Силовая электроника. Источники питания / К вопросу построения мощных DC-DC преобразователей

Анатолий Царенко,

ощный DC/DC-преобразователь, работаю-

ключения, что при низковольтном питании не столь

к. т. н.

щий от низковольтного (10–50 В) источни-

актуально.

Дмитрий Серегин

Мка питания (аккумуляторные батареи, во-

Энергия, выводимая из индуктивностей рассеива-

sedian19@umail.ru

дородные источники питания и т. д.), преобразует

ния в конденсаторы C1, C2, при очередном включе-

энергию постоянного тока с уровнем в сотни ампер.

нии транзисторов VS1, VS2 рассеивается в токоогра-

Не трудно убедиться, что в таких случаях статичес-

ничивающих резисторах R1, R2, что существенно

кие потери энергии в полупроводниковых элемен-

(как будет показано ниже) снижает КПД устройства.

тах преобразователя существенно, часто на порядок,

Режим работы RCD-цепочек, а соответственно,

превышают динамические. Таким образом, силовая

и уровень напряжения на конденсаторах C1, C2

схема преобразователя должна содержать минималь-

и транзисторах VS1, VS2, в немалой степени зависит

ное количество последовательно включенных в цепь

от режима работы инвертора, в частности, от коэф-

потребляемого тока силовых полупроводниковых

фициента заполнения ключей, тока нагрузки и т. д.

приборов. Как правило, это однотактные схемы ли-

Не вдаваясь в подробности, укажем, что в зависимо-

бо двухтактная схема с выводом нулевой точки пер-

сти от режима работы схемы наибольшее значение

вичной обмотки силового трансформатора.

напряжения на транзисторах схемы может значи-

Схема DC/DC-преобразователя, построенного на

тельно превышать удвоенную величину напряжения

базе известного инвертора со средней точкой пер-

питания. Последнее заставляет использовать в схе-

вичной обмотки силового трансформатора, пред-

ме силовые транзисторы с повышенным допусти-

ставлена на рис. 1. В схеме для наглядности выделе-

мым напряжением и, как следствие, с увеличенным

ны индуктивности рассеивания обмоток силового

падением напряжения на транзисторе в проводящем

трансформатора. Особенностью данной схемы, а так-

состоянии, что снижает КПД схемы.

же преобразователей, построенных на базе однотакт-

ных схем, является необходимость вывода энергии,

накапливаемой в индуктивностях рассеивания сило-

вого трансформатора на этапах проводимости сило-

вых транзисторов.

Для вывода энергии индуктивностей рассеивания

в схеме необходимы дополнительные элементы. Ес-

ли такой вывод энергии не обеспечивается, то ЭДС

самоиндукции индуктивности рассеивания транс-

форматора при запирании силового транзистора схе-

мы может вызвать на нем бросок напряжения, что

приведет данный прибор к выходу из строя.

Простейшие устройства, обеспечивающие огра-

ничение напряжения на силовых транзисторах, —

это RCD-цепочки, показанные на рис. 1. Помимо

ограничения напряжения на транзисторах они сни-

Рис. 1. Схема DC/DC преобразователя

жают потери энергии в транзисторах на этапе вы-

68

www.finestreet.ru

SE#9(3).qxd

08.08.2007

15:58

Page 71

Силовая Электроника, № 3’2006

Источники питания

1700 Вт. По результатам моделирования КПД

схемы достигает 97%.

Мощность, передаваемая вспомогательным

преобразователем, — 77 Вт по результатам мо-

делирования, по приведенной выше аналити-

ческой оценочной формуле — 97 Вт. Разница

между результатами оценки и результатами

моделирования здесь также может быть объ-

яснена учетом потерь в полупроводниковых

элементах схемы при моделировании.

