В статье представлен расчет эффективных цепей защиты MOSFET-ключа в обратноходовых источниках питания.
AC/DC источники питания мощностью до 100 Вт обычно строятся по обратноходовой топологии. Такое решение сравнительно недорогое и позволяет строить многоканальные источники питания на одном контроллере. Это сделало обратноходовые источники питания самыми популярными среди разработчиков и де-факто — стандартом для AC/DC-преобразователей с малым числом компонентов. Недостатком обратноходовой топологии является большая нагрузка на ключевой MOSFET.
Принцип работы обратноходовой топологии: накопление энергии в трансформаторе во время открытого состояния силового ключа и передача этой энергии на выход во время закрытого состояния ключа. Обратноходовой трансформатор состоит из двух или более связанных обмоток на сердечнике с воздушным зазором, в котором сохраняется магнитная энергия перед ее передачей во вторичную обмотку. Однако на практике невозможно достичь идеальной согласованности обмоток. Малая часть энергии из-за индукции рассеяния трансформатора не передается во вторичную обмотку. При открытии силового ключа эта энергия генерирует высоковольтный выброс на первичной обмотке трансформатора и ключа. Это также приводит к высокочастотным помехам между эффективными эквивалентными емкостями открытого ключа и первичной обмотки трансформатора и индукцией рассеяния трансформатора (см. рис.1).
| Рис. 1. Переходные процессы при коммутации, вызванные индукцией рассеяния на стоке ключа |
 |
Если амплитуда высоковольтного выброса превышает напряжение пробоя ключевого элемента, которым обычно является силовой MOSFET-транзистор, то это может вызвать разрушение ключа. Более того, помехи коммутации высокой амплитуды на стоке ключа вызывает повышение ЭМИ до существенного уровня. В источниках питания мощностью более 2 Вт для ограничения выбросов напряжения на ключе используется цепь поглощения высоковольтного выброса (ЦПВВ).
Как работает цепь поглощения высоковольтного выброса
ЦПВВ используется для ограничения максимального напряжения на силовом ключе до безопасного уровня. Как только напряжение на ключе достигает порогового уровня, остальная часть энергии перенаправляется в ЦПВВ, где она запасается, медленно рассеивается или отправляется обратно в силовую часть. Недостатком ЦПВВ является то, что она потребляет часть мощности и снижает общий КПД. Существует несколько различных типов ЦПВВ (см. рис. 2). Некоторые из них используют стабилитроны для снижения потребляемой мощности, но увеличивают уровень ЭМИ. Цепь RCD обеспечивает хороший баланс между КПД, уровнем ЭМИ и стоимостью, что делает ее наиболее используемой.
|
Рис. 2. Типы цепей поглощения высоковольтного выброса |
 |
Цепь поглощения высоковольтного выброса RCD работает следующим образом: как только силовой MOSFET-ключ закрывается, диод во вторичной обмотке остается закрытым, и ток магнетизации заряжает емкость стока (см. рис. 3 а). Как только напряжение на первичной обмотке достигнет уровня выходного отраженного напряжения (Vor), определяемого коэффициентом соотношения обмоток трансформатора, диод во вторичной обмотке откроется, и энергия магнетизации перейдет во вторичную обмотку. Энергия рассеяния продолжает заряжать трансформатор и емкость стока до тех пор, пока напряжение на первичной обмотке не сравняется с напряжением на конденсаторе ЦПВВ (см. рис. 3 б).
| Рис. 3a (вверху) и 3б (внизу). ЦПВВ на первичной стороне |
 |
При этом блокировочный диод обеспечивает передачу энергии рассеяния в конденсатор ЦПВВ (см. рис. 4а). Ток, протекший через конденсатор, ограничивает пиковое напряжение на стоке на уровне VIN(MAX) + VC(MAX). После того, как энергия рассеяния полностью передана, блокировочный диод запирается, и конденсатор ЦПВВ разряжается через резистор ЦПВВ до следующего цикла. Иногда последовательно с блокировочным диодом включается небольшой резистор. Его функция — подавление «звона» между индуктивностью трансформатора и конденсатором ЦПВВ в конце цикла зарядки. Полный цикл обеспечивает пульсацию напряжения на ЦПВВ амплитудой Vdelta, которая контролируется номиналами резистора и конденсатора (см. рис. 5).
| Рис. 4а (слева) и 4б (справа). Работа ЦПВВ |
 |
| Рис. 5. Напряжение на ЦПВВ RCD |
 |
Работа ЦПВВ типа RCDZ идентична работе RCD, за исключением того, что в цепи присутствует стабилитрон, включенный последовательно резистору (см. рис. 2). Он предотвращает разряд конденсатора ниже обратного напряжения стабилитрона. Это ограничивает рассеивание мощности и увеличивает общую энергетическую эффективность. Обычно используется на низких нагрузках. ЦПВВ типа ZD обеспечивает принудительное ограничение напряжения на стоке путем параллельного включения цепи стабилитрона. Аналогично RCD работает и ЦПВВ RCD+Z. Отличием является то, что в нее добавлен стабилитрон для обеспечения принудительного ограничения напряжения на стоке при переходных процессах, а также подавления электромагнитных искажений, генерируемых цепью RCD.
