В статье подробно рассмотрены популярные топологии силовых преобразователей: обратноходовая, прямоходовая, мостовая, полумостовая и резонансная. Для каждой из них указаны области применения. Приведены поясняющие схемы и комментарии.
Когда речь заходит о выборе схемы силового каскада, многие в первую очередь интересуются выходной мощностью. Этот критерий, разумеется, очень важный, но не единственный. Конечно, вряд ли кто-то использует мостовую схему, например в 10-Вт преобразователе, но не всегда задача выбора столь проста, как может показаться. Помимо выходной мощности важны входное и выходное напряжения, выходной ток, тип нагрузки, требуемая энергоэффективность, массогабаритные показатели, изолированный или неизолированный преобразователь.
Рассмотрим наиболее часто встречаемые конфигурации силового каскада: прямоходовой, обратноходовой, пушпульный, полумостовой, мостовой, резонансные схемы.
Обратноходовой преобразователь
Обратноходовой преобразователь (ОП) (как и прямоходовой преобразователь, ПП) довольно часто встречается при мощностях менее 1 кВт. Одно из его достоинств — очень простая схема (см. рис. 1). Ключевым элементом преобразователя является трансформатор, хотя в данном случае он играет роль накопителя энергии и выполняет функции дросселя — при закрытом ключе вторичная обмотка отдает в нагрузку энергию, которая запасалась при открытом ключе, когда первичная обмотка была подключена к сети.
В приведенной схеме обеспечивается гальваническая развязка между первичной и вторичной цепями. ОП удобно применять, когда требуется обеспечить высокое выходное напряжение при относительно малом токе. Конечно, можно использовать эту схему и при низких напряжениях и высоких токах, но следует иметь в виду, что ОП свойственны большие токовые пульсации и пиковые токи, поэтому к компонентам фильтра на низкой стороне предъявляются повышенные требования, отчего их стоимость возрастает. Велики также и пульсации напряжения, поэтому выходной сглаживающий фильтр лучше выбрать типа «пи».
При коэффициенте заполнения 50% амплитуда пульсаций тока через выходной конденсатор примерно в 1,6 раза превышает выпрямленный ток нагрузки. Поэтому эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) этого конденсатора должно быть невелико. Это означает, что для надежной работы следует включить параллельно до 5 электролитических конденсаторов или использовать дорогостоящие керамические конденсаторы. Но, скорее всего, придется использовать хотя бы один электролитический конденсатор, причем его сопротивление должно быть достаточно небольшим, чтобы сохранить устойчивость преобразователя. Поэтому при больших выходных токах, например, 5 В, 10 А, следует отдать предпочтение ПП.
Индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора должна быть как можно меньше. При открытом ключе в ней запасается энергия, которая не передается во вторичную обмотку и при закрытии ключа вызывает всплески перенапряжения, из-за которых приходится выбирать ключ с повышенным максимально допустимым напряжением и использовать снабберные цепочки. Последние снижают энергоэффективность преобразователя.
Следует отметить еще один недостаток ОП — отношение пикового значения тока к среднему существенно больше, нежели в других топологиях, поэтому приходится выбирать силовой ключ, величина максимально допустимого тока которого больше, чем в других преобразователях, что увеличивает стоимость ключа. Ток ключа в ОП в 1,5—2 раза больше, чем в ПП и полумостовом преобразователе. Ток в выпрямительном диоде в 3—4 раза больше, чем средний ток.
Обратноходовой преобразователь с двумя силовыми ключами
Если не удается уменьшить индуктивность рассеяния или снабберной цепочки недостаточно, чтобы снизить перенапряжения, применяется схема из двух силовых ключей на высокой стороне (см. рис. 2). Отметим, что в этом случае повышается и эффективность преобразователя, т.к. энергия, запасенная в индуктивности рассеяния первичной обмотки, не рассеивается в снабберной цепи, а передается обратно во входной конденсатор. Двухключевая схема позволяет выбрать силовой ключ с меньшим максимально допустимым напряжением. При этом потери в двух последовательно включенных ключах с меньшим максимально допустимым напряжением примерно такие же или даже меньше, чем в более высоковольтном ключе.
К недостаткам можно отнести усложнение схемы, ограничение величины коэффициента заполнения (менее 50%). Соотношение витков должно быть выбрано так, чтобы напряжение на вторичной обмотке достигло требуемой величины, прежде чем напряжение на первичной обмотке достигнет уровня, при котором диоды D1 и D2 начнут проводить. Иначе запасенная энергия начнет возвращаться во входной конденсатор, а не поступать в нагрузку.
