Резонансный DC/DC-преобразователь большой мощности с широким диапазоном изменения нагрузки

В зависимости от типа управления понижающие DC/DC-преобразователи обычно работают либо с фиксированной частотой и ШИМ-управлением, либо с переменной частотой. Пре­об­ра­зователи с ШИМ обеспечивают диапазон регулирования от минимальной мощности (обычно менее 5% номинальной мощности) до максимальной. При этом обеспечивается хорошая энергетическая эффективность. Однако есть и недостатки: погрешности при генерировании узкого импульса ШИМ; относительно высокая потребляемая мощность в режиме пониженного энергопотребления и в режимах с малой нагрузкой, близких к холостому ходу; довольно большие электромагнитные помехи. Решение этих проблем обычно ведет к возрастанию стоимости.
Резонансные преобразователи, рабо­тающие с переменной частотой, соз­дают относительно небольшие элек­тро­магнитные помехи. Они могут работать на холостом ходу, потребляют малую мощность в режиме пониженного энергопотребления, имеют низкую стоимость. Однако в случаях, когда диапазон входных напряжений
Vmax/Vmin > 1,3, возникают проблемы.
В настоящее время популярна топология, использующая ШИМ со сдвигом фаз. Она применяется в инверторах с выходной мощностью свыше 4 кВт. В этом случае уменьшаются электромагнитные помехи, т.к. используется мягкая коммутация. Кроме того, не возникает проблем с генерацией узкого импульса управления, но в этом случае происходит жесткая коммутация, возрастают потери и уровень электромагнитных помех. Большая часть затруднений возникает, когда при небольшом выходном напряжении, например, при 14 В, требуется получить большой выходной ток — свыше 200 А. В этом случае в схеме выпрямления на низкой стороне возникают следующие проблемы [1—5]:
– потери мощности в дросселе становятся очень велики;
– трудно обеспечить мягкую коммутацию выпрямительных диодов;
– стоимость индуктора существенно возрастает.
В [6—11] отчасти описаны способы преодоления этих трудностей. Однако остаются сомнения в возможности мягкой коммутации ключей, неизвестно, каковы будут потери в режиме пониженного энергопотреб­ления. И, наконец, неясно, какова будет энергоэффективность преобразователя при мощностях свыше 2 кВт.

Описанная ниже схема имеет преимущества, свойственные как схемам с ШИМ-управлением, так и преобразователям с переменной рабочей частотой. При нагрузке в пределах 25—100% от номинальной схема работает с управлением ШИМ и на максимальной (около 200 кГц) частоте. При снижении нагрузки менее 25% от номинальной уменьшается и рабочая частота; при этом продолжает снижаться коэффициент заполнения. Частота коммутации может быть снижена до 2…3 кГц, а коэффициент заполнения — до нуля в режиме пониженного энергопотреб­ления. При этом достигаются крайне малые потери (не более 8 Вт), что очень важно при работе от аккумуляторных батарей.
На рисунке 1 показана схема преобразователя, способного работать как в понижающем, так и в повышающем режимах. В этой статье рассмотрен только понижающий режим работы. В [12] описана работа в повышающем режиме. Преобразователь использует последовательную резонансную цепь, поэтому энергия за один цикл преобразования ограничивается энергетической емкостью резонансной цепочки, состоящей из LRES и конденсатора С1.

Рис. 1. Схема резонансного преобразователя, совмещающего преимущества ШИМ и работы на переменной частоте

На рисунке 2 показана временная диаграмма работы идеального преобразователя, работающего на максимальной частоте с ШИМ-управлением. В момент времени t0 при нулевом токе открываются ключи S2, S4 и диод D3, в интервале времени t0—t1 ток нарастает. Его величина и форма определяются резонансной цепочкой C1, C4 и LRES. В момент времени t1 ключ S4 закрывается, и ток через эту цепь прерывается до тех пор, пока не откроется S3. Коммутация происходит при нулевом напряжении — zero-voltage switching (ZVS), — т.к. ключи S3, S4 находятся между конденсаторами С1 и С2, с одной стороны, и С3 и С4 — с другой. Емкости С3 и С4 нужны для обеспечения мягкой коммутации ключей в интервале времени t1—t2, их величина значительно меньше, нежели С1 и С2.