При расчете ЦПВВ необходимо принимать во внимание характеристики как трансформатора, так и MOSFET-ключа. Если минимальное напряжение ограничения меньше Vor трансформатора, то ЦПВВ будет работать как нагрузка, потребляя больше, чем энергия рассеяния, что отрицательно скажется на общем КПД. Если компоненты ЦПВВ недостаточно мощны, они могут перегреваться и не обеспечивать необходимую защиту ключа, а также генерировать дополнительные ЭМИ. Но главное, ЦПВВ должна защищать MOSFET-ключ при любых входных напряжениях, токе нагрузки и допуске компонентов.
Руководство по расчету ЦПВВ (PI-DG-101), опубликованное компанией Power Integrations, Inc. (www.powerint.com), обеспечивает пошаговую процедуру расчета компонентов для каждой из четырех основных ЦПВВ обратноходового источника питания. Руководство предназначено для использования с ПО PI ExpertTM. Это интерактивная программа, которая использует пользовательскую спецификацию на источник питания и определяет критические компоненты (включая моточные изделия), необходимые для проектирования рабочего источника питания. Программа PI Expert также способна автоматически рассчитать ЦПВВ, однако он будет приближен больше к классической схеме, чем при использовании руководства по расчету ЦПВВ (в формулах: clamp).
Расчет ЦПВВ типа RCD
Ниже описаны основные этапы расчета цепи поглощения высоковольтного выброса.
1. Измерьте индукцию рассеяния первичной обмотки вашего трансформатора, LL.
2. Проверьте рабочую частоту вашего дизайна, fs.
3. Определите верный ток первичной обмотки, IP, по схеме:
– если ваш дизайн использует программируемое ограничение мощности, IP = ILIMITEXT;
– если ваш дизайн использует внешнее регулируемое ограничение по току, IP = ILIMITEXT;
– для остальных дизайнов, IP = ILIMITMAX.
4. Определите максимальное допустимое напряжение на MOSFET-ключе, и рассчитайте Vmaxclamp как:
.
(Замечание: рекомендуется запас в 50 В для BVDSS MOSFET-ключа, и еще 30…50 В запаса для учета переходных напряжений)
5. Определите напряжение пульсации на ЦПВВ Vdelta.
6. Рассчитайте минимальное напряжение на ЦПВВ, как:
.
7. Рассчитайте среднее напряжение на ЦПВВ Vclamp как:
.
8. Рассчитайте энергию, запасенную в реактивной индуктивности, как:
.
9. Оцените энергию, рассеиваемую в ЦПВВ Eclamp, как:
10. Рассчитайте номинал резистора ЦПВВ, как:
.
11. Мощность резистора ЦПВВ должна быть больше, чем:
.
12. Рассчитайте номинал конденсатора ЦПВВ, как:
.
13. Номинальное напряжение конденсатора ЦПВВ должно быть больше, чем 1,5Vmaxclamp.
14. В качестве блокировочного диода ЦПВВ должен быть использован диод класса fast или ultra-fast.
15. Пиковое обратное напряжение на диоде ЦПВВ должно быть больше, чем 1,5Vmaxclamp .
16. Прямой пиковый повторяющийся ток блокировочного диода должен быть больше чем IP. Если данный параметр не указан в спецификации на диод, средний прямой ток должен быть больше, чем 0,5IP.
17. Выберите номинал демпфирующего резистора (если он используется) как:
.
18. Мощность демпфирующего резистора должна быть больше, чем:
.
После расчета дизайна необходимо собрать прототип источника питания для проверки его характеристик, т.к. индукция рассеяния трансформатора значительно варьируется в зависимости от техники намотки. В частности, необходимо измерить среднее напряжение Vclamp и сравнить его значение с расчетным на этапе 7 (см. рис. 5). Любое существенное отклонение может быть скорректировано путем подстройки номинала Rclamp. Если результат сильно отличается от ожидаемого, необходимо сделать еще одну расчетную итерацию.
Аналогичные процедуры должны быть выполнены для всех компонентов ЦПВВ. Особое внимание необходимо уделить стабилитрону и диоду, их номинальная мощность не должна быть превышена. Мощностной потенциал компонентов проверяется путем измерения температуры каждого компонента при работе источника питания на полную нагрузку при минимально допустимом входном напряжении. Температура каждого компонента сверяется с допустимой температурой в спецификации. Если она превышена, цепь необходимо пересчитать с использованием более мощных компонентов.
Используя рекомендации руководства по расчету ЦПВВ, вы сможете получить оптимизированный и эффективный дизайн цепи поглощения высоковольтного выброса для обратноходового источника питания.
Перевод Геннадий Бандура.