзисторов это означает ограничение тока, потребляемого от источника питания и передаваемого трансформатором в выходную цепь устройства.

Рис. 5. Схема 4 DC/DC-преобразователя

Выводы двухфазных вторичных обмоток трансформатора через силовые выпрямительные диоды и обмотки дросселя L3 подключены к первому выходному зажиму преобразователя, а средние точки вторичных обмоток непосредственно соединены со вторым выходным зажимом.

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов схемы 4.

Силовой трансформатор TV. Сердечник PQ 50/50 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 100 мкм. Число витков обмоток: w11 = 14; w12 = 14; w21 = 2; w22 = 2; w31 = 2; w32 = 2. Индуктивность первичной обмотки 0,557 мГн. Сопротивления обмоток (мОм): Rw11= 10,8; Rw12= 12,4; Rw21 = 0,608; Rw22 = 0,647; Rw31 = 0,678; Rw32 = 0,703.

Дроссель L3. Сердечник PQ 40/40 из магнитного материала N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Число витков обмоток: w1_L3 = 2, w1_L3=2; их индуктивность: 0,47 мкГн, сопротивления обмоток (мОм): Rw1_L3 = 0,73; Rw2_L3 = 0,766. Конденсатор С7 — 82 нФ.

При использовании фазового принципа управления силовыми транзисторами на интервалах одновременного проводящего состояния VT1 и VT3 (или VT2 и VT4) из-за магнитной связи между первой и второй секциями первичной обмотки силового трансформатора по ним протекают значительные токи во взаимно противоположных направлениях. Соответственно, в токе каждого транзистора появляются выбросы, что иллюстрируется временными диаграммами, показанными на рис. 6.

Рис. 6. Временные диаграммы токов и напряжений в схеме 4

Разными цветами на рисунке обозначены: темно-синим цветом — ток первой секции W11 первичной обмотки трансформатора; розовым — ток второй секции W12 первичной обмотки; зеленым — сигнал управления силовым транзистором VT1; светло-синим — напряжение между электродами его выходной цепи, умноженное на масштабирующий коэффициент, равный 1/10; красным — ток, протекающий по выходной цепи этого транзистора.

Диаграммы, представленные на рис. 6, рассматриваются как недостаток схемы 4 при условии использования фазового принципа управления ее силовыми транзисторами. Поэтому схема исключается из дальнейшего рассмотрения.

Схема 5 DC/DC-преобразователя приведена на рис. 7 [8]. Она представляет собой устройство резонансного типа. Резонансные свойства схемы обусловлены присутствием в ней дросселей L3, L4 и конденсатора C7, которые образуют последовательный колебательный контур. Силовой трансформатор TV содержит две изолированные друг от друга секции W11 и W12 первичной обмотки.

Рис. 7. Схема 5 DC/DC-преобразователя

В схеме к двум выводам мостовой схемы, образованной силовыми транзисторами VT1–VT4, присоединена цепь, сформированная соединенными последовательно обмоткой дросселя L3, первой секцией W11 первичной обмотки трансформатора TV, конденсатором C7, второй секцией W12 первичной обмотки и обмоткой дросселя L4. При этом выводы конденсатора C7 связаны с шинами питания диодами VD5–VD8. Тем самым амплитуда переменного напряжения на этом конденсаторе ограничивается на уровне напряжения питания схемы. Поэтому он выполняет такую же функцию, как аналогичный конденсатор в схеме 4, то есть ограничивает величину тока, потребляемого от источника питания устройства, и тока, который передается в выходную цепь устройства.

Выводы двухфазных вторичных обмоток трансформатора через силовые выпрямительные диоды VD9–VD12 подключены к первому выходному зажиму преобразователя, а средние точки этих обмоток непосредственно соединены со вторым выходным зажимом.

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов схемы 5.

Дроссели L3 (L4). Сердечник PQ 35/35 из магнитного материала № 87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Их числа витков: wL3 = 12, wL4 = 12; индуктивность: 15,74 мкГн; сопротивление обмоток: RwL3 = 5,2 мОм; RwL4 = 5,2 мОм.

Силовой трансформатор TV. Сердечник PQ 50/50 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 100 мкм. Числа витков обмоток: w11 = 14; w12 = 14; w21 = 2; w22 = 2; w31 = 2; w32 = 2. Индуктивность первичной обмотки — 0,557 мГн; сопротивление обмоток (мОм): Rw11 = 10,8; Rw12 = 12,4; Rw21 = 0,608; Rw22 = 0,647; Rw31 = 0,678; Rw32 = 0,703. Емкость конденсатора С7 — 80,5 нФ.

