Преимущества топологии с двумя ключами в прямо- и обратноходовых преобразователях

При нагрузках менее 200 Вт разработчики склонны отдавать предпочтение прямоходовой и обратноходовой топологиям преобразователей, поскольку они просты и могут питать несколько изолированных выходов. Их простота частично основана на том, что для управления первичной обмоткой трансформатора в этих преобразователях используется один транзисторный ключ, привязанный к земле. Недостатком такого подхода является то, что на транзистор воздействует сумма напряжения шины, отраженного напряжения трансформатора и выброса, обусловленного индуктивностью рассеяния при выключении. Если в верхнем плече добавить второй транзисторный ключ, то напряжение уменьшится только до напряжения шины. Для многих приложений дополнительная сложность и количество компонентов – это небольшая цена за получаемые преимущества.

Прямоходовой преобразователь с двумя ключами

Рисунок 1.	В традиционном прямоходовом преобразователе ключевой транзистор испытывает довольно значительные нагрузки.

Упрощенная схема силового каскада прямоходового преобразователя на Рисунке 1 состоит из одного транзисторного ключа (Q₁), силового трансформатора (T₁), диода сброса (D₁), выходных выпрямителей (D₂ и D₃) и фильтра (L₁ и C₁). Как и в примере с одним ключом, в упрощенной схеме прямоходового преобразователя с двумя ключами сохранен исходный транзисторный ключ Q₁, включенный последовательно между нижней стороной трансформатора и землей (Рисунок 2).

Второй транзистор Q₂, добавленный последовательно между V_BUS и верхней стороной первичной обмотки трансформатора, включается и выключается одновременно с Q₁. Когда оба транзистора включены, они передают энергию через трансформатор и выходной фильтр в нагрузку. Когда транзисторы выключаются, диоды D₁ и D₂ ограничивают напряжение на первичной обмотке на уровнях земли и V_BUS, соответственно. В это время на каждый транзистор при выключении действует напряжение V_BUS.

Рисунок 2.	Топология с двумя ключами уменьшает нагрузку на транзистор до величины напряжения шины.

Диоды D₁ и D₂ не только ограничивают энергию индуктивности намагничивания трансформатора, но, что еще важнее, они также ограничивают энергию индуктивности рассеяния T₁. Ключевым транзисторам не нужно рассеивать энергию, накопленную в индуктивности рассеяния во время включения, и для утилизации этой энергии в конструкции не нужны резистивные демпферы. Преимуществом такого подхода по сравнению со схемой с одним ключом является снижение системных потерь и системных помех, поскольку он эффективно подавляет звон, обычно связанный с высвобождением энергии индуктивности.

В прямоходовых преобразователях с одним ключом для сброса энергии сердечника чаще всего используется дополнительная обмотка сброса. Когда транзистор Q₁ выключается, напряжение на обмотке сброса меняет полярность до тех пор, пока диод D₁ не ограничит его на уровне напряжения шины. Если обмотка сброса имеет такое же количество витков, что и первичная обмотка, то сердечник всегда сбрасывается в течение времени, равного времени включенного состояния транзистора. Ключевой транзистор будет подвержен воздействию напряжения, вдвое превышающего напряжение шины, плюс напряжения выброса, обусловленного индуктивностью рассеяния. Сердечник всегда будет сбрасываться, при условии, что максимальное время включения транзистора составляет менее 50%. Разработчики поддерживают время включения в пределах этого значения, выбирая соотношение витков таким образом, чтобы при минимальном сетевом напряжении максимальный требуемый коэффициент заполнения составлял 40-45%. Коэффициенты заполнения многих популярных микросхем ШИМ-контроллеров ограничены значениями менее 50% для дополнительной защиты при любых аномальных условиях. В прямоходовом преобразователе с двумя ключами трансформатор сбрасывается таким же образом, без дополнительной обмотки сброса.

За эти преимущества придется заплатить совсем немного. Во-первых, в топологии с двумя ключами добавляется ключ на полевом транзисторе и ограничительный диод. Поскольку коэффициент заполнения конструктивно ограничен на уровне ниже 50%, трансформатор может обеспечить изоляцию для драйвера затвора транзистора верхнего плеча (Рисунок 3). Изоляцию драйвера затвора транзистора верхнего плеча можно обеспечить и многими другими методами. Если предположить, что драйвер может отдавать достаточную мощность для управления затвором, общее количество дополнительных компонентов составит пять, включая полевой транзистор.

