Цифровое управление повышает эффективность DC/DC-преобразователей

Из-за строгих нормативов и перспективы их еще большего ужесточения производители источников питания переходят на цифровое управление. В полностью цифровых устройствах программируемые ЦСК генерируют ШИМ-сигналы, управляющие силовыми каскадами. Одновременно с этим контроллер решает такие задачи управления всей системой как регистрация данных, связь и генерация сообщений об ошибках. Такой подход позволяет разработчикам источников питания (ИП) использовать в ЦСК программы с самыми прогрессивными методами управления, что было практически неосуществимо в аналоговых устройствах. Цифровое управление также позволяет внедрять в систему любые стандарты записи данных и связи, необходимые для конечных пользователей.

Сначала обсудим простую мостовую схему, способную работать на высоких частота х, а потом перейдем к рассмотрению способов повышения ее эффективности. Как показано на рисунке 1, в состав мостового преобразователя входят четыре диагональных ключа: Q1, Q2, Q3 и Q4. Они открываются одновременно, что обеспечивает подачу на первичную обмотку трансформатора полного входного напряжения (V_IN).
В одну половину рабочего цикла открыта одна пара ключей, во вторую — другая, что обеспечивает смену полярности напряжения на трансформаторе в каждой половине цикла. В мостовом преобразователе при одном и том же уровне мощности ток через ключи и ток в первичной обмотке в два раза меньше по сравнению с полумостовой схемой. Такое снижение токов позволяет использовать мостовые преобразователи при более высоких уровнях мощности. Однако диагональные ключи в этих схемах характеризуются жестким переключением, что ведет к большим потерям переключения при открытии и закрытии ключей.

Рис. 1. Мостовой преобразователь

В прошлом, когда таких цифровых контроллеров не существовало, разработчики источников питания были вынуждены использовать менее эффективные методы преобразования энергии с жестким переключением ключей. Потери на переключение в этих преобразователях увеличивались с ростом частоты, что ограничивало рабочую частоту и снижало эффективность передачи мощности в источниках питания.

В настоящее время разработчики с помощью современных ЦСК могут проектировать более высокочастотные источники питания, что позволяет уменьшать в них размеры магнитных элементов и конденсаторов фильтров. Однако повышение частоты при использовании преобразователей мощности с жестким переключением ключей, таких как мостовые преобразователи, ведет к росту потерь на переключение.
PSFB-преобразователи являются преобразователями с мягким переключением ключей, в которых паразитные элементы, такие как выходная емкость переключательных устройств (MOSFET, IGBT) и индуктивность рассеяния трансформатора, используются для получения резонансных переходов (см. рис. 2). Эти резонансные переходы обеспечивают открытие ключей при нулевом напряжении, что снижает их потери на переключение.

Рис. 2. PSFB-преобразователь

PSFB-преобразователи используются в телекоммуникационных и серверных приложениях, где наиболее важными параметрами являются плотность мощности и эффективность. Принцип действия PSFB-преобразователей объясняется во многих работах, мы же рассмотрим способы улучшения их рабочих характеристик с помощью ЦСК.

Большинство DC/DC-преобра­зо­ва­телей для безопасности пользователей и выполнения требований, предъ­являемых регулирующими органами, проектируются с развязывающими трансформаторами. Для улучшения эффективности высокочастотных источников питания их первичная цепь реализуется по PSFB-топологии, а во вторичной цепи стоит двухполупериодный синхронный выпрямитель. В PSFB-преобразователях с традиционной схемой управления синхронными MOSFET-ключами, когда одна пара ключей (Q1, Q3 либо Q2, Q4) находится в открытом состоянии (в нашем примере — Q1, Q3), передача энергии из первичной во вторичную цепь не осуществляется, но MOSFET Q5 остается открытым (см. рис. 3).

Рис. 3. Временные диаграммы работы преобразователей с традиционными драйверами затворов синхронных MOSFET

Из-за наличия во вторичной цепи преобразователя катушки индуктивности (Lo) накопленная в ней энергия продолжает циркулировать по вторичной обмотке трансформатора (Tx) и MOSFET Q5. При этом ток через MOSFET может течь либо через канал, либо через внутренний диод. Из-за наведения тока из вторичной цепи в первичную в ней продолжает циркулировать ток даже тогда, когда напряжение на ней равно нулю (в отсутствие передачи энергии из первичной цепи во вторичную), что приводит к потерям в преобразователе.
Такие потери из-за циркуляции обратно наведенного тока становятся значимыми в случаях, когда входное напряжение превышает номинальное значение. Для устранения обратного наведения тока при управлении затворами MOSFET ключи Q5 и Q6 вводят мертвую зону. В течение этого интервала времени ни один из этих транзисторов не проводит ток. Следовательно, ток начинает течь через внутренние диоды MOSFET, которые характеризуются относительно высоким сопротивлением при прямом смещении, намного превышающим R_ds(ON) MOSFET. Это означает, что (V_F ∙ I) >> (I2 rms ∙ R_ds(ON)).
В следующем разделе описан способ борьбы с большими потерями в схемах с традиционными драйверами затворов синхронных MOSFET, основанный на перекрытии сигналов управления драйверами.

За счет перекрытия ШИМ-сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET можно избежать потерь в интервале, когда напряжение на первичной обмотке трансформатора равно нулю. При этом повышается эффективность источников питания по трем причинам. Во-первых, перекрытие сигналов управления синхронными MOSFET при использовании двухполупериодного выпрямителя со средним выводом ведет к устранению тока во вторичных обмотках трансформатора со средним выводом, что эффективно устраняет связь между вторичной и первичной цепями.
Во-вторых, в такой схеме вместо одного синхронного MOSFET и одной обмотки трансформатора со средним выводом ток проводят одновременно два синхронных MOSFET и две обмотки трансформатора со средним выводом. Поэтому сопротивление во вторичной цепи равно только половине эффективного сопротивления, за счет чего потери снижаются в два раза по сравнению со схемой, где открыт только один синхронный MOSFET (см. рис. 4).

Рис. 4. Перекрытие сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET повышает эффективность схемы

И, наконец, в соответствии с традиционной методологией переключения длительность специально введенной мертвой зоны может составлять порядка 10% от общего времени переключения, и на ее протяжении через внутренний диод MOSFET течет большой ток вторичной цепи. При перекрытии ШИМ-сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET вторичный ток течет через канал MOSFET. В таком случае в схеме остаются только потери на Rds(ON), которые намного меньше потерь при протекании тока через внутренние диоды MOSFET в мертвой зоне. В телекоммуникационных системах, входные сигналы которых составляют 36…76 В постоянного тока, перекрытие сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET улучшает эффективность DC/DC-преобразователей приблизительно на 3…4%.
Для реализации такого метода используется универсальный контроллер источника питания с полностью независимыми ШИМ-выходами. Например, ЦСК dsPIC, обеспечивающий широкие возможности и соответствующую ШИМ-периферию для применения этого и других методов повышения эффективности.

Применение PSFB-преобразо­ва­те­лей позволяет достигнуть необходимого для современных источников питания уровня эффективности. Цифровое управление дает возможность разработчикам организовать прецизионное регулирование PSFB-схем и внедрять прогрессивные технологии, например, перекрытие сигналов драйверов затворов синхронных MOSFET. Новые схемы, новые методы и новые идеи позволяют создавать источники питания, отвечающие современным требованиям. Цифровые контроллеры типа dsPIC компании Microchip способствуют внедрению этих методов.