В условиях борьбы за каждый процент КПД всё большее внимание уделяется способам его повышения. В статье показано преимущество синхронного выпрямления перед традиционными решениями, использующими диоды Шоттки на вторичной стороне AC/DC-преобразователей, проанализирован ряд управляющих микросхем и силовых MOSFET, разработанных специально для данного режима компанией International Rectifier.
Можно с уверенностью сказать, что во всех областях деятельности современного общества применяется электрическая энергия. Для передачи энергии от генератора к потребителю используется переменное напряжение, в то время как большинство электронных схем, содержащихся в бытовых приборах, требует питания постоянным напряжением.
По этой причине весомую долю в огромном разнообразии ежедневно разрабатываемых и производимых преобразователей энергии составляют AC/DC-преобразователи, топология которых подразумевает использование в выходном каскаде диодов и/или полевых транзисторов.
AC/DC-преобразователи часто име-ют следующие структуры: «корректор коэффициента мощности — резонансный полумост — выпрямительный каскад с выводом средней точки трансформатора» (см. рис. 1); «корректор коэффициента мощности — полумо стовой преобразователь — выпрямительный каскад» (см. рис. 2), «корректор коэффициента мощности — обратноходовой преобразователь» и т.д.
Рис.1. Преобразователь на основе резонансного полумоста |
Рис. 2. Преобразователь на основе полумостового инвертора |
В любом случае в подобных преобразователях присутствует выходное звено с выпрямительными диодами Шоттки. В данных схемах также осуществляется замена диодов полевыми транзисторами для уменьшения потерь в выходном каскаде. Необходимо добавить, что несущественное усложнение управления в данном случае успешно нивелируется ростом КПД, снижением стоимости конечного устройства и уменьшением площади теплоотводящего элемента.
Несмотря на то, что режим синхронного выпрямления обеспечивает снижение потерь мощности в полупроводниковых элементах выходных каскадов AC/DC-преобразователей, вопрос реализации управления полевыми транзисторами для работы в данном режиме остаётся открытым.
До выхода на рынок специализированных микросхем управления синхронными выпрямителями для управления силовым ключом в выходном каскаде преобразователя использовалась топология с трансформатором тока, представленная на рисунке 3.
Рис. 3. Синхронный выпрямитель, построенный с использованием трансформатора тока в цепи обратной связи |
Однако построение синхронных схем приводило к усложнению силового трансформатора и к введению дополнительного трансформатора тока для определения моментов включения транзистора, что неизбежно вело к росту числа компонентов, увеличению стоимости конечного устройства, а также к уменьшению его КПД.
Именно поэтому компания International Rectifier, являющаяся одним из лидеров на рынке электронных компонентов, представила высокоэффективное решение для организации синхронного выпрямителя на вторичной стороне преобразователей. Линейка контроллеров Smart Rectifier ориентирована на управление транзисторами на вторичной стороне полумостовых резонансных и обратноходовых преобразователей, работающих в режимах прерывистого, граничного и непрерывного тока дросселя выходного каскада. В таблице 1 приведен перечень контроллеров для схем синхронного выпрямления, предоставляемых компанией International Rectifier.
Таблица 1. Перечень контроллеров для схем синхронного выпрямления от компанией International Rectifier
IR11682S |
IR1166S |
IR11662S |
IR11672AS |
IR1168S |
IR1167BS |
IR1167AS |
||
Корпус |
SOIC-8 |
SOIC-8 |
SOIC-8 |
SOIC-8 |
SOIC-8 |
SOIC-8 |
SOIC-8 |
|
Топология |
Резонансный полумост |
+ |
||||||
Обратноходовой преобразователь |
— |
+ |
— |
+ |
||||
Режим работы |
Прерывный |
+ |
||||||
Критический |
+ |
|||||||
Непрерывный |
— |
+ |
— |
+ |
||||
Vcc, В |
min |
8,6 |
11,4 |
8,6 |
11,4 |
|||
max |
18 |
|||||||
Максимальное напряжение сети, В |
200 |
|||||||
Диапазон выходного тока, А |
1…–4 |
2…–7 |
1…–4 |
2…–7 |
||||
Частота коммутации, кГц |
До 400 |
До 500 |
||||||
Вход разрешения работы |
Нет |
Да |
Нет |
Да |
||||
Задание минимального времени работы транзистора |
||||||||
Защита по минимальному времени работы транзистора |
Нет |
Да |
Нет |
|||||
Программируемость |
Да |
Да |
||||||
Стоимость, долл. |
1412 |
1300 |
1212 |
0,938 |
1875 |
1625 |
1625 |
В представленном семействе присутствуют как универсальные микросхемы, подходящие для работы в резонансных и обратноходовых схемах в любом из перечисленных выше режимов, так и микросхемы для узкоспециализированного применения. Например, контроллер IR1166S предназначен для работы в схемах с обеими топологиями и при любой форме тока вторичной обмотки трансформатора, тогда как IR1168S работает лишь в прерывистом и граничном режимах и только в схеме на основе резонансного полумоста.
