Лекции 11-12 - Конспекты, страница 11

В первуюочередь, важно различать потери проводимости (статические потери),зависящие от тока нагрузки, и потери переключения (динамические потери).Потери проводимости напрямую зависят от сопротивления транзисторовв открытом состоянии и падения напряжения на внутренних диодах. Причёмувеличение тока нагрузки приводит к увеличению потерь проводимости. Дляпредотвращенияодновременноговключениятранзисторовсинхронноговыпрямителя, приводящего к токовым перегрузкам транзисторов, необходимоналичие некоторого времени задержки, при котором один транзистор долженбыть гарантированно закрыт перед открытием другого.

Именно в этотпромежуток времени ток протекает через внутренний диод, и в нём возникаютдополнительные потери. Но поскольку этот период мал (50…100 нс), то вбольшинстве случаев, когда выходное напряжение значительно большепрямого падения напряжения на внутреннем диоде, данными потерями можнопренебречь.Динамические потери также вносят большой вклад в общую картину.Они зависят от частоты коммутации и выходного тока ПН. Для включениятранзистора ёмкость затвора необходимо зарядить до величины Qз, анапряжение на затворе должно достигнуть порога переключения.

Длявыключения транзистора ёмкость "затвор-исток" должна быть разряжена, чтоозначает рассеивание заряда Qз на сопротивлении затвора и внутреннемсопротивлении драйвера. При существующей технологии производства потериуправления для транзисторов с малым сопротивлением канала – больше, чемдля высокоомных, поскольку увеличение размера кристалла приводит кувеличению заряда затвора Qз.Другая важная часть динамических потерь связана с наличием выходнойёмкости Coss и зарядом обратного восстановления Qrr.

При выключениитранзистора заряд Qrr должен быть рассеян, а выходная ёмкость Coss заряжена75Электропитание РЭАГлава 7.2до величины напряжения вторичной обмотки трансформатора. В результатеэтого процесса возникает импульс обратного тока, который протекает черезиндуктивности коммутируемой цепи, вследствие чего в выходную ёмкостьтранзистора передаётся энергия, приводящая к появлению на стоке транзистораимпульса перенапряжения. Этот импульс запускает колебательный процесс вконтуре, образованном индуктивностями проводников печатной платы ивыходной ёмкостью транзистора Coss, который демпфируется паразитнымисопротивлениями данного контура. Таким образом, энергия выключениязависит от величины ёмкости Coss транзистора и, соответственно, от заряда Qoss,накопленногопризарядеCossдонапряжениявторичнойобмоткитрансформатора.

Аналогично заряду затвора Qз, заряд выходной ёмкости Qossувеличивается с уменьшением сопротивления открытого канала сток-исток.Оптимальный выбор МОП-транзисторов синхронного выпрямителя,направленныйнадостижениеегомаксимальнойэнергетическойэффективности, заключается в поиске сбалансированного соотношения потерьпроводимости и переключения. При малом токе нагрузки потери проводимостииграют второстепенную роль. В этом случае потери переключения, которыеприблизительнопостоянныдоминирующими.Привобольшомвсёмдиапазонетокенагрузкинагрузок,потериявляютсяпроводимостимаксимальны и поэтому вносят наибольший вклад в общие потери мощности.Рассмотрим далее применение синхронного выпрямления в однотактныхпрямоходовых ПН.В настоящее время для решения проблемы построения ИЭП, работающихот сети постоянного тока с широкими пределами изменения входногонапряжения (например, в бортсетях самолётов и вертолётов напряжение 27 В вустановившихся режимах изменяется от 17 до 36 В, а в переходных – от 8 до80 В, при этом длительность выбросов и провалов напряжения находятся впределах от 0,1 до 10 с) при мощностях 30-100 Вт традиционно применяют ПН76Электропитание РЭАГлава 7.2с широким (4:1) диапазоном изменений входных напряжений, силовой каскадкоторых выполнен по схеме однотактного прямоходового ПН.Чтобы обеспечить стабилизацию выходного напряжения в указанномдиапазоне входного напряжения коэффициент заполнения D в ПН изменяется вшироких пределах.

И чем больше входное напряжение, тем больше потери вэлементах ПН. В ПН с выходным напряжением 5 В с выпрямителем на диодахШоттки типовой КПД не превышает 80%, а синхронный выпрямитель наMOSFET позволяет получить до 90%. Поэтому применение синхронноговыпрямления в ПН с низким выходным напряжением даёт максимальныйэффект.На рисунке 7.86 представлена схема силовой части рассматриваемого ПНс диодным выпрямителем.Рисунок 7.86 – Схема преобразователя напряжения с диодным выпрямителемВПНцепьC1-R1-VD1приперемагничиваниитрансформатораограничивает амплитуду напряжения на стоке транзистора VT1. При изменениивходного напряжения Uвх КПД при максимальной нагрузке ПН составляетоколо 80%.ПН, где диоды Шоттки заменены на MOSFET, представлен на рисунке7.87.77Электропитание РЭАГлава 7.2Рисунок 7.87 – Вариант схемы преобразователя с синхронным выпрямителемОсобенность схемы в том, что транзистор VT3 работает только частьинтервала паузы, когда напряжение на затворе достаточно для его открывания.Остальное время паузы проводит диод VD2.