Недостатком рассмотренной выше схемы

со вспомогательным преобразователем яв-

ляется то, что на интервале спада тока в об-

мотке этот ток протекает через источник пи-

тания E. Вследствие чего энергия, которая

поступает во вспомогательный преобразова-

UVS1 — напряжение на ключевом приборе VS1,

тель после каждого запирания транзистора

UC1 — напряжение на конденсаторе C1,

основного преобразователя, оказывается

Iоб1 — ток через первичную обмотку в плече прибора VS1,

больше, чем энергия, накопленная в индук-

IVD1 — ток через диод VD1

тивности рассеивания трансформатора пе-

ред запиранием транзистора. Если исклю-

Рис. 7. Осциллограммы работы преобразователя со вспомогательным преобразователем

чить из контура протекания тока обмотки

источник питания на интервале спада тока,

Очевидно, что при уменьшении индуктив-

Обычно сильноточные обмотки такого транс-

то энергия, выводимая в источник, умень-

ности рассеивания трансформатора снижает-

форматора выполняются в виде пластин с эф-

шится, то есть уменьшится мощность вспо-

ся мощность вспомогательного источника,

фективной поверхностью охлаждения, часто

могательного преобразователя. Схема с та-

уменьшается длительность коммутации, что

обдуваемых с помощью внешнего вентилято-

ким включением вспомогательного преобра-

повышает КПД схемы и позволяет реализо-

ра. В таких трансформаторах организация до-

зователя показана на рис. 10. Уменьшение

вать ее работу на более высокой частоте. Ши-

полнительного силового вывода либо органи-

мощности вспомогательного преобразовате-

роко известным методом снижения индуктив-

зация секционирования обмоток практически

ля ведет к снижению стоимости и массо-га-

ности

рассеивания

является

применение

не усложняет его конструкцию, а следователь-

баритных показателей его элементов, упро-

в трансформаторе секционированных обмо-

но, секционирование обмоток, несомненно,

щению его конструкции.

ток. На рис. 8 показаны зависимости суммар-

перспективно в этих применениях.

В схеме на рис. 10 энергия из индуктивнос-

ной индуктивности рассеивания от установ-

На рис. 9 приведены полученные при моде-

тей рассеивания выводится в конденсатор C1,

ленной мощности

трансформатора при

лировании схемы с трансформатором с секци-

напряжение на котором U *C несколько боль-

E = 24 В для трансформатора с несекциониро-

онированными обмотками осциллограммы.

ше E. C1 заряжен таким образом, что вывод

ванной обмоткой (аналогично рассматривае-

Снижение индуктивностей рассеивания пре-

отрицательной полярности подключен к сред-

мому выше), рассчитанного на рабочую час-

доставляет возможность сократить длитель-

ней точке трансформатора. Предполагается,

тоту 30 кГц, и для трансформаторов с секци-

ность интервалов коммутации, что в свою оче-

что пульсации напряжения на C1 пренебре-

онированной обмоткой при числе элементов

редь позволяет реализовать работу преобра-

жимо малы по сравнению с величиной напря-

обмоток, равном двум [2], которые рассчита-

зователя на большей частоте.

жения на C1. Стабилизация напряжения на

ны на частоты 30 и 50 кГц.

Для устройства приняты следующие пара-

конденсаторе C1 осуществляется за счет регу-

Следует заметить, что конструктивно вы-

метры: напряжение питания 24 В, частота ра-

лятора третьего рода, включающего транзис-

полнение мощного высокочастотного транс-

боты основного преобразователя 50 кГц, вспо-

тор VS3, диод VD3 и дроссель L1.

форматора с низковольтными (сильноточны-

могательного преобразователя — 100 кГц.

В предыдущей схеме (рис. 4) ток в обмотке

ми) обмотками достаточно сложная задача.

Мощность, передаваемая в нагрузку, равна

трансформатора спадал под действием напря-

Рис. 8. Зависимость суммарной

UVS1 — напряжение на ключевом приборе VS1,

индуктивности рассеивания от установленной

UC1 — напряжение на конденсаторе C1,

мощности трансформатора при E = 24 В

Iоб1 — ток через первичную обмотку в плече прибора VS1,

для трансформатора с несекционированной

IVD1 — ток через диод VD1

обмоткой и для трансформатора

с секционированной обмоткой

Рис. 9. Осциллограммы работы преобразователя со вспомогательным преобразователем.

(число элементов обмоток равно двум)

Применен трансформатор с секционированными обмотками

www.finestreet.ru

71

SE#9(3).qxd

08.08.2007

15:58

Page 72

Силовая Электроника, № 3’2006

Источники питания

Зависимость мощности, передаваемой вспо-

тельными преобразователями, проведенные

могательным преобразователем, от установ-

для параметров схем, которые можно считать

ленной мощности трансформатора при при-

типичными для современных преобразовате-

менении таких же трансформаторов, что и для

лей такого типа, позволяют считать эффектив-

условий рис. 6, приведена на рис. 11. Как вид-

ным применение описанного решения.

но из (11) и (14), с учетом UC ≈ 2@E, эта мощ-

Схема, рассмотренная здесь второй (рис. 10),

ность в два раза меньше мощности, передава-

позволяет снизить мощность вспомогатель-

емой вспомогательным преобразователем,

ного преобразователя, не ухудшая режим пре-

для условий рис. 6.

образователя по сравнению со схемой рис. 4.

Было проведено моделирование в системе

Поэтому в большинстве случаев применение

MicroCap работы преобразователя, построен-

такой схемы представляется предпочтитель-

ного по схеме рис. 10.