Все микросхемы данного семейства способны поддерживать высокую частоту преобразования вплоть до 500 кГц, за исключением IR11682S (400 кГц), и широкий диапазон выходного тока управления в диапазоне 1…–4 А для семейств IR1166 и IR1168 и в пределах 2…–7 А для семейства IR1167 при максимальном напряжении сток-исток 200 В. Вход разрешения работы драйвера позволяет использовать данную микросхему для реализации сторонних функций.
Также всю линейку микросхем, предложенных IR, выгодно отличают относительно невысокая стоимость; возможность управления как одним, так и параллельно соединёнными полевыми транзисторами за счёт увеличенной мощности каскада управления; компактный корпус; минимальное количество внешних элементов и наличие функции программируемого задания минимального времени открытого состояния транзистора 200 нс…3 мкс (за исключением семейства IR1168).
Принцип действия всех контроллеров предложенного ряда сводится к слежению за напряжением «сток-исток» полевого транзистора для определения направления тока в нём и моментов его включения и выключения. Более подробно принцип действия предлагается рассмотреть на примере микросхемы IR1167AS, типовое включение которой представлено на рисунке 4.
Рис. 4. Типовая схема включения контроллера IR1167S |
Контроллер IR1167S — это управляющий драйвер полевого N-канального транзистора, установленного на вторичной стороне полумостового резонансного или обратноходового преобразователя с трансформаторной развязкой, который обеспечивает его работу в режиме синхронного выпрямления. Микросхема способна управлять как одним, так и несколькими параллельно включёнными MOSFET для снижения уровня потерь в них. Она обеспечивает работу в режимах прерывистого, граничного и непрерывного тока вторичной обмотки трансформатора.
Микросхема выполнена в корпусе SOIC-8. Назначение каждого её вывода описано ниже.
1. VCC: напряжение питания. Напря-жение на данном входе микросхемы осуществляет питание всех модулей внутренней структуры и контролируется встроенным блоком UVLO (under voltage lockout). Данный блок обеспечивает мониторинг питающего напряжения и выключение микросхемы при его снижении до порогового значения.
2. OVT: настройка напряжения срабатывания драйвера. Выход OVT позволяет установить пороговый уровень напряжения сток-исток, по достижению которого происходит включение транзистора. При выборе одного из 3-х уровней сравнения этот вывод подключается к напряжению питания, земляной шине или остается неподключенным. Эта функция позволяет использовать транзисторы с различными сопротивлениями каналов в открытом состоянии.
3. MOT: минимальное время включения. С помощью входа MOT устанавливается минимальное время открытого состояния транзистора. Это необходимо для предотвращения ложного отключения транзистора при возникновении колебаний токов или при регистрации шумов в силовой схеме. Минимальное время открытого состояния определяется номиналом внешнего резистора, подключенного между входом MOT и землей, и может варьироваться в диапазоне 200 нс…3 мкс.
4. EN: разрешение работы. При подаче на вход EN напряжения ниже 2,5 В осуществляется переход микросхемы в спящий режим, в котором потребление энергии сводится к минимуму и микросхема перестаёт управлять транзистором.
5. VD: сток транзистора. Напряжение стока транзистора подается на один из входов внутреннего компаратора, который определяет направление протекания тока в схеме. Дополнительные фильтрующие звенья, а также ограничители тока на данном входе не рекомендуются, поскольку они могут повлиять на работоспособность микросхемы.
