КВАЗИРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ПОВЫШЕННЫМ КПД
QUASI-RESONANT VOLTAGE CONVERTER WITH HIGH COEFFICIENT OF EFFICIENCY

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение во вторичных источниках электропитания с гальванической развязкой для бытовой электронной техники, светодиодных осветительных приборов большой мощности и других электронных устройств.
Технический результат - снижение потерь в выходном выпрямителе и повышение КПД преобразователя в целом.
Известны устройства аналогичного назначения - преобразователи напряжения (ПН) с резонансным режимом работы [Волович Г. Резонансные преобразователи напряжения / Г. Волович // Схемотехника. - 2003. - Вып. №8. - С. 10-12.; Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин. М.: Техносфера, 2005. - 632 с.]. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является квазирезонансный ПН [Chen Р.Т. Design and Implementation of a ZCS Two-Switch Forward Converter with Viriable Inductor / P.T. Chen, T.J. Liang, L.S. Yang, M.Y. Cheng, S.M. Chen // IEEE Energy Conversion Congression and Exposition. - 2010. - PP. 4035-4040], принятый за прототип. Этот ПН содержит первичный однотактный инвертор, собранный по схеме, известной как "косой" мост, импульсный трансформатор, выходной однофазный однополупериодный выпрямитель, резонансный контур, выходной фильтр. К недостаткам аналогов и прототипа следует отнести невозможность снижения потерь в диодном выпрямителе при увеличении рабочих токов вслед за увеличением мощности нагрузки.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - снижение потерь в выходном выпрямителе и, как следствие, повышение КПД преобразователя в целом.
Поставленная задача решается за счет того, что в преобразователе напряжения, содержащем входной однотактный инвертор, импульсный трансформатор, выходной выпрямитель, резонансный контур и выходной индуктивно-емкостной фильтр, вместо одного из диодов выходного выпрямителя используется ключ на МДП-транзисторе, называемый синхронным выпрямителем с разработанным алгоритмом управления. Применение синхронных выпрямителей на основе МДП-транзисторов в импульсных блоках питания вместо выпрямительных диодов позволяет существенно снизить статические потери во вторичной части преобразователя. В традиционных преобразователях напряжения с широтно-импульсной модуляцией управление синхронными выпрямителями осуществляется импульсными сигналами, соответствующими по длительности импульсам управления коммутирующими ключами в первичной цепи преобразователя. В этом случае не приходится специально формировать импульсы управления. В случае использования резонансного режима переключения при нулевых значениях тока, как в представленном прототипе, сигнал управления синхронным выпрямителем не может быть сформирован с использованием только сигналов управления ключами первичного инвертора. Этот сигнал должен формироваться с учетом сигналов резонансного цикла.
На фиг. 1 показана структурная схема квазирезонансного преобразователя напряжения с гальванической развязкой и синхронным выпрямителем во вторичной части.
Преобразователь состоит из первичного однотактного инвертора 1, собранного по схеме "косой" мост, со схемой управления 2, импульсного высокочастотного трансформатора 7, выпрямительного диода 9, датчика напряжения 8, резонансного контура, состоящего из индуктивного элемента 12 и конденсатора 16, датчика тока 14, МДП-транзистора 13 и его схемы управления, состоящей из преобразователя уровней 15, логического формирователя импульсов 11, драйвера МДП-транзистора 10 и выходного фильтра, состоящего из индуктивного элемента 17 и конденсатора 18. В качестве однотактного инвертора может быть использована схема не только "косой" мост, как указано в прототипе, но и любая другая схема, аналогичная по своей физической сущности и используемая в традиционных прямоходовых преобразователях напряжения с гальванической развязкой.
Преобразователь, схема которого приведена на фиг. 1, работает следующим образом.
