РадиоЛоцман - Все об электронике

В каких режимах могут работать понижающе-повышающие преобразователи с четырьмя силовыми ключами. Часть 1 - Из чего состоит цикл преобразования

- Одесса

Потребность в преобразователях, способных формировать выходное напряжение как больше, так и меньше входного, увеличивается с каждым годом. В некоторых случаях это связано с появлением новых приложений, например, светодиодных светильников с регулируемым световым потоком – в этом случае при фиксированном входном напряжении выходное напряжение преобразователя (и, соответственно, стабилизируемый им ток) может изменяться в широких пределах и быть как больше, так и меньше входного. В некоторых случаях это связано с появлением новых источников питания, например, фотоэлементов – в этом случае уже входное напряжение может изменяться в широких пределах и быть как больше, так и меньше стабилизируемого напряжения, подаваемого на питаемую схему. А в некоторых требуется просто расширить область применения уже существующих приложений, например, адаптеров питания для ноутбука с выходным напряжением 19 В, сделав так, чтобы они могли работать от бортовых сетей автомобилей с напряжением и 12 В, и 24 В.

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

Схемы преобразователей, выходное напряжение которых может быть как больше, так и меньше входного.
Рисунок 1. Схемы преобразователей, выходное напряжение которых может быть как больше, так и меньше
входного.

На сегодняшний день существует несколько достаточно простых схем импульсных преобразователей электрической энергии, способных формировать выходное напряжение как больше, так и меньше входного (Рисунок 1). Например, эту задачу можно решить с помощью классических преобразователей с одним индуктивным накопителем (обратноходовая или инвертирующая схема), а можно использовать и менее распространенные схемы на основе топологий SEPIC или Чука, использующие несколько силовых накопителей. Однако в этой статье будет подробно рассмотрена только повышающе-понижающая схема, содержащая один накопительный дроссель, коммутируемый четырьмя силовыми ключами. Как оказалось, даже специалисты ведущих компаний, много лет работающие в области импульсного преобразования, не всегда четко понимают все особенности этой схемы, описывая ее работу моделями, значительно ограничивающими ее возможности. А ведь с точки зрения теории импульсного преобразования электрической энергии именно эта схема позволяет наиболее полно раскрыть весь потенциал этого метода.

Особенности понижающе-повышающего преобразователя

Принцип формирования понижающе-повышающей схемы.
Рисунок 2. Принцип формирования понижающе-повышающей схемы.

Понижающе-повышающая схема изначально появилась, скорее всего, в результате комбинации классических понижающего и повышающего преобразователей. Действительно, каскадное соединение этих двух схем (Рисунок 2), независимо от того, в какой последовательности включены повышающий и понижающий каскады, позволяет и уменьшить, и увеличить входное напряжение. Но такое объединение стало возможным только из-за наличия одной особенности, присущей обеим схемам.

Понижающий преобразователь, если считать его силовые ключи идеальными, имеет максимальный коэффициент передачи по напряжению, равный единице. Причем, при таком коэффициенте передачи его управляемый ключ (транзистор VT1) постоянно открыт (Рисунок 3), поэтому накопительный дроссель L1 свою главную функцию – преобразование параметров входного напряжения – не выполняет. В этом режиме дроссель вообще можно исключить из схемы как ненужный элемент.

Подобное свойство имеет и повышающая схема, но у нее, в отличие от понижающей, единице равен не максимальный, а минимальный коэффициент передачи по напряжению. Чтобы перевести повышающую схему в этот режим, нужно навсегда выключить транзистор VT1 и никогда его не включать. Дроссель L1 в этом режиме тоже можно удалить из схемы, поскольку никаких преобразований входного напряжения он не выполняет.

Принцип работы понижающей и повышающей схем в разных режимах.
Рисунок 3. Принцип работы понижающей и повышающей схем в разных режимах.

Таким образом, когда входное напряжение нужно уменьшить, то повышающий каскад отключается (путем выключения транзистора VT1) и преобразование напряжения производится только дросселем понижающего каскада. А когда входное напряжение нужно увеличить, тогда все происходит наоборот – понижающий каскад отключается (путем постоянного включения транзистора VT1), и преобразование напряжения осуществляется лишь дросселем повышающего каскада.
Поскольку потребности в одновременной работе двух каскадов нет, то вполне логично вместо двух дросселей использовать один, ведь этот компонент является одним из самых габаритных и дорогих в любом импульсном преобразователе. Вот так, скорее всего, и появилась понижающе-повышающая схема.