ОП может работать в режимах непрерывного 1 или прерывистого токов 2. Однако сейчас становится популярен специальный случай режима прерывистого тока, так называемый режим критической проводимости 3 или режим граничной проводимости 4. Это компромиссный режим с некоторыми интересными особенностями, и он довольно легко реализуется в одноключевой схеме.
В режиме DCM ток через дроссель выходной цепи уменьшается до нуля в период, когда силовой ключ Q1 закрыт. Фактически в этот момент ни через один элемент преобразователя не протекает ток, и его можно назвать «мертвым временем». В режиме CCM ток постоянно протекает через дроссель при любом состоянии силового ключа. В этих режимах преобразователь работает при постоянной частоте коммутации. Режим CRM является граничным между описанными выше. Как и в DCM, ток в дросселе спадает до нуля, но «мертвое время» отсутствует. Для достижения граничного режима варьируется время закрытого и открытого состояний ключа — преобразователь работает на переменной частоте и зависит, в частности, и от индуктивности дросселя, и от максимально допустимого пикового тока, который задается управляющим контроллером.
На рисунке 3 показано напряжение сток-исток силового MOSFET в различных режимах. Заметьте, что в режиме CRM/BCM открытие MOSFET происходит в момент первого колебания в нижней точке кривой (valley), после того как энергия сердечника трансформатора уменьшилась до минимума. При этом коммутация происходит при минимальном напряжении на ключе, и потери на коммутацию уменьшаются. По существу, наблюдается квазирезонансный режим (QR). Такой метод коммутации позволяет увеличить энергоэффективность преобразователя.
Обратноходовой преобразователь в режиме прерывистого тока DCM
Этот режим достаточно просто реализовать. Частота коммутации фиксирована, передаточная характеристика имеет один полюс, и полоса пропускания обратной связи может быть достаточно большой и легко компенсироваться. Габариты трансформатора в этом режиме минимальны, т.к невелики и требования к индуктивности рассеяния первичной обмотки при условии, что выходной ток относительно невелик.
Отметим, что ток в выходном диоде спадает до нуля еще до того, как откроется силовой ключ на высокой стороне, поэтому отсутствуют шумы коммутации диода и потери на восстановление, которые происходят при запирании диода обратным напряжением.
К сожалению, пиковые токи в этом режиме очень велики, больше чем в остальных режимах. Соответственно, нужно выбирать силовой ключ и выходной диод с большими максимально допустимыми токами. Повышаются и требования к выходному конденсатору из-за больших значений пульсирующего тока в нем — потребуется выбрать конденсатор лучшего качества с малым ESR. ОП в этом режиме следует применять при выходной мощности не более 100 Вт. В случае, когда требуется получить источник с большим выходным напряжением, ОП в этом режиме можно использовать вплоть до выходной мощности 1 кВт, но следует обратить внимание на выбор компонентов.
Обратноходовой преобразователь в режиме граничной проводимости CRM/BCM
Режим используется для оптимизации ОП. В этом режиме время между проводящим состоянием силового ключа и выпрямительного диода сокращается до минимума (напомним, что частота коммутации варьируется), и уменьшается кратность пикового тока по отношению к среднему. Трансформатор из-за увеличенного числа витков может быть чуть больше, чем в режиме прерывистого тока, т.к. в режиме CRM/BCM при максимальной нагрузке и меньшем входном напряжении ОП работает и при меньшей частоте. Квазирезанонансный режим коммутации и отсутствие потерь на восстановление в выпрямительном диоде повышают эффективность ОП в большинстве приложений с малым выходным током.
С первого взгляда может показаться, что работа при переменной частоте коммутации создаст проблемы с фильтрацией электромагнитных помех, но, как показывает опыт, опасения напрасны, т.к. при уменьшении потерь обычно уменьшаются и помехи. В этом режиме очень просто реализовать синхронное выпрямление, а значит, еще больше снизить потери. Граничный режим может оказаться неприемлемым в случае необходимости синхронизации от внешнего источника частоты.
Обратноходовой преобразователь в режиме непрерывного тока CCM
Эта топология используется, когда требуется снизить пульсации тока в выходном конденсаторе и получить минимальное соотношение между пиковым и средним токами силового ключа и выпрямительного диода. ОП мощностью меньше 20 Вт выпускаются в виде микросхемы. Из-за минимального тока MOSFET он может быть реализован на одном кристалле с управляющей схемой.