В первичной цепи преобразователь построен по известной схеме - "косой" мост. Коммутация транзисторных ключей при нулевом токе достигается за счет того, что в силовом тракте добавлен резонансный контур, образованный индуктивным компонентом 12 и резонансным конденсатором 16. Индуктивность рассеяния реального трансформатора суммируется с индуктивностью 12 по известному закону и принимает участие в резонансном цикле. Используемый резонансный режим известен как режим коммутации при нулевых значениях тока с половиной волны резонансного цикла и реализован в прототипе. При появлении отпирающего сигнала управления на транзисторных ключах 3 и 4 ток через них и ток во вторичной цепи пропорционально коэффициенту трансформации импульсного трансформатора 7 будут нарастать линейно до тех пор, пока ток во вторичной цепи через индуктивный элемент 12 и выпрямительный диод 9 не станет равным текущему значению тока дросселя выходного фильтра 17. В этот момент транзисторный ключ 13 выключен и встроенный в него диод, являющийся неотъемлемой частью силовых МДП-транзисторов, запирается, а токи в первичной и вторичной цепях будут изменяться по гармоническому закону за счет резонансного процесса до тех пор, пока их значение не станет равным нулю. В этот момент транзисторные ключи в первичной части преобразователя запираются. Как только это произойдет, в тот же момент времени выпрямительный диод 9 запирается и оставшаяся энергия, запасенная в конденсаторе резонансного контура 16, будет расходоваться в нагрузку через выходной фильтр, состоящий из дросселя 17 и конденсатора 18. Регулирование выходного напряжения или тока осуществляется по известному закону путем изменения частоты следования импульсов управления транзисторными ключами в первичной части преобразователя. Управление синхронным выпрямителем 13 осуществляется с использованием сигналов тока в его цепи, снимаемого датчиком тока 14, и напряжения на вторичной обмотке, снимаемого датчиком напряжения 8. Как правило, в качестве датчика тока используется трансформатор тока, а в качестве датчика напряжения - резистивный делитель. Могут быть использованы и другие способы снятия сигналов по току и напряжению при условии, что информативным параметром в обоих случаях является длительность этих сигналов. Сигналы с датчиков тока и напряжения поступают на преобразователь уровня 15, задача которого формировать на выходе сигналы, соответствующие по длительности импульсу тока в цепи синхронного выпрямителя и положительной части импульса напряжения на выходной обмотке трансформатора 7, а по амплитуде соответствующие стандартным уровням логических схем. Данное устройство на практике может быть построено на двух компараторах или триггерах Шмитта. Далее сформированные логические сигналы поступают на вход логического формирователя импульса 11, алгоритм работы которого описывается представленной таблицей истинности, где Id - логический сигнал, соответствующий состоянию тока, протекающего через синхронный ключ, Ut2 - логический сигнал, соответствующий состоянию напряжения на вторичной обмотке трансформатора (здесь логической единице соответствует уровень напряжения выше нуля, отрицательный уровень напряжения и равный нулю соответствуют логическому нулю), Uупр - логический сигнал управления синхронным ключом. С выхода логического формирователя импульса сигнал управления подается на затвор МДП-транзистора 13 через драйвер 10. Назначение последнего - согласование уровня напряжения и импеданса для управления затвором МДП-транзистора.
Вариант реализации формирователя импульса 10 представлен на фиг. 2. На фиг. 3 показаны идеализированные временные диаграммы, поясняющие режимы работы квазирезонансного преобразователя, показанного на фиг. 1. Из диаграмм видно, что фронт запирания сигнала управления синхронного ключа формируется по переднему фронту импульса напряжения вторичной обмотки трансформатора 7. При этом ввиду особенностей данного резонансного режима существует задержка между началом нарастания напряжения на конденсаторе резонансного контура и началом импульса тока через индуктивный элемент 12, что на временной оси диаграммы отмечено как t1. Данная естественная задержка используется для того, чтобы гарантировать запирание синхронного ключа при нулевом напряжении. При этом, после запирания ключа на интервале tз.выкл небольшую часть времени будет работать встроенный в МДП-транзистор диод, однако его диффузионная и барьерная емкости не будут оказывать негативного влияния на данный резонансный режим, т.к. они будут участвовать в резонансном цикле вместе с конденсатором 16, поскольку включены с ним параллельно.
Из диаграмм также видно, что для данного ПН длительность открытого состояния синхронного выпрямителя или диода, как в исходной схеме прототипа, всегда будет больше, чем длительность открытого состояния выпрямительного диода 9. Таким образом, несмотря на то, что ток, протекающий через выпрямительный диод 9, имеет амплитуду большую, чем ток нагрузки или ток, протекающий через синхронный выпрямитель, его среднее значение в большинстве случаев будет меньше, чем среднее значение тока через синхронный выпрямитель. Как известно, приближенная оценка статических потерь в диоде при прохождении импульсного тока определяется формулой Рст=Iср*Ud+Iэф*Iэф*Rd, где Iср - усредненное по времени значение тока, протекающего через диод, Iэф - эффективное или среднеквадратичное значение тока, Ud - прямое падение напряжения на диоде при малом протекающем токе, Rd - сопротивления омических областей диода при прямом смещении. Учитывая, что амплитудное напряжение на конденсаторе резонансного контура 16 равно удвоенному значению положительной части полуволны напряжения на вторичной обмотке трансформатора, в случае исходной схемы, принятой за прототип, необходимо применять диод с повышенным блокирующим напряжением. При этом известно, что у диодов с одинаковым предельным рабочим током, чем выше рабочее напряжение, тем выше прямое падение напряжения и сопротивление омических областей. В случае применения синхронного выпрямителя возможно применение высоковольтных МДП-транзисторов с малым сопротивлением открытого канала. Таким образом, снижение потерь во вторичной части за счет применения одного синхронного выпрямителя 13 будет существенным. Применение синхронного выпрямителя вместо диода 9 является затруднительным, т.к. этот диод выполняет функцию блокировки отрицательной полуволны тока резонансного цикла за счет продолжающегося резонансного процесса, а, как известно, МДП-транзистор имеет встроенный обратный диод параллельно выводам сток-исток, обладающий большой диффузионной емкостью и, следовательно, большим временем обратного восстановления, что в случае его применения вызовет паразитные процессы, резко снижающие эффективность преобразователя. Таким образом, в качестве диода 9 необходимо использовать быстродействующий импульсный диод.