6. VS: исток транзистора. Напряжение истока транзистора подаётся на другой вход внутреннего компаратора микросхемы, который определяет направление протекания тока в схеме. Инженеры компании International Rectifier рекомендуют подключать этот вывод максимально близко к истоку силового транзистора.
7. GND: земляная шина. Управляющее напряжение затвора на выходе Gate формируется относительно данной шины.
8. GATE: выход затвора транзистора. Ток управления ограничен значениями 2…–7 А. Несмотря на то, что данный вывод может быть напрямую подключён к затвору транзистора, для обеспечения наилучших динамических свойств рекомендуется устанавливать в цепь затвора ограничивающее сопротивление.
Режим работы обратноходового преобразователя с синхронным выпрямлением определяется, в основном, моментом отключения силового транзистора. Момент включения транзистора совпадает с моментом выключения силовой схемы первичной стороны преобразователя и не зависит от контроллера синхронного выпрямителя.
В момент времени, когда силовая схема формирует условия для открытия внутреннего диода силового транзистора, образуется отрицательное напряжение сток-исток. Это напряжение регистрируется внутренним компаратором драйвера, и при достижении порогового значения происходит включение силового транзистора. В этот момент могут возникнуть выбросы в силовой схеме, и возможны случаи, когда напряжение на входах компаратора станет меньше порогового, что приводит к преждевременному запиранию силового ключа. Для предотвращения данной ситуации с помощью входа MOT контроллера устанавливается минимальное время его открытого состояния.
После включения транзистора через него начинает протекать силовой ток, который создает на нём падение напряжения. Отключение транзистора произойдет при снижении напряжения сток-исток ниже порогового значения Vth1 (см. рис. 5, 6). Этот момент однозначно определяется режимом работы схемы.
Рис. 5. Структурная схема контроллера IR1167S |
Рис. 6. Временные диаграммы напряжения и тока силового транзистора при работе в режиме прерывистых токов или в граничном режиме |
При работе устройства в граничном режиме или в режиме прерывистых токов отключение транзистора происходит в момент, когда падение напряжения на сопротивлении канала станет по модулю меньше порогового значения Vth1, однако в этот же момент откроется внутренний структурный диод силового транзистора. Падение напряжения на диоде по модулю больше, чем пороговое напряжение Vth2. В результате формируются условия для повторного открытия транзистора. Однако встроенная защита от повторного включения не позволяет произойти данному событию, формируя временную задержку, которая не позволяет включить транзистор в течение 10 мкс после выключения или до тех пор, пока напряжение сток-исток не превысит порогового напряжения Vth3. Временные диаграммы процессов включения и выключения транзистора показаны на рисунке 6.
При работе схемы в непрерывном режиме падение напряжения на переходе силового транзистора не превысит порогового значения Vth1. Соответственно, отключение транзистора произойдет без задержек при превышении напряжения сток-исток порогового напряжения Vth3. Временные диаграммы процессов переключения транзистора при работе в режиме непрерывных токов показаны на рисунке 7.
Рис. 7. Временные диаграммы напряжения и тока силового транзистора при работе в режиме непрерывных токов |
Следует также отметить, что появление специализированных управляющих микросхем для реализации режима синхронного выпрямления наложило свои требования на применяемые полупроводниковые ключи. Транзисторы MOSFET, предлагаемые компанией International Rectifier, с малым сопротивлением открытого канала (например, у IRFB4310 RDS(on) = 7 мОм) и улучшенным обратным диодом являются идеальными устройствами для использования в схемах синхронного выпрямления. Использование подобных транзисторов позволяет заметно повысить эффективность схем AC/DC-преобразователей, а также увеличить удельную мощность конечных устройств. Помимо этого, транзисторы компании International Rectifier идеально подходят для использования в синхронных схемах AC/DC-преобразователей, например, для двигателей постоянного тока, работающих при невысоких напряжениях.
Среди преимуществ транзисторов семейства SR MOS можно особенно выделить следующие:
– они идеально подходят для использования в синхронных выпрямителях с выходным напряжением в диапазоне 12…24 В;
– транзисторы IRFB4310 (с максимальным сопротивлением открытого канала RDS(on) = 7 мОм и максимальным напряжением сток-исток 100 В) и IRFB3207 (RDS(on) = 4,5 мОм V = 75 В) имеют очень малые значения сопротивлений открытого канала, что позволяет значительно снизить потери при их использовании в схемах синхронного выпрямления;
– исполнение приборов в различных корпусах.