Рис. 2. Временная диаграмма работы идеального преобразователя

В момент времени t2 индуктивность LRES отдает запасенную энергию. В интервале t2—t3 ток протекает по цепи D6–LRES–TR1–S2. К моменту времени t3 ток на низкой стороне течет через диоды D7, D10 и уменьшается до нуля. В момент t4 ключ S2 закрывается, и относительно небольшой к этому времени ток через трансформатор прекращается.
В момент t5 открывается ключ S1, и начинается вторая половина цикла преобразования, аналогичная первой, происходящей в интервале t0—t5. В интервале времени t5—t6 ток протекает по цепи S1–TR1–LRES–S3, D4 и C1–C4. Методика подсчета номинальных параметров компонентов резонансной цепи изложена в [12]. Для достижения хороших показателей качества для добротности дросселя LRES должно выполняться соотношение Q > 7.
На рисунке 3 показана схема прототипа с указанием номиналов, рассчитанного на выходную мощность 4 кВт, входное напряжение 280…440 В и выходное напряжение 14 В. На рисунке 4 приведены кривые напряжений и токов, полученные при входном напряжении 400 В, выходном напряжении 14,2 В и токе 280 А. В преобразователе использованы следующие компоненты:
– Q1, Q2 — IXSN80N60BD1;
– Q3, Q4 — IXKN75N60C;
– Q5, Q6, Q7, Q8 — IRF2804, 7 параллельно;
– D1, D2 — DSEI2×101-06A.

Рис. 3. Схема прототипа преобразователя с выходной мощностью 4 кВт

Рис. 4. Напряжения и токи в преобразователе (см. рис. 3), полученные при входном напряжении 400 В, выходном напряжении 14,2 В и токе 280 А

В таблице 1 проведено сравнение рассмотренного преобразователя с преобразователем, использующим при управлении сдвиг фаз (см. рис. 5) и его улучшенной версией [1], представленной на рисунке 6. Сравнение проводилось при условии равных для всех преобразователей входного напряжения, выходных напряжений и токов.

Рис. 5. Схема стандартного преобразователя, использующего управление со сдвигом фаз

Рис. 6. Схема улучшенного преобразователя, использующего управление со сдвигом фаз

В рассмотренном преобразователе (см. рис. 1) напряжение, прикладываемое к обмотке трансформатора, имеет трапецеидальную форму, а ток близок к синусоидальной форме с коэффициентом заполнения 0,9—0,95, который практически не изменяется в зависимости от входного напряжения. Последнее является преимуществом данного типа преобразователя, т.к. в этом случае уменьшаются потери в трансформаторе от высших гармоник тока и можно достичь большей рабочей частоты, уменьшить размеры трансформатора и его стоимость. Когда преобразователь работает в режиме ШИМ, он подобен источнику тока — в период времени t1—t3 энергия, запасенная в индуктивности LRES, передается через трансформатор в нагрузку.
Упрощенная схема выпрямления снижает стоимость преобразователя. В настоящее время его цена примерно на 10% ниже стоимости преобразователя со стандартной топологией. Еще одно преимущество рассматриваемого преобразователя — возможность работы и в понижающем, и в повышающем режимах с сохранением в обоих случаях мягкой коммутации.
Следует отметить и другие преимущества. Эффективное использование всех компонентов преобразователя, малые потери в ключах, возможность работы выпрямителя без сглаживающего дросселя, очень малые потери в режиме пониженного энергопотребления. Рассмотренная топология хорошо подходит для DC/DC-преобразователя, работающего с входным напряжением свыше 200 В и мощностью более 2 кВт.