Рубрики
Составляющие силовой электроники

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163 Алексей Евстифеев В статье описываются многообещающие

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163 Алексей Евстифеев

В статье описываются многообещающие способы увеличения эффективности импульсных источников питания, а именно, квазирезонансный способ управления силовыми транзисторами и способ синхронного выпрямления. Описаны особенности их использования, показана практическая реализация на контроллере Renesas HA16163.

Современная элементная база позволяет получить в традиционных ШИМ-решениях достаточно высочайший КПД — до ~95%. В экономных конструкциях, где не важны массо-габаритные свойства, наслаждаются более умеренными показателями. Но есть области внедрения, где габариты и КПД ставятся на 1-ое место — источники питания для оборонной индустрии, летательных аппаратов, питание серверов (пассивное остывание), компактные источники для ноутбуков, телекоммуникаций и т. д. Главные утраты в традиционном ШИМ-импульсном источнике питания распределяются приблизительно последующим образом: силовые ключи — 50%, выходной выпрямитель— 40%, трансформатор и снабберы — 10%. Как видно, главные утраты в виде тепла рассеиваются в главных элементах и выходном выпрямителе. Динамические утраты в главных силовых транзисторах существенно уменьшаются за счет мягенького режима переключения (резонансный и квазирезонансный способ управления). Это позволяет использовать более «медленные» силовые транзисторы на завышенных частотах преобразования либо, используя штатные массовые силовые транзисторы, получать частоты преобразования в пару раз выше, чем в стандартной ШИМ-топологии. При переключении ключей при нулевом токе (ПНТ) либо при нулевом напряжении (ПНН) существенно понижаются утраты на снабберных элементах, в неких случаях может быть даже отрешиться от снабберов.

Внедрение квазирезонансной схемотехники дает последующие достоинства: более высочайший КПД, чем у традиционных ШИМ-схем, широкий спектр нагрузок (в отличие от резонансной схемы с регулированием частоты). В квазирезонансной схеме, в отличие от резонансной, колебательный контур не аккумулирует энергию, а только участвует в передаче энергии в нагрузку. Это позволяет не использовать впечатляющие по размерам составляющие резонансного контура. Но схожая схема имеет собственный недочет — при понижении нагрузки она перебегает в режим жесткого переключения, и эффективность падает. В спектре нагрузок, в каком происходит мягкое переключение, схема испускает узенький диапазон помех, который легче подавить.

Утраты в выходном выпрямителе в спектре от единиц до сотен ватт при выходных напряжениях 1,8–80 В можно значительно понизить за счет синхронного выпрямления.

Разглядим схему квазирезонансного преобразователя с синхронным выпрямлением. На рис. 1 приведена временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя.

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Момент времени 1 (рис. 2). В момент t0 силовые транзисторы S3 и S6 открыты, напряжение питания Vin подключено через дроссель Lr к первичной обмотке трансформатора, на вторичной обмотке возникает напряжение, пропорциональное напряжению в первичной обмотке. Ключи синхронного выпрямителя S14S15 выключены, S16S17 — включены. Напряжение с первичной обмотки через дроссель L1 поступает на нагрузку.

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Момент времени 2 (рис. 3). В момент t1 силовой транзистор S3 включен. При выключении силового транзистора S6 на резонансном дросселе Lr происходит выброс напряжения самоиндукции. Ключи S14S15 и S16S17 выходного выпрямителя включены, тем, шунтируя выходную обмотку, энергия, запасенная в резонансном дросселе Lr, перебегает в выходную емкость силового транзистора S6 — C12. С12 заряжается со скоростью

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

где N = N1/N2 — коэффициент трансформации; Iнагр — ток нагрузки; C12 — выходная емкость силового транзистора.

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163
Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Момент времени 3 (рис. 4). В момент t2 происходит включение транзистора S4. К этому времени выходная емкость силового транзистора S6-C12 заряжается до напряжения питания Vin (чтоб переключение происходило при нулевом напряжении с наименьшими потерями).

Задержка включения силового транзистора S4

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163
Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Момент времени 4 (рис. 5). В момент времени t3 силового транзистор S3 выключается, происходит разряд выходной емкости транзистора S5-C11. Энергия перебегает из конденсатора C11 в резонансный дроссель Lr. В контуре — свободные гармонические колебания. Собственная резонансная частота контура

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163
Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Момент времени 5 (рис. 6). В момент времени t4 выключается транзистор синхронного выпрямителя, ток через ключ продолжает протекать через паразитный диодик силового транзистора, тем закорачивая выходную обмотку и удерживая энергию снутри контура. Через момент времени

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

напряжение на емкости C11 будет равно 0.

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Момент времени 6 (рис. 7). В момент времени t5 при достижении нулевого напряжения на емкости C11 врубается силовой транзистор S5. Ток в выходной обмотке меняет свое направление, напряжение вторичной обмотки подключается к нагрузке через дроссель L2.

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Производитель электрических компонент Renesas производит квазирезонансный ZVS контроллер HA16163, имеющий 4 слаботочных выхода для управления мостовой схемой преобразователя и 2 выхода для управления ключами синхронного выпрямителя. Микросхема имеет последующие функции:

  • мягенький старт;
  • возможность через дополнительный вход включать/выключать преобразователь;
  • вход наружной синхронизации;
  • поцикловое ограничение тока нагрузки;
  • полное отключение при маленьком замыкании;
  • интегрированный усилитель ошибки;
  • 3 вывода, дозволяющие программировать задержки на выходах A и B, C и D, E и F.

На рис. 8 приведена типовая схема включения. В качестве драйверов для выходов A, B, C, D можно использовать интегральные полумостовые драйверы, их широкая номенклатура представлена компанией International Rectifier. Также можно использовать драйверы на дискретных элементах с внедрением трансформаторной развязки. В качестве драйверов для выходов E и F нужно использовать или оптические драйверы, или разделительные трансформаторы (исходя из требований изоляции первичная — вторичная сторона преобразователя).

Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

Моменты, которые нужно учитывать при проектировании квазирезонансного преобразователя:

  1. Напряжение на резонансном контуре Vres = (Iнагр/2N)Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163 должно быть больше либо равно напряжению питания Vres ≥ Vin. Нужно выбирать силовые транзисторы с минимальным значением выходной емкости, а индуктивность — самую большую. Это позволит уменьшить наименьшую мощность нагрузки, при которой схема работает в режиме «мягкого» переключения. Граничное условие, при котором схема все еще работает в режиме «мягкого» переключения
  2. Построение высокоэффективных квазирезонансных импульсных источников питания с синхронным выпрямлением на базе контроллеров Renesas HA16163

  3. В качестве резонансного дросселя можно использовать индуктивность рассеяния трансформатора либо наружный дроссель. Дроссель может стоять как в первичной обмотке, так и во вторичной.
  4. Квазирезонансный способ с фазовым управлением в отличие от традиционного ШИМ эффективен при довольно больших динамических потерях, соизмеримых со статическими.
  5. На базе сравнительного анализа 2-ух типов схем выпрямителей — с диодиками Шоттки и с синхронным выпрямлением — необходимо подчеркнуть, что при использовании диодов Шоттки и транзисторов приблизительно схожего порядка (допустимое напряжение и предельный ток) мощность статических утрат фактически не отличается. Во 2-м случае выигрыш можно получить, только используя параллельное включение силового транзисторов. Это позволит понизить суммарное сопротивление «сток–исток» силовых транзисторов, но приведет к дополнительному повышению цены изделия.