В патенте [8] содержится схема более простая, чем схема 5. В ней обмотки дросселей L3, L4 связаны магнитно, то есть два дросселя заменяются одним. Однако устройство, содержащее один дроссель, на котором размещены две обмотки, связанные магнитно, а также содержащаее трансформатор с двумя секциями первичной обмотки, обладает тем же недостатком, что и схема 4. А именно: при условии использования фазового принципа управления силовыми транзисторами в схеме, содержащей один дроссель, возникают выбросы тока транзисторов, подобные тем, что имеют место в схеме 4. Поэтому более простая схема, предложенная в [8], далее исключается из рассмотрения.

Схема 6 DC/DC-преобразователя приведена на рис. 8. Схема 6 подобна устройству, выполненному по схеме 5, отличаясь от него только тем, что энергия в схеме 6 передается в ее выходную цепь двумя одинаковыми трансформаторами TV1 и TV2.

Рис. 8. Схема 6 DC/DC-преобразователя

При моделировании использовались приводимые ниже расчетные значения параметров элементов схемы 6.

Дроссель L3 (L4). Сердечник PQ 35/35 из магнитного материала № 87 (EPCOS). Обмотка выполнена изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Число ее витков: wL3 = 12; индуктивность: 15,74 мкГн; сопротивление обмотки (мОм):  RwL3 = 5,2.

Силовой трансформатор TV1 (TV2). Сердечник PQ 40/40 из магнитного материала марки N87 (EPCOS). Обмотки выполнены изолированной медной лентой толщиной 200 мкм. Числа витков обмоток: w11 = 14; w21 = 2; w22 = 2. Индуктивность первичной обмотки 0,218 Гн; сопротивление обмоток (мОм): Rw11 = 4,96; Rw21 = 0,542; Rw22 = 0,584. Емкость конденсатора С7 — 80 нФ.

Регулировочные характеристики схем второй группы, обладающие свойством параметрической ограниченности тока, который потребляется от источника питания и передается в выходную цепь, представлены на рис. 9.

Рис. 9. Регулировочные характеристики DC/DC-преобразователей с параметрической ограниченностью тока их выходных цепей

Особенностью этих характеристик, помимо ограниченности максимального значения тока выходных цепей, является плавный характер нарастания этого тока, происходящий при возрастании регулирующего параметра D. Указанное свойство упрощает управление группой DC/DC-преобразователей при параллельном соединении их выходных цепей. Оно может быть осуществлено при использовании одинаковых последовательностей импульсов, осуществляющих фазовый принцип управления силовыми транзисторами преобразователей, входящих в группу.

При таком управлении разброс в амплитудах токов силовых транзисторов, а также в выходных токах преобразователей будет незначительным, поскольку этот разброс определяется отличием их регулировочных характеристик. Это отличие несущественно при условии идентичности применяемой элементной базы в DC/DC-преобразователях группы.

Энергетическая эффективность преобразования энергии схемами может быть оценена по зависимостям их коэффициентов полезного действия (КПД) от среднего значения выходного тока. Они представлены на рис. 10.

Рис. 10. Зависимости КПД схем от среднего значения их выходного тока

Согласно рис. 10, наибольшими и практически одинаковыми значениями КПД обладают схемы 1 и 5, причем это имеет место в широком диапазоне изменения тока их выходных цепей. По данному показателю к ним приближается схема 6, трансформаторы которой выполнены на сердечниках меньшего типоразмера, чем в схемах 1 и 5.

В схемах 2 и 3 трансформаторы имеют существенно больший коэффициент трансформации, чем в схемах 1 и 5. Поэтому в схемах 2 и 3 в первичную обмотку из вторичных обмоток передается значительно больший ток. Он коммутируется силовыми транзисторами, из-за чего в них выделяется большая мощность тепловых потерь, что вызывает общее понижение КПД преобразователя, иллюстрируемое рис. 10. В связи с этим применение схем 2 и 3 не является оправданным.

Заключение

Среди рассмотренных схем мостовых DC/DC-преобразователей наиболее предпочтительными являются два их варианта — схемы 1 и 5. Схема 1 конструктивно проще схемы 5, но ее недостаток состоит в неограниченности среднего значения тока ее выходной цепи и токов, которые коммутируются силовыми транзисторами, если значение коэффициента регулирования D приближается к единице. Более сложная схема 5 обладает полезным свойством параметрического ограничения указанных токов во всем диапазоне изменения D (0–1), что делает ее наиболее целесо­образной для применения.