В таблице 2 представлены модели транзисторов в самых широко используемых популярных корпусах. Более подробную информацию см. на веб-сайте компании International Rectifier по адресу www.irf.com/product-info/smps/fs1167.html.
Таблица 2. Модели транзисторов IR семейства SRMOS в различных корпусах
Напряжение |
RDS(on) max., мОм |
|
|
|
|
|
|
TO-220AB» |
TO-262 |
D2Pak |
D2Pak 7-pin |
SO-8 |
DirectFet Medium Can |
||
40 |
1,25 |
IRFS3004-7P |
|||||
1,6 |
IRF2804S-7P |
||||||
1,75 |
IRFB3004 |
IRFSL3004 |
IRFS3004 |
||||
2,3 |
IRF2804 |
IRF2804L |
IRF2804S |
||||
3,6 |
IRF2204 |
IRF2204L |
IRF2204S |
||||
3,7 |
IRF1404Z |
IRF1404ZL |
IRF1404ZS |
||||
5,5 |
IRF4104 |
IRF4104L |
IRF4104S |
||||
55 |
2,6 |
IRF3805S-7P |
|||||
3,3 |
IRF3805 |
IRF3805L |
IRF3805S |
||||
4,7 |
IRF2805 |
IRF2805L |
IRF2805S |
||||
4,9 |
IRF1405Z |
IRF1405ZL |
IRF1405ZS |
||||
6,5 |
IRF3205Z |
IRF3205ZL |
IRF3205ZS |
||||
60 |
2,1 |
IRF3006S-7P |
|||||
2,5 |
IRFB3006 |
IRFSL3006 |
IRFS3006 |
||||
3 |
IRFB3206 |
IRFSL3206 |
IRFS3206 |
||||
4,2 |
IRFB3306 |
IRFSL3306 |
IRFS3306 |
||||
7 |
IRF6648 |
||||||
9.4 |
IRF7855 |
||||||
75 |
2.6 |
IRFS3107-7P |
|||||
3 |
IRFSL3107 |
IRFS3107 |
|||||
3.3 |
IRFB3077 |
||||||
3.8 |
IRF2907ZS-7P |
||||||
4.1 |
IRFB3207Z |
IRFS3207Z |
|||||
5.8 |
IRFB3307Z |
IRFSL3307Z |
IRFS3307Z |
||||
8.8 |
IRFB3507 |
IRFSL3507 |
IRFS3507 |
||||
9 |
IRFB3607 |
IRFSL3607 |
IRFS3607 |
||||
80 |
10 |
IRF6646 |
|||||
13.4 |
IRF7854 |
||||||
15 |
IRF7493 |
IRF6668 |
|||||
100 |
4 |
IRFS4010-7P |
|||||
4,7 |
IRFB4110 |
IRFSL4010 |
IRFS4010 |
||||
6 |
IRFB4310Z |
IRFSL4310Z |
IRFS4310Z |
||||
9 |
IRFB4410Z |
IRFSL4410Z |
IRFS4410Z |
||||
14 |
IRFB4610 |
IRFSL4610 |
IRFS4610 |
IRF6644 |
|||
18 |
IRF3710Z |
IRF3710ZL |
IRF3710ZS |
IRF7853 |
|||
22 |
IRF7495 |
IRF6662 |
|||||
150 |
12 |
IRFB4115 |
IRFSL4115 |
IRFS4115 |
IRFS4115-7P |
||
15 |
IRFB4321 |
IRFSL4321 |
IRFS4321 |
||||
34,5 |
IRF6643 |
||||||
200 |
22 |
IRFB4127 |
IRFSL4127 |
IRFS4127 |
|||
26 |
IRFB4227 |
IRFSL4227 |
IRFS4227 |
Как было сказано выше, микросхемы IR1166 и IR1167A используются для синхронного управления силовым MOSFET-транзистором на вторичной стороне преобразователя энергии. Одно из основных применений рассмотренных выше драйверов и транзисторов специалисты компании International Rectifier видят в схемах обратноходовых преобразователей (см. рис. 8)
Рис. 8. Схема обратноходового преобразователя |
На базе данной схемы выполняются повсеместно применяемые преобразователи мощностью 120 Вт для заряда аккумулятора ноутбуков со следующими параметрами: напряжение на выходе преобразователя — 19,5 В; ток нагрузки — 6,15 А.