Этот режим полезен при больших выходных мощностях свыше 100 Вт. Следует учесть, что в момент запирания выпрямительного диода ток в нем продолжает протекать, поэтому неизбежны потери на обратное восстановление. Чтобы уменьшить их, рекомендуется применять диоды Шоттки. Ультрабыстрые диоды при запирании генерируют высокочастотный шум и потому лучше их не использовать. Открытие силового ключа происходит в момент, когда протекает ток во вторичной обмотке трансформатора, поэтому и ток в силовом ключе устанавливается скачком, а потом начинает плавно нарастать.
В передаточной функции системы желательно избегать нуля в правой полуплоскости, иначе придется прибегнуть к сложной схеме компенсации и уменьшить полосу пропускания обратной связи, что негативно скажется на переходных процессах в ОП.
Прямоходовой преобразователь
Прямоходовой преобразователь практически всегда является понижающим. Силовой ключ на первичной стороне и выпрямительный диод на вторичной одновременно проводят ток, т.е. через трансформатор передается униполярный импульс напряжения, поэтому чтобы избежать насыщения сердечника трансформатора, коэффициент заполнения не должен превышать 0,5. При этом условии в момент паузы сердечник трансформатора успевает размагнититься.
Прямоходовой преобразователь с размагничивающей обмоткой
Возможно несколько вариантов построения схемы первичной стороны ПП. На рисунке 4 представлен один из них. В этой схеме для размагничивания сердечника трансформатора во время выключения силового ключа используется специальная размагничивающая обмотка, число ее витков обычно такое же, как у первичной обмотки. Максимальный коэффициент заполнения — менее 0,5.
Обратите внимание — при закрытии силового ключа к нему прикладывается двойное напряжение входной сети. Это обстоятельство, а также выбросы напряжения из-за энергии, запасенной в индуктивности рассеяния, должны учитываться при выборе максимально допустимого напряжения силового ключа. Индуктивность рассеяния можно минимизировать, если выполнить намотку первичной и размагничивающей обмоток бифилярным проводом.
Например при напряжении сети ≈220 В, с учетом возможного превышения напряжения на 10%, получим 242 В × 1,4 × 2 = 677,6 В. Учитывая выбросы напряжения от индуктивности рассеяния, следует выбрать ключ с максимально допустимым напряжением не менее 1000 В. Схема вторичной части остается неизменной при всех вариантах топологии первичной части.
Прямоходовой преобразователь со снабберной цепочкой
В данной конфигурации (см. рис. 5) для ограничения напряжения при выключении ключа служит снабберная цепочка (Ds, Rs, Cclamp). Отпадает необходимость в размагничивающей обмотке, следовательно, уменьшается размер трансформатора и стоимость изделия. Однако вся энергия, запасенная в сердечнике, рассеивается на резисторе Rs, и такая схема крайне неэффективна с энергетической точки зрения.
Снабберная цепочка и первичная обмотка трансформатора составляют квазирезонансный контур. Величина конденсатора должна подбираться так, чтобы ограничить напряжение на закрытом силовом ключе и обеспечить быстрое затухание тока в контуре с тем, чтобы достичь максимального коэффициента заполнения. Обычно такие схемы используются при выходной мощности не более 100 Вт во избежание значительных потерь на резисторе Rs.
Прямоходовой преобразователь с активным ограничением
Эта топология (см. рис. 6), возможно, наилучший вариант схемы с одним силовым ключом. Для активного ограничения дополнительно используется высоковольтный слаботочный MOSFET. Для управления требуется специальная микросхема контроллера, синхронизирующая работу обоих ключей.
Схема с активным ограничением сходна с рассмотренной выше, но энергия в этом случае не рассеивается на резисторе снабберной цепи.
Это очень эффективная схема, т.к. при правильном выборе конденсатора обеспечивается квазирезонансный режим переключения силового ключа и, следовательно, малые коммутационные потери и электромагнитные помехи. В этой схеме коэффициент заполнения может превышать 0,5 и не требуется использовать ключ с удвоенным максимально допустимым напряжением.
В этой схеме также довольно просто использовать синхронный выпрямитель. Подобная топология применяется при мощностях до 500 Вт и даже несколько выше. Основной недостаток рассмотренной топологии: усложнение схемы управления — требуется дополнительный драйвер затвора и необходимо строго выдерживать заданную последовательность переключения. Учитывая квазирезонансный режим переключения, повышенные требования предъявляются к трансформатору — индуктивность рассеяния первичной обмотки должна быть как можно меньше. Рекомендуется также вводить в сердечник трансформатора воздушный зазор, чтобы уменьшить индуктивность первичной обмотки и оптимизировать процесс резонанса при выключении силового ключа.
