Журнал "Новости Электроники", номер 7, 2008 год.Повышение эффективности обратноходовых преобразователей
Джон Беттен, Брайан Кинг (Texas Instruments)Во многих устройствах применяют обратноходовые преобразователи (flyback) из-за простоты и низкой стоимости, а не из-за их высокой эффективности. Не спешите отказываться от их применения, так как всего несколько рекомендаций инженеров компании Texas Instruments помогут Вам сократить потери почти на 10%.
В стандартном обратноходовом преобразователе выходной выпрямительный диод вносит существенный вклад в суммарные потери преобразования. Средний ток в выходном диоде равен постоянному выходному току, а пиковое значение тока может быть в несколько раз выше, в зависимости от длительности рабочего цикла. Падение напряжения на диоде Шоттки около 0,5 В, на стандартных диодах с PN-переходом - 0,8 В. Такое падение напряжения на диоде ведет к относительно высоким потерям и значительному снижению КПД. Использование транзистора MOSFET вместо диода при синхронном выпрямлении значительно уменьшает потери преобразования. На рисунке 1 представлен стандартный способ преобразования источника питания с диодным выпрямителем в источник питания с синхронным выпрямлением на МОП-транзисторе.
Рис. 1. Замена диода на МОП-транзистор с синхронным выпрямлением
а) до замены, б) после замены
Для преобразования DC/DC с топологией flyback (a) в конвертер с синхронным выпрямлением можно заменить выходной диод МОП-транзистором с каналом n - типа (MOSFET) и добавить обмотку к силовому трансформатору для формирования сигнала управления MOSFET.
Низкое сопротивление МОП-транзистора в открытом состоянии приводит к меньшим потерям, чем сопротивление выходного диода. Таким образом, значительно увеличивается КПД при одинаковой нагрузке. Принцип работы преобразователя с топологией flyback и выпрямительным диодом существенно отличается от синхронного обратноходового преобразователя с МОП-транзистором. На рисунке 2 представлены осциллограммы напряжения и тока в обратноходовых преобразователях с выпрямительным диодом (а) и с МОП-транзистором (б) в режиме синхронного выпрямления.
Рис. 2. Осциллограммы напряжения и тока в обратноходовых преобразователях
Выходной диод в стандартном обратноходовом преобразователе не позволяет току во вторичной обмотке трансформатора протекать в обратном направлении. При малой нагрузке эта ситуация ведет к переходу в режим с разрывом тока, при котором ток вторичной обмотки трансформатора полностью уменьшается до нуля в конце каждого цикла (а). Через синхронный МОП-транзистор ток может протекать и в обратном направлении, благодаря чему синхронный преобразователь работает в режиме без разрыва тока независимо от величины нагрузки (б).
В схеме с МОП-транзистором при синхронном выпрямлении перепады тока значительно меньше по сравнению со схемой с выпрямительным диодом, поэтому синхронный выпрямитель обеспечивает лучшие динамические характеристики даже при нулевой нагрузке. Однако эффективность преобразования конвертера с синхронным выпрямителем сильно снижается при малой нагрузке, так как обратный ток через транзистор становится соизмерим с выходным током. Суммарные потери в трансформаторе и МОП-транзисторе при синхронном выпрямлении из-за обратных токов больше, чем аналогичные потери в схеме с выпрямительным диодом, так как в последней схеме обратный ток во много раз меньше выходного тока.
Хотя синхронный МОП-транзистор значительно снижает тепловые потери, его использование приводит к снижению эффективности преобразования из-за большого обратного тока. Потери в ключе также происходят из-за входной емкости затвора МОП-транзистора, который заряжается и разряжается в течение каждого цикла. Для исключения сквозных токов начало открывания транзистора на первичной обмотке трансформатора должно немного опережать начало закрывания транзистора синхронного выпрямителя. Такая ситуация провоцирует короткое замыкание в трансформаторе во время включения и может привести к значительным потерям энергии. В управляемом синхронном обратноходовом преобразователе при включении первичного МОП-транзистора должен выключаться транзистор синхронного выпрямителя. Следовательно, невозможно устранить сквозные токи в то время, когда силовой трансформатор передает сигнал непосредственно синхронному МОП-транзистору. Управляемый синхронный МОП-транзистор должен иметь минимальные задержки при включении и выключении для минимизации потерь от сквозных токов. Хотя правильно сконструированный преобразователь с синхронным выпрямителем вносит дополнительные потери переключения, тепловые потери при его использовании значительно ниже, чем потери из-за прямого падения напряжения на выпрямительном диоде. Одно это достоинство синхронного выпрямителя перевешивает все недостатки при его использовании.
На рисунке 3 показано, как можно добавить в синхронный преобразователь изолированный сигнал управления затвором с регулируемой задержкой для устранения потерь от сквозных токов.