Современная версия понижающе-повышающей схемы с четырьмя управляемыми ключами.
Рисунок 4. Современная версия понижающе-повышающей схемы
с четырьмя управляемыми ключами.

Первые версии понижающе-повышающих преобразователей собирались на дискретных компонентах, поэтому в них было только два силовых транзистора, а в качестве остальных двух силовых ключей использовались неуправляемые диоды – в то время использование четырех управляемых ключей было непозволительной роскошью. Но по мере развития силовых полупроводниковых приборов и интегральных технологий диоды были заменены на транзисторы (Рисунок 4), что позволило увеличить КПД преобразователей, особенно в низковольтных схемах, где можно использовать MOSFET, имеющие в этой области наилучшие характеристики.

При использовании полупроводниковых диодов понижающе-повышающий преобразователь имеет те же особенности, что и взятые по отдельности понижающая и повышающая схемы. Разве что появляется дополнительная возможность полного отключения источника питания, недоступная в повышающем преобразователе. Но если все четыре ключа сделать управляемыми, тогда функциональность это схемы значительно расширяется. Но для того, чтобы это понять, необходимо вначале разобраться со спецификой преобразования напряжения с помощью индуктивных накопителей энергии.

Особенности импульсного преобразования электрической энергии

Этому вопросу РадиоЛоцман уже посвятил достаточно большое количество публикаций, поэтому в этой статье будут использованы уже готовые результаты исследований. При необходимости читатель может в любой момент ознакомиться с этими материалами – ссылки на нужные статьи приведены в списке литературы. Поэтому рассмотрим лишь общие моменты (факты), на которые нужно обращать внимание при анализе импульсных преобразователей электрической энергии, без которых будет сложно разобраться во всех хитросплетениях этого процесса.

Принцип преобразования энергии импульсным преобразователем.
Рисунок 5. Принцип преобразования энергии импульсным преобразователем.

Факт №1. В импульсных преобразователях электрическая энергия преобразуется порциями (Рисунок 5) [1]. Назовем последовательность событий, происходящих при преобразовании одной порции энергии циклом преобразования, обозначив ее количество как ECYCLE, а время, за которое это происходит, как TCYCLE. В общем случае, каждый цикл преобразования может иметь разную длительность, и в каждом цикле может быть преобразовано разное количество энергии. Обратите внимание, что величина ECYCLE может быть положительной – в этом случае энергия передается с входа преобразователя на его выход, отрицательной – в этом случае энергия перемещается в обратном направлении (с выхода на вход) и нулевой – когда обмен энергией происходит только между внутренними накопителями преобразователя.

Общее количество электрической энергии E, прошедшее через преобразователь за произвольное время, можно определить по формуле:

  (1)

где NCYCLE – количество полных циклов, выполненных за анализируемое время.

Абсолютное значение E обычно мало интересует разработчиков импульсных преобразователей, а вот средняя мощность P является одним из основных параметров любой схемы. В данном случае, она равна:

  (2)

Формулы (1) и (2) позволяют рассмотреть электрические процессы в преобразователе «под микроскопом». Они справедливы в любом случае, в том числе и при переходных процессах. Однако при анализе и расчете преобразователей чаще всего считают, что переходные процессы уже закончились и схема работает в квазиустановившемся режиме – когда каждый последующий цикл похож на предыдущий (Рисунок 6). В этом случае значения TCYCLE и ECYCLE в каждом цикле приблизительно одинаковы, поэтому:

  (3)

где NCYCLE_1S – количество циклов, прошедших за одну секунду.

Энергетические процессы в преобразователе в квазиустановившемся режиме.
Рисунок 6. Энергетические процессы в преобразователе в квазиустановившемся режиме.

Во многих методах управления импульсными преобразователями количество циклов преобразования за единицу времени поддерживается постоянным, и этот параметр называют «частотой переключения» FSW. В этом случае формула (3) выглядит следующим образом:

  (4)

Поскольку частота преобразования FSW выбирается разработчиком, весь анализ работы силовой части сводится к определению количества, энергии ECYCLE, преобразуемой в каждом цикле.

Факт №2. Каждый цикл преобразования состоит из нескольких этапов. Каждый этап определяется состоянием силовых ключей, которые могут находиться либо во включенном (с малым сопротивлением), либо в выключенном (с большим сопротивлением) состоянии. На протяжении этапа состояние ключей не должно меняться, поэтому переключение любого из этих элементов, в том числе закрытие неуправляемого диода, означает завершение текущего этапа преобразования и переход к следующему.