На рисунке 9 представлены значения температуры силовых ключей, а также эффективность выходного каскада данного зарядного устройства в зависимости от ее топологии и применяемых компонентов. Исходя из графика, можно понять, что использование микросхемы управления синхронными выпрямителями компании International Rectifier семейства SmartRectifier позволяет уменьшить количество элементов схемы до 6 шт., а также увеличить эффективность всего каскада до 88,7%.
Рис. 9. Зависимость КПД, количества элементов и температуры силовых ключей от топологии построения схемы |
Помимо этого, по сравнению со схемой на рисунке 5, т.е. с использованием в выходном каскаде схемы одного MOSFET-транзистора и токового трансформатора в качестве петли обратной связи, удалось увеличить КПД устройства более чем на 1% и уменьшить количество элементов с 21 до 6. Температура силового ключа уменьшилась со 110 до 90°С при идентичном охлаждении.
Среди преимуществ данной схемы можно выделить: простоту реализации; высокую эффективность; отсутствие зависимости вторичной стороны схемы от первичной.
При использовании понижающего преобразователя с компонентами IR для синхронного выпрямления в источнике питания мощностью 120 Вт КПД схемы увеличивается на 1%, температура силовых ключей снижается на 10°, уменьшается количество элементов схемы на 75—80%, а стоимость всего устройства — на 20%.
На рисунке 9 приведены физические различия между двумя типами синхронных выпрямителей мощностью 120 Вт. На рисунке 9а представлен внешний вид устройства, построенного на схеме с трансформатором тока в цепи обратной связи. Как видно, такой блок питания имеет массивный радиатор, большое количество транзисторов в корпусе ТО-220, а также включает трансформатор тока. Плата с микросхемой управления IR1167 (см. рис. 10б) имеет компактный размер и повышенную плотность мощности при меньшем количестве элементов.
Для уменьшения сроков, а также для упрощения разработки схем синхронных выпрямителей компания International Rectifier предлагает мощный инструмент, позволяющий быстро и точно рассчитать элементы схемы. Его можно найти на веб-сайте по адресу www.irf.com/design-center/mypower/index_syncrec.html.
Дружественный интерфейс, а также высокий функционал приложения позволяет всего за 3 шага рассчитать элементы схемы источника питания, построенного на базе обратноходового преобразователя для обеспечения заданных параметров.
Как показывает практика, использование синхронных схем выпрямителей позволяет заметно повысить КПД схемы по сравнению с традиционными схемами выпрямителей. Развитие синхронных схем прошло множество этапов, среди которых особо значимым можно считать разработку автоматических систем управления синхронными транзисторами. Компания International Rectifier создала семейство управляющих микросхем синхронными схемами, которые уверенно заняли свою нишу на рынке управляющих драйверов.
Применение микросхем семейства Smart Rectifier позволяет при уменьшении числа элементов схемы повысить КПД конечного устройства и снизить температуру силовых ключей. Среди особенностей микросхем управления компании international Rectifier можно выделить отсутствие необходимости дополнительного контура обратной связи по току, поскольку микросхема имеет функцию слежения за напряжением сток-исток силового ключа. Помимо системы управления синхронными выпрямителями, инженерами компании International Rectifier была разработана серия силовых ключей, идеально подходящих для применения в синхронных выпрямителях.
Литература.
1. International Rectifier Application Note AN-1087//www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1087.pdf.
2. Smart Rectifier™ ICs: Simple, high efficiency Synch Rec//www.irf.com/product-info/smps/fs1167.html.
3. 75V/100V HEXFET® Power MOSFETs for AC-DC Synchronous Rectification//www.irf.com/product-info/smps/syncrecmosfets.html.
4. Smart Rectifier™ ICs: Simple, high efficiency Synch Rec//www.irf.com/product-info/smps/fs1167.html.
5. SmartRectifierTM CONTROL IC Datasheet//www.irf.com/product-info/datasheets/data/ir1167aspbf.pdf.