Рисунок 3.	Простой драйвер затвора с трансформаторной изоляцией синхронно управляет обоими коммутаторами первичной обмотки.

Ограничение максимальных напряжений на транзисторах на уровне V_BUS устраняет любую неопределенность относительно пикового значения напряжения, которое в схеме с одним ключом определяется величиной индуктивности рассеяния, скоростью переключения и разводкой схемы. Индуктивность рассеяния трудно контролировать, и она часто имеет производственный разброс.

Потери проводимости полевого транзистора верхнего плеча проявляются в виде дополнительной рассеиваемой мощности. Однако если посмотреть на величину R_DS(ON) (сопротивление сток-исток в открытом состоянии) более низковольтных полевых транзисторов, можно обнаружить, что два последовательно соединенных низковольтных устройства имеют меньшее общее сопротивление R_DS(ON), чем одно устройство с высоким рабочим напряжением. Хорошим выбором может стать MTP20N20E компании ON Semiconductor; указанное в документации его значение R_DS(ON) составляет 0.16 Ом. Для приложения с двумя ключами можно использовать 100-вольтовые полевые транзисторы вместо 200-вольтового. Более низковольтный полевой транзистор с эквивалентным размером кристалла будет иметь гораздо более низкую величину R_DS(ON). Аналогичный транзистор с номиналом напряжением 100 В – MTP33N10E – имеет сопротивление R_DS(ON) равное 0.06 Ом. Даже при двух последовательно соединенных ключах общее значение R_DS(ON) составляет 0.12 Ом. Таким образом, два последовательно соединенных компонента с более низкими номинальными напряжениями могут иметь более низкое общее сопротивление R_DS(ON).

Коммутационные потери и потери на управление затвором, очевидно, выше при использовании двух ключей, но при более низких значениях R_DS(ON) транзисторов и устранении потерь, связанных с индуктивностью рассеяния, КПД часто возрастает. Устранение демпфирующих компонентов и управление эффектами, вносимыми индуктивностью рассеяния, являются значительными преимуществами подхода с двумя ключами, особенно при более высоких напряжениях входной шины. Приложения с более высокими входными напряжениями часто требуют большего числа витков первичной обмотки, что приводит к увеличению индуктивности рассеяния и потерь. Преимущества подхода с двумя ключами возрастают с увеличением напряжения шины, но часто можно получить выигрыш и при более низких напряжениях шины.

Работа обратноходового преобразователя с двумя ключами

Рисунок 4.	В традиционном обратноходовом преобразователе ключевой транзистор подвергается воздействию напряжений, сопоставимых с напряжениями, воздействующими на транзистор обратноходового преобразователя с одним ключом.

Основными компонентами силового каскада обратноходового преобразователя на Рисунке 4 являются один транзисторный ключ (Q₁), силовой трансформатор (T₁), выходной выпрямитель (D₁) и фильтрующий конденсатор (C₁). В упрощенной версии преобразователя с двумя ключами сохранен исходный транзисторный ключ Q₁, включенный последовательно между нижней стороной трансформатора и землей. В этой топологии добавлен транзистор Q₂, включенный последовательно между V_BUS и верхней стороной первичной обмотки трансформатора (Рисунок 5). Как и в прямоходовом преобразователе с двумя ключами, драйвер включает оба транзистора одновременно. Обратноходовой преобразователь с двумя ключами реализует все те же преимущества, что и прямоходовый преобразователь с двумя ключами. Диоды ограничивают напряжения на транзисторных ключах и возвращают энергию индуктивности рассеяния в шину вместо демпферов. Можно использовать тот же простой драйвер затвора для полевого транзистора верхнего плеча и управлять обратноходовым преобразователем с двумя ключами в режиме прерывистой или непрерывной проводимости, как и в случае прямоходового преобразователя с двумя ключами.

Рисунок 5.	Как и прямоходовой преобразователь, обратноходовой преобразователь с двумя ключами обеспечивает преимущества за счет фиксированных напряжений на коммутирующих компонентах и более низкого уровня помех.

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor MTP20N20E
2. Datasheet ON Semiconductor MTP33N10E