Диаграммы относительного напряжения на обмотках и магнитного потока дросселя на протяжении цикла преобразования.
Рисунок 7. Диаграммы относительного напряжения на обмотках и магнитного потока
дросселя на протяжении цикла преобразования.

Поскольку силовые ключи не являются идеальными компонентами, изменение их состояния происходит в течение некоторого времени. Время переключения силовых элементов является важным для определения величины потерь. А вот при определении коэффициента передачи схемы по напряжению учет времени переключения силовых ключей, точно также, как и их активного сопротивления, значительно загромождает расчетные формулы и лишь незначительно увеличивает точность расчетов. Поэтому при определении передаточных характеристик принято считать силовые ключи идеальными, то есть, переключающимися мгновенно и имеющими нулевое сопротивление в проводящем состоянии и бесконечно большое в непроводящем. При таких допущениях длительность цикла преобразования TCYCLE будет равна сумме длительности его этапов (Рисунок 7):

  (5)

где

NSTAGE – общее количество этапов в цикле преобразования;
TSTAGE – длительность этапа преобразования.

Факт №3. Величина входного напряжения преобразуется накопительным дросселем [2]. Суть преобразования заключается в обмене энергией между электрической схемой и магнитным полем, связанным с его обмоткой. Количество энергии EL, находящееся в магнитном поле дросселя в данный момент, определяется формулой [1]:

  (6)

где

ФL – величина магнитного потока дросселя;
AL – параметр среды, в котором это магнитное поле сосредоточено.

Для уменьшения габаритов импульсных преобразователей используются дроссели с магнитопроводами, изготовленным из ферромагнитных материалов, для которых значение AL, имеющее размерность Гн/виток2, является справочным параметром и используется при расчете индуктивностей обмоток.

На каждом из этапов преобразования к какой-либо обмотке дросселя с числом витков NL прикладывается некоторое напряжение VL [3, 4], под действием которого, согласно закону Фарадея, его магнитный поток изменяется на величину ΔФL (Рисунок 7):

  (7)

Изменение магнитного потока, согласно формуле (6), приводит к изменению количества энергии в дросселе на величину ΔEL, которое можно определить по формуле [1]:

  (8)

где ФL_MID – среднее значение магнитного потока на данном интервале.

Формула (7) получена из условия, что напряжение VL, приложенное к обмотке с числом витков NL, не изменяется на протяжении всего интервала TSTAGE. Для этого на входе и выходе узла преобразования напряжения устанавливают дополнительные накопители (конденсаторы CIN и COUT), энергетическая емкость которых обычно значительно больше ECYCLE. На самом деле напряжение VL на протяжении этапа преобразования изменяется всегда, однако влиянием этого изменения на величину ΔФL обычно пренебрегают.

Для многообмоточных дросселей, в случае, когда ток на каком-либо этапе преобразования протекает по нескольким обмоткам одновременно, должно выполняться условие [5]:

  (9)

где j – порядковый номер обмотки дросселя, по которой протекает ток на данном этапе преобразования.

Невыполнение условия (9) приводит к дополнительным перетокам энергии между цепями, связанным с данными обмотками, из-за наличия у дросселя трансформаторного эффекта. Это свойство, в зависимости от ситуации, может быть оценено и как положительное, и как отрицательное. Например, в многоканальных преобразователях это явление позволяет осуществить групповую стабилизацию нескольких выходных напряжений [5].

Обратите внимание, что в формуле (7) напряжение VL может быть равно нулю. При этом возможны две ситуации (Рисунок 8). В первом случае дроссель содержит некоторое количество энергии и его магнитный поток отличен от нуля. В этом режиме должен быть обеспечен путь для протекания тока, связанного с магнитным полем, например, одна из обмоток дросселя может замыкаться накоротко. Невыполнение этого условия приведет к появлению на выводах всех обмоток ЭДС достаточно большой величины и перемещению этой энергии либо в другие компоненты электрической схемы, в том числе и через паразитные связи, либо в окружающее пространство, например, через искровой разряд.

Диаграммы относительного напряжения на обмотках и магнитного потока дросселя на протяжении цикла преобразования.
Рисунок 8. Варианты подключения обмоток дросселя во время этапа с нулевым
изменением магнитного потока.