Пассивное ограничение без рассеяния
Это довольно интересная конфигурация (см. рис. 7), в которой используются элементы вышеописанных топологий: размагничивающая обмотка, снабберная цепь и активное ограничение. В этой схеме конденсатор аккумулирует энергию индуктивности рассеяния между первичной обмоткой и обмоткой размагничивания и управляет скоростью нарастания напряжения на силовом ключе при его запирании, уменьшая тем самым коммутационные потери.
При открытом силовом ключе ограничивающий конденсатор разряжается через размагничивающую обмотку и отдает энергию входному конденсатору. По сути, перед нами снабберная цепь без потерь. При увеличении значения емкости Cclamp наступает квазирезонансный режим переключения. Коэффициент заполнения — менее 0,5.
Прямоходовой преобразователь с двумя силовыми ключами
Схема первичной стороны в этом случае такая же, как и в обратноходовом преобразователе (см. рис. 2). Эта схема наиболее эффективна — энергия, запасенная в трансформаторе и индуктивности рассеяния, возвращается во входной конденсатор. Коэффициент заполнения не превышает 0,5. Эту схему применяют в промышленных приложениях при мощностях до 1 кВт и даже несколько больше при жестких условиях эксплуатации, где требуется надежность.
Популярной разновидностью этой топологии является схема, когда два преобразователя работают со сдвигом фазы на 180°, а их напряжение суммируется на выходном конденсаторе.
Прямоходовой преобразователь
В этих преобразователях магнитный сердечник используется не полностью, т.к. рабочая точка кривой перемещается по кривой BH только в пределах одного квадранта. Поэтому габариты трансформатора больше, чем в мостовой, полумостовой и двухтактной пушпульной схемах, где происходит полное перемагничивание сердечника. Но потери в трансформаторе в прямоходовом преобразователе меньше, чем в этих топологиях, т.к. потери пропорциональны величине B2.
Для управления ПП желательно использовать режим с обратной связью по току, но выбросы на переднем фронте при резонансном переключении могут составить проблему. В этом случае предпочтительнее режим управления по напряжению.
Коэффициент заполнения может превышать 0,5, если соблюдается вольт-секундный баланс. Если при этом применяется метод управления по току, то для задания по величине тока необходимо использовать не постоянное значение, а кривую первого или более высоких порядков (slope compensation).
Мостовой преобразователь
Такой преобразователь (см. рис. 8) используется при мощностях до 5 кВт и в телекоммуникациях для 48-В шины при мощностях свыше 500 Вт. Полумостовой преобразователь получается заменой ключей Q3, Q4 на конденсаторы. Он применяется при меньших мощностях — примерно до 2 кВт. Отметим, что и в мостовом, и в полумостовом преобразователях через трансформатор передаются импульсы разной полярности, поэтому происходит перемагничивание сердечника, и рабочая точка перемещается по кривой ВН во всех четырех квадрантах. При этом потери в сердечнике больше, т.к. они пропорциональны В2.
Для мостового преобразователя (в отличие от полумостового) отлично подходит режим управления с обратной связью по току. К недостаткам мостового преобразователя следует отнести более сложный драйвер ключей и риск возникновения сквозного тока, возникающего при переключении ключей верхнего и нижнего плечей. Мостовой и полумостовой преобразователи применяются для понижения напряжения. Если же требуется повышающий преобразователь для больших мощностей, то обычно используют резонансные LLC-преобразователи.
Резонансные преобразователи
Этот тип преобразователей используется, когда требуется уменьшить потери на коммутацию и повысить эффективность преобразователя. На рисунке 9 показан полумостовой LLC-преобразователь. В резонансных схемах в цепь первичной обмотки добавляются конденсатор или дроссель (в данном случае дроссель), чтобы реализовать коммутацию при нулевом напряжении (ZVS) или нулевом токе (ZVC). Для получения полностью резонансной схемы необходимо изменять коэффициент заполнения и частоту коммутации так, чтобы в цикл коммутации укладывался целый период резонансной частоты.
Резонанс происходит в цепи, состоящей из индуктивности рассеяния и конденсаторов. Обычно индуктивность рассеяния точно неизвестна, поэтому в цепь вводят дополнительный дроссель Lr для настройки резонансного контура. Резонансный преобразователь, по сути, является источником тока, следовательно, нет необходимости использовать дроссель в выходном фильтре. В приведенной на рисунке схеме реализованы режимы ZVS, ZVC, и она отлично подходит для случаев, когда требуется получить высокое входное напряжение.