Это уменьшает эффект от заменыдиодов, однако автоматически исключает одновременную работу обоихтранзисторов выпрямителя.КПД рассмотренного ПН достигает 85%, что примерно на 5% выше, чему ПН с диодным выпрямителем. При широком диапазоне изменения входногонапряжения схема усложняется за счёт введения дополнительных элементовдля ограничения напряжения на затворах МОП-транзисторов, что, в своюочередь, несколько уменьшает КПД.Дальнейшим развитием рассматриваемой схемы является активноеуправление синхронным выпрямителем через дополнительный трансформатор.Такое решение обеспечивает неизменную амплитуду управляющих сигналов,независящую от величины входного напряжения и открытое состояниетранзистора VT3 в течение всего интервала паузы, однако при этом имеютместо сквозные токи через транзисторы выпрямителя.

Чтобы их уменьшить, всиловую цепь устанавливают дроссель насыщения, обеспечивающий задержкунарастания тока транзистора VT2 примерно на 100…200 нс при его открывании.78Электропитание РЭАГлава 7.2КПД повышается до 85…87%.В последние годы появился интерес к так называемым синхроннымпонижающим ПН без гальванической развязки (синхронные buck-конверторы).Такой ПН содержит МОП-транзистор нижнего плеча, заменяющий внешнийдиод Шоттки с относительно большими потерями (рисунок 7.88).Рисунок 7.88 – Синхронный buck-конверторПри этом между закрытием одного и открытием другого транзистораобязательно имеется задержка, исключающая возникновение сквозных токов(токов прокола базы – punch-through current) через оба ключа.Рассеиваемая транзистором нижнего плеча мощность зависит отсопротивления открытого канала сток-исток Rси, в то время как потеримощности на диоде Шоттки определяются его прямым напряжением UVD.

Приодинаковой величине тока в обеих схемах падение напряжения на МОПтранзисторе обычно меньше, чем на диоде, в результате чего в синхронном ПНрассеиваемая мощность ниже.Вместе с тем ток катушки индуктивности в несинхронном ПН течёттолько в одну сторону и никогда не бывает отрицательным; в синхронных ПНток протекает в обе стороны, и в этом заключается его недостаток.Чтобы исключить это двунаправленное протекание тока в синхронныхПН, вводят различные режимы для работы при лёгкой нагрузке. Современные79Электропитание РЭАГлава 7.2ПН поддерживают три режима:1.

PWM-CCM (ШИМ в режиме непрерывной проводимости).В этом случае ПН работает на постоянной частоте, а ток дросселя можетстановитьсяотрицательным.ЭтотрежимпозволяетПН,сохраняяминимальный уровень пульсаций выходного напряжения, быстро отзываться налюбые изменения нагрузки, даже при её уменьшении до нуля. Однако режимPWM-CCM даёт наименьший КПД при малых нагрузках.2. PWM-DCM (ШИМ в режиме прерывистой проводимости).Этот подход также основан на постоянной частоте переключения, ноКПД при малых нагрузках улучшается благодаря исключению протекания токачерез дроссель в отрицательном направлении. Отсутствие отрицательных токовпри малых нагрузках придаёт такому решению сходство с несинхронным ПМ.3. PFM с состоянием сна (ЧИМ со спящим режимом).Этот подход повышает КПД за счёт исключения протекания тока черездроссель в отрицательном направлении, а также отключения обоих МОПтранзисторов для пропуска импульсов при малых нагрузках.

Во время пропускаимпульсов ПН переходит в спящий режим, когда все неиспользуемыевнутренние схемы отключаются для снижения потребляемого тока. Режимпозволяет получить наилучший КПД благодаря наибольшей эффективностипри малых нагрузках. Платой за это является небольшое увеличение пульсацийвыходного напряжения.В диапазоне токов нагрузки от среднего до максимального все режимыработают одинаково. Различия начинают проявляться тогда, когда ток нагрузкистановится меньше половины размаха тока дросселя.Таким образом, замена внешнего диода Шоттки МОП-транзистором, всочетаниисмногорежимнойработой,обеспечиваютвсовременныхсинхронных ПН превосходный КПД при минимальных размерах устройств.Подавляющее большинство понижающих ПН, предназначенных для 580Электропитание РЭА12 Всистем,Глава 7.2имеютвыходнойкаскадссинхроннымвыпрямлением.Несинхронные ПН используют в промышленных устройствах, питающихся отнапряжения 24 В и выше.7.11 Корректоры коэффициента мощностиПроблема возникновения и компенсации реактивной мощности возникаеттолько в сетях переменного тока.