Во втором случае, энергии в магнитном поле дросселя нет, и его магнитный поток равен нулю. В этом режиме нет необходимости в обязательном формировании пути для протекания тока, поэтому обмотки дросселя могут быть как закорочены, так и ни к чему не подключены.

При нулевом напряжении VL количество энергии в дросселе, согласно формулам (6) и (7), не изменяется, поэтому может показаться, что этим этапом преобразования можно пренебречь. Однако это будет большой ошибкой. Интервал преобразования, во время которого VL = 0, является таким же важным этапом преобразования, как и все остальные, и напрямую влияет на характеристики преобразователя.

Факт №4. Для того чтобы преобразователь мог перейти в квазиустановившийся режим, необходимо, чтобы количество энергии в его накопителях после каждого цикла преобразования оставалось неизменным. Поскольку количество энергии в дросселе, согласно формулам (6) и (7), может меняться после каждого этапа преобразования, основным условием выполнения этого требования является следующее:

  (10)

Невыполнение условия (10) приведет к постепенному накоплению энергии в дросселе, что рано или поздно приведет к повреждению элементов силовой части и выходу преобразователя из строя.

Анализ формул (6) – (10) показывает, что в каждом цикле преобразования должно быть как минимум два этапа преобразования, отличающихся знаком изменения магнитного потока ΔФL. На одном из них магнитный поток изменяется на величину ΔФL (ΔФL1 > 0), а на втором возвращается в исходное значение (ΔФL2 = –ΔФL1). Если преобразователь работает по более сложному алгоритму, и количество этапов в цикле преобразования больше двух, тогда условие (10) можно записать в виде:

  (11)

где NSTAGE+ и NSTAGE– – количество этапов, в которых магнитный поток дросселя изменяется, соответственно, на положительную (ΔФLi > 0) и отрицательную (ΔФLi < 0) величину.

Формула (11) позволяет определить количество энергии, преобразованное в течение цикла. Однако для этого следует вначале определиться со знаками изменения магнитного потока. Если считать, что при положительном изменении магнитного потока дросселя (ΔФLi > 0) энергия потребляется из источника питания, то количество энергии, преобразованной за цикл, будет равно:

  (12)

где ΔELi – изменение энергии дросселя в течение этапа преобразования, определяемое по формуле (8).

Факты 1 – 4 и формулы (1) – (12) являются общими для любого типа преобразователей с одним накопительным дросселем и являются отправной точкой для анализа любой, даже самой сложной, схемы силовой части. Именно их мы и будем использовать в следующей части статьи, во время анализа особенностей работы понижающе-повышающей схемы.

Список источников

  1. Русу А. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
  2. Русу А. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии?
  3. Русу А. Может ли ток в обмотке дросселя измениться мгновенно?
  4. Русу А. Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков
  5. Русу А. Многоканальные преобразователи с общим дросселем
  6. Русу А. Откуда появились базовые схемы преобразователей

Материалы по теме

  1. Datasheet Maxim MAX20343
  2. Datasheet Maxim MAX20344

Окончание

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • В обзоре со схемами, использующие несколько силовых накопителей, для полноты, на мой взгляд, следовало бы упомянуть zeta- топологию. Можно также упомянуть основной недостаток этих схем: наличие последовательного конденсатора, через который протекает достаточно большой высокочастотный ток. Т.е. повышенные требования к качеству диэлектрика. А также преимущества схем Cuk и Sepic: можно добиться малых пульсаций входного или выходного ВЧ тока, т.е. добиться малой эмиссии ВЧ энергии на входных клеммах.
  • Не далее как на прошлой неделе малость повозился с sepic. Не понравилось, очень уж сильная нестабильность при изменении потребляемого тока - то напряжение не держит, то в жуткий перегрев уходит. В данном случае требовалось срочно запитать от бортового питания автомобиля девайс, который не выносил напряжения питания выше 12,1В (и ниже 11,5В тоже), причем кушал от 0,1 до 3А. В результате поступили топорно - поставили повышающий модуль до 18В, а за ним понижающий до 12В, засунув всё в одну коробку. Вроде работает, жалоб нет. Конечно, лучше бы трансформаторный модуль, но готовых таковых не обнаружено.
  • Судя по всему, повозились самую «малость»... :D
  • Достаточно для того, чтобы купить на али 10 штук самых дешевых SEPIC с бесплатной доставкой.