Квазирезонансный обратноходовой преобразователь легко заряжает накопительные конденсаторы

Для быстрой зарядки накопительных конденсаторов [1, 2] разработчики часто используют зарядные устройства с обратноходовой топологией. В преобразователях обратноходовой топологии передача энергии происходит только тогда, когда выключен силовой MOSFET зарядного устройства, что эффективно изолирует силовой ключ от нагрузки, состоящей из батареи высокоэнергетических накопительных конденсаторов. Поэтому уровни напряжения на вторичной обмотке трансформатора схемы могут изменяться от нуля до заданного значения при соответствующем уровне энергии без каких-либо значительных нагрузок на компоненты на стороне первичной обмотки трансформатора.

Классическое обратноходовое устройство зарядки конденсаторов работает в режиме непрерывной проводимости (continuous-conduction mode, CCM). Короткие импульсы тока с плоской вершиной на вторичной обмотке трансформатора заряжают накопительные конденсаторы [3]. К сожалению, такая стратегия зарядки требует сложной схемы управления для ограничения как тока вторичной обмотки, так и напряжения на конденсаторе. В большинстве схем используются специализированные микросхемы контроллеров ШИМ, что увеличивает общую стоимость зарядного устройства. Другим недостатком CCM является небольшая часть энергии, накапливаемая во время открытого состояния MOSFET:

где I_{P_OFFSET} обозначает начальный ненулевой ток первичной обмотки в начале интервала включения.

Лишь эта ограниченная часть энергии передается от первичной стороны к вторичной и попадает в накопительный конденсатор. Поэтому можно значительно увеличить количество энергии, передаваемой в емкостную нагрузку, если преобразователь может работать в режиме BCM (boundary-conduction mode, режим граничной проводимости). Ток вторичной обмотки становится равным нулю, включается силовой MOSFET, и ток первичной обмотки нарастает от нуля. Таким образом, в течение каждого последующего интервала включения накапливается больше энергии:

При прочих равных условиях режим BCM обеспечивает более быстрое аккумулирование заданного количества энергии благодаря бóльшим порциям энергии, накопленной в течение интервалов включения. Многие схемы преобразователей, работающих с использованием BCM, содержат ШИМ контроллеры, реализующие режим BCM для зарядки конденсаторов. В таких схемах часто используются микросхемы MAX8622 или LT3468, специально предназначенные для работы в BCM.
Однако реализовать обратноходовую топологию с BCM можно и без этих специализированных компонентов. Производители используют BCM в версиях обратноходовых преобразователей с переменной частотой коммутации, которые представляют собой квазирезонансные преобразователи с переключением при нулевом напряжении, обычно используемые в импульсных источниках питания телевизоров. Например, для создания обратноходового зарядного устройства конденсаторов, работающего в BCM, можно использовать контроллер квазирезонансного импульсного источника питания L6565. Это позволяет создавать зарядные устройства для конденсаторов без использования специализированных микросхем.

На Рисунке 1 показан силовой каскад зарядного устройства на основе микросхемы L6565. Режим BCM реализуется с помощью второй первичной обмотки трансформатора T₁, подключенной к выводу ZCD датчика тока микросхемы L6565. Напряжение на этой обмотке является уменьшенной копией напряжения сток-исток силового MOSFET Q₁. Когда схема прерывает ток вторичной обмотки, что указывает на полное размагничивание трансформатора, она обнаруживает первый минимум по окончании звона, и L6565 включает MOSFET. Благодаря этому устраняются нерабочие фазы и поддерживается работа в BCM. Это значительно сокращает время зарядки накопительных конденсаторов.

Рисунок 1.	Обратноходовое зарядное устройство для конденсаторов работает в режиме граничной проводимости.

В начале цикла зарядки выходное напряжение низкое из-за больших значений емкости. Ток вторичной обмотки медленно уменьшается. Отраженное напряжение на первичной обмотке слишком мало для срабатывания вывода ZCD микросхемы L6565. Поэтому внутренний таймер начального запуска микросхемы L6565 в начале зарядки устанавливает частоту переключения 2.5 кГц. Выходное напряжение на накопительных конденсаторах увеличивается до точки, в которой частота переключения становится переменной из-за размагничивания сердечника трансформатора. Из Рисунка 2 видно, что как только ток вторичной обмотки (Канал 2) становится равным 0 A, силовой MOSFET включается, и напряжение сток-исток уменьшается (Канал 1). В это время ток первичной обмотки снова увеличивается (Канал 4). При выходном напряжении, близком к напряжению полного заряда, частота переключения составляет примерно 100 кГц. На Рисунке 3 показано изменение общего напряжения 750 В на конденсаторах C₁, C₂, C₄ и C₅ в течение 3-секундного времени зарядки.

Рисунок 2.	Когда ток вторичной обмотки достигает 0 A, MOSFET включается, и ток первичной обмотки нарастает от нуля.

Рисунок 3.	Напряжение на выходном конденсаторе достигает своего полного уровня примерно за 3 секунды.

Осциллограммы на Рисунках 2 и 3 представляют результаты измерений в прототипе устройства зарядки конденсаторов, в котором использовались контроллер L6565 и силовой MOSFET STP4N150. Маломощный каскад коррекции коэффициента мощности на основе контроллера L6562 вырабатывает для входной шины постоянное напряжение 380 В. Такая конфигурация обеспечивает не только постоянное напряжение для шины, но и высокий коэффициент мощности во время фазы зарядки.

Ссылки

1. Lan, Rayleigh, and Hunter Chen, “Flyback Charge Xenon Flash Capacitors.”
2. Creel, Kirby, “Expedite Transformer Calculations for Flybacks.”
3. N.O. Sokal and R. Redl, "Control algorithms and circuit designs for optimally flyback-charging of an energy storage capacitor (e.g., for flash lamp or defibrillator)."

Материалы по теме

1. Datasheet STMicroelectronics L6562
2. Datasheet STMicroelectronics L6565
3. Datasheet STMicroelectronics STP4N150