ным. Но в силу, например, конструктивных

Для устройства приняты следующие пара-

особенностей преобразователя может оказать-

Рис. 10. Схема преобразователя с выводом

метры: напряжение питания 24 В, частота ра-

ся целесообразным применение и схемы рис. 4.

энергии индуктивностей рассеивания

боты основного преобразователя 30 кГц,

Разумеется, приведенные оценки определяют-

в источник питания со вспомогательным

вспомогательного преобразователя — 60 кГц.

ся выбранными конструкцией и материалами

преобразователем уменьшенной мощности

Мощность, передаваемая в нагрузку, равна

трансформаторов и могут варьироваться

1400 Вт. В качестве управляемых полупро-

в широких пределах в зависимости от приме-

водниковых ключей VS1, VS2 также исполь-

няемых трансформаторов. Однако можно

зованы транзисторы IRFP2907, диоды VD1,

утверждать, что рассмотренные схемы позво-

VD2 — 35CGQ100. Вспомогательный преоб

ляют в широком диапазоне параметров схем

разователь построен на транзисторе VS3 ти-

с выводом нулевой точки трансформатора су-

па IRF1310 и диоде VD3 (также 35CGQ100).

щественно повысить КПД схемы, принципи-

Параметры трансформатора соответствуют

ально улучшить режим работы силовых тран-

трансформатору с несекционированными

зисторов основного преобразователя, жестко

обмотками. По результатам моделирования

ограничивая максимальное напряжение на них

КПД схемы — 96%.

вблизи минимально необходимой величины,

Мощность, передаваемая вспомогательным

требуя при этом применения весьма просто-

преобразователем, — 157 Вт по результатам

го дополнительного преобразователя.

моделирования, по приведенной выше анали-

тической оценочной формуле — 162 Вт.

Литература

На рис. 12 показаны полученные при моде-

лировании осциллограммы.

1. Бальян Р. Х. Трансформаторы для радио-

Рис. 11. Зависимость мощности,

Выше были описаны возможные пути ре-

электроники. М.: Советское радио. 1971.

передаваемой вспомогательным

шения проблемы, возникающей при разработ-

2. Горский А. Н., Русин Ю. С., Иванов Н. Р.,

преобразователем, от установленной

ке схем ключевых преобразователей с выво-

Сергеева Л. А. Расчет электромагнитных

мощности трансформатора для схемы

дом нулевой точки трансформатора — необ-

элементов источников вторичного электро-

с дополнительным преобразователем

ходимости вывода энергии из индуктивностей

питания. М.: Радио и связь. 1988.

уменьшенной мощности

рассеивания трансформатора. Требование по-

3. Моин В. С. Лаптев Н. Н. Стабилизирован-

вышения КПД преобразователя делает логич-

ный транзисторные преобразователи.

жения, равного разности напряжения на вход-

ным обеспечение вывода этой энергии в пер-

М.: Энергия. 1972.

ном конденсаторе вспомогательного преобра-

вичный источник питания взамен ее рассеива-

4. Справочник по преобразовательной техни-

зователя (C1 на рис. 4) и напряжения питания.

ния в потери. Расчеты величины данной

ке / Под ред. И. М. Чиженко. Киев: Техни-

Эта разность несколько превышала E. В схе-

энергии и мощности, передаваемой вспомога-

ка. 1978.

ме на рис. 10 ток спадает под действием на-

пряжения, равного напряжению на входном

конденсаторе вспомогательного преобразо-

вателя, которое в этой схеме несколько пре-

вышает E. Таким образом, скорости спада то-

ка в индуктивностях рассеивания в данных

схемах, при одинаковых величинах самих ин-

дуктивностей рассеивания, очевидно, равны.

Однако ток обмотки на этапе спада в схеме

рис. 10 не протекает через источник питания E.

В эквивалентной схеме на этапе вывода энер-

гии из индуктивностей рассеивания, в отли-

чие от рис. 5, необходимо учитывать лишь на-

пряжение U *C . В соответствии со сказанным,

W *nomp = 0.

Для мощности, передаваемой вспомогатель-

ным преобразователем, можно получить:

P *

= 2@f@W *

= f@L

@(I ')2.

UVS1 — напряжение на ключевом приборе VS1,

нак

SΣ

(14)

U

+C1

— напряжение между выводом положительной полярности конденсатора C1

вспом

н

и отрицательным выводом источника питания,

Приращение напряжения на конденсаторе

Iоб1 — ток через первичную обмотку в плече прибора VS1,

C1 в схеме рис. 10 может быть оценено следу-

IVD1 — ток через диод VD1.

ющим образом:

Рис. 12. Осциллограммы работы преобразователя

.

(15)

со вспомогательным преобразователем уменьшенной мощности

72

www.finestreet.ru