Рис. 3. Введение регулируемой задержки при включении и выключении транзистора синхронного выпрямителя для устранения сквозных токов
а) без задержки, б) с задержкой
Дополнительный трансформатор необходим для обеспечения гальванической изоляции и обеспечения необходимого уровня на затворе транзистора синхронного выпрямителя. Для регулировки напряжения на первичной и вторичной сторонах синхронного выпрямителя необходим ШИМ-контроллер (PWM) типа UCC2897. Формируемые задержки должны быть достаточно длительными для того, чтобы синхронный МОП-транзистор успел полностью закрыться перед включением транзистора в первичной цепи. Чрезмерная задержка вызывает перегрев встроенного диода на одном или обоих транзисторах MOSFET и приводит к дополнительным потерям преобразования энергии. Поэтому необходимо использовать контроллер с регулируемой задержкой для минимизации потерь, так как оптимальное время выключенного состояния зависит от задержек на первичной и вторичной сторонах, скорости передачи сигнала, индуктивности рассеяния силового трансформатора и параметров драйвера затвора МОП-транзистора.
На рисунке 4 показано, как дополнительно повысить (4б) эффективность преобразования, введя снабберные цепи и одновременно управляя первичной и вторичной цепями конвертера с помощью активного ограничения тока транзисторов.
Рис. 4. Осциллограммы напряжения и тока в обратноходовых преобразователях
Такая конфигурация часто называется обратноходовой DC/DC-преобразователь с активным демпфированием. В предыдущих схемах демпфер используется для уменьшения выброса напряжения между стоком и истоком на МОП-транзисторе первичной цепи. Выброс напряжения происходит при выключении транзистора первичной цепи и из-за утечки энергии в первичной обмотке трансформатора. Демпфер RCD (резистор - конденсатор - диод) рассеивает энергию импульса на резисторе снаббера, если амплитуда импульса превышает напряжение ограничения.
На рисунке 5 показано напряжение между стоком и истоком с регулируемой скважностью для синхронного обратноходового выпрямителя в режиме холостого хода с использованием RCD-демпфера (а) и в режиме активного ограничения (б).
Рис. 5. Напряжение между стоком и истоком обратноходового выпрямителя в режиме холостого хода с использованием RCD-демпфера (а) и в режиме активного ограничения (б)
Активное ограничение устраняет высокочастотные выбросы. Кроме того, активное ограничение выбросов напряжения значительно сокращает потери при переключении и снижает электромагнитные помехи.
В дополнение к фактическому устранению утечки тока активное ограничение напряжения и тока значительно снижает потери переключения и минимизирует электромагнитные помехи. Во многих случаях демпфер с активным ограничением позволяет использовать первичный МОП-транзистор с более низким напряжением сток - исток, который может еще больше сократить потери, так как низковольтные МОП-транзисторы имеют меньшее сопротивление канала в открытом состоянии, а следовательно, и меньшие тепловые потери.
На рисунке 6 показано, как можно повысить КПД преобразования обратноходового преобразователя в реальных условиях эксплуатации.
Рис. 6. Улучшение параметров DC/DC-преобразователей с переходом на более эффективные схемы конвертеров
Источник питания преобразует напряжение 48 В в выходное напряжение 3,3 В с максимальным током до 3,5 А. Переход от схемы с выпрямительным диодом к схеме обратноходового преобразователя с синхронным выпрямлением повышает КПД преобразования более чем на 7%, но при выходном токе менее 1 А эффективность преобразования значительно уменьшается. Такая ситуация возникает из-за потерь в драйвере затвора, а также потерь из-за сквозных токов при переключении, к которым приводит использование синхронного выпрямителя на МОП-транзисторах.
Дополнение системы регулируемой длительности паузы между импульсами значительно увеличивает эффективность преобразования при малых значениях нагрузки и устраняет потери от сквозных токов. (cм. рис. 7) КПД при полной нагрузке остается почти неизменным, так другие типы потерь доминируют над потерями синхронного МОП-транзистора.
Рис. 7. Эффект от добавления схемы управления задержкой
На рисунке 8 представлены графики зависимости КПД при разных длительностях паузы между импульсами в схеме с активным ограничением, а также их влияние на эффективность преобразования для разных режимов нагрузки.
Рис. 8. Зависимость КПД от тока нагрузки для разных пауз между импульсами
Более длительная задержка, устанавливаемая на ШИМ-контроллере UCC2897, требует большего номинала задающего резистора и значительно увеличивает КПД при малых нагрузках, уменьшая потери от сквозных токов в этом режиме. Но такая длительная задержка увеличивает тепловые потери синхронного МОП-транзистора и при полной нагрузке снижает его КПД преобразования на 1%. Тепловые потери встроенного диода синхронного МОП-транзистора при полной нагрузке превышают потери из-за сквозных токов при использовании более низкого сопротивления, задающего длительность паузы между импульсами. В некоторых ситуациях вам придется выбирать между максимальной производительностью на малых нагрузках по току и максимальной нагрузкой, выбирая подходящие значения резистора, определяющего длительность задержки.
На рисунке 9 представлен источник питания обратноходового преобразователя с активным ограничением, обеспечивающий данный конвертер всеми перечисленными в статье способами повышения эффективности преобразования.
Рис. 9. Источник питания обратноходового преобразователя с активным ограничением
Эта схема при максимальной нагрузке имеет КПД на 10% больше, чем при малых выходных токах и имеет почти такую же эффективность на малых нагрузках, как и оригинальная схема с выпрямительным диодом.
|
goblin пишет... cxemу бы почётче! чтобы
08/04/2012 22:08:09 |
|
viatcheslav пишет... крупный рисунок доступен по ссылке "увеличить" 10/04/2012 09:11:25 |
| Ваш комментарий к статье | ||||
