В даний час існує багато різновидів прямоходових схем, причому кожна має свої переваги і недоліки.

■ Класична схема

Класична схема прямоходового перетворювача вже розглядалася в розділі «Прямоходовой (Forward) перетворювач» (див. стор 7, рис. 13).

Якщо транзисторний ключ Y1 замкнутий, вхідна напруга прикладається до первинної обмотці трансформатора. На вторинній обмотці трансформатора з’являється напруга, відкривається діод D2. Низькочастотний LC-фільтр згладжує пульсації вихідної напруги і віддає енергію в навантаження через діод D3, коли транзистор VT закритий (ключ розімкнений).

У той час, коли транзистор Y1 закритий, трансформатор розмагнічується через додаткову обмотку і діод D1. При однаковій кількості витків коефіцієнт заповнення d <0.5. Коефіцієнт передачі дорівнює nd, де d – коефіцієнт заповнення, n = Nj / N2 – Коефіцієнт трансформації.

Типове значення перенапруги на транзисторі одно 2.6 Vin шах. При такому рівні перенапруги істотно зростає вартість силових транзисторів з низьким опором Rdson, Особливо для мережевих (220 В) джерел живлення.

Недоліком даної схеми є наявність додаткової обмотки, яка ускладнює трансформатор і збільшує його вартість.

Прямоходовой перетворювач з RCD-демпфирующей ланцюжком

Поява даної модифікації прямоходовой схеми – це одна з перших спроб спростити і покращити процес розмагнічування трансформатора. Прямоходовой перетворювач з RCD-де-мпфірующей ланцюжком (рис. 32) використовується, в основному, якщо необхідно побудувати недорогий джерело живлення.

Коефіцієнт передачі, як і в класичній прямоходовой схемою, дорівнює добутку nd.

Коли транзистор VT розімкнений, діод VD і конденсатор С обмежують напругу на ньому до рівня, визначеного вхідною напругою і коефіцієнтом заповнення. Резистор R призначений для розряду конденсатора. Типове значення перенапруги на транзисторі становить 2.0 V

1                 1рр. in_max

Основний недолік схеми – додатково

Рис. 32. Схема прямоходового перетворювача з RCD-демпфирующей ланцюжком.

тільні втрати потужності, що розсіюється в резисторі R, що призводить до зниження ККД та збільшення масогабаритних показників джерела живлення.

■ Прямоходовой перетворювач з LCDD-демпфирующей ланцюжком

Рис. 33. Схема прямоходового перетворювача з LCDD-демпфирующей ланцюжком.

В даному випадку зроблено спробу розмагнічування трансформатора за допомогою демпфирующей ланцюжка без додаткових втрат потужності (рис. 33).

Коефіцієнт передачі, як і в попередніх схемах, визначається як nd.

Коли транзистор VT розімкнений, діод і конденсатор обмежують напругу на стоці транзистора, аналогічно варіанту схеми з RCD-Демпфа-ючий ланцюжком. Резонансний контур, що складається з Lr, Сr, і VDcl, забезпечує розряд конденсатора.

Типове значення перенапруги на транзисторі одно 2.0 V

1                                in max

Але, зважаючи на складність і неоднозначність резонансних процесів для різних режимів роботи схеми, для того, щоб забезпечити правильну роботу схеми у всьому діапазоні зміни навантаження і вхідного напруги, необхідна не одна ітерація при виборі параметрів контуру. У разі не оптимальних параметрів резонансного контуру втрати потужності можуть навіть перевершувати втрати потужності в резисторі R, притаманні схемі, зображеної на рис. 32.

Ще одним недоліком схеми є істотні габаритні розміри дроселя L, особливо для високих вхідних напруг.

Прямоходовой перетворювач з резонансною схемою розмагнічування трансформатора

Для розмагнічування трансформатора використовується паразитна ємність транзистора (іноді необхідна додаткова зовнішня ємність). Це дуже проста і зручна в застосуванні схема, яка не потребує великої кількості додаткових компонентів (рис. 34).

Коефіцієнт передачі, як і в класичній прямоходовой схемою, дорівнює nd.

При виключенні транзистора виникають коливання в резонансному контурі, утвореному індуктивністю намагнічування трансформатора і паразитної ємністю транзистора, завдяки чому перемагнічування трансформатора відбувається автоматично. Типове значення перенапруги на транзисторі одно 2.0 V

1                                                    1 1                                      inmax

Недоліком будь резонансної схеми є складність забезпечення оптимальних умов

Рис. 34. Схема прямоходового перетворювача з резонансною схемою розмагнічування трансформатора.

перемагнічування у всьому діапазоні зміни навантаження і вхідної напруги.

■ Прямоходовой перетворювач з двома ключами

Схема прямоходового перетворювача з двома ключами була розглянута вище в розділі «Прямоходовой двухтранзісторний (Two-Transistor Forward) перетворювач» (див. рис. 16). Процес передачі енергії аналогічний класичною схемою, коефіцієнт передачі дорівнює nd. В момент вимкнення транзисторів первинна обмотка через діоди підключається до вхідного джерела напруги в зворотній полярності, перемагнічування трансформатора відбувається автоматично. Тому максимальне значення перенапруги на транзисторі – 1.0 V.

1                                      1                             mrnax

Недоліком схеми є застосування додаткового польового транзистора і необхідність використання «відв’язати від землі» драйвера для управління транзистором Y2.

Прямоходовой перетворювач з активною обмежує ланцюгом

Рис. 35. Схема прямоходового перетворювача з активною обмежує ланцюгом.

У даній схемі (рис. 35) для перемагнічування трансформатора використовується додатковий транзистор і конденсатор Сг; коефіцієнт передачі дорівнює nd.

При виключенні силового транзистора з деякою тимчасовою затримкою відкривається допоміжний транзистор і перезаряджає ємність Сг, типове значення перенапруги на транзисторі становить 1.3 V

mrnax

Тимчасова затримка необхідна для перезаряду вихідних ємностей транзисторів енергією, накопиченої в індуктивності розсіювання трансфор-

матора. Важливою перевагою цієї схеми є те, що перемикання транзисторів відбувається при нульовій напрузі на них (ZVS).

До недоліків схеми можна віднести наявність додаткового транзистора та схеми управління,

забезпечує тимчасову затримку при перемиканні транзисторів, а також збільшення втрат провідності через використання невеликої індуктивності намагнічування.

Прямо-обратноходовой (Forward / Flyback) перетворювач

Відмінність схеми, представленої на рис. 36, від прямоходового перетворювача з активною обмежує ланцюгом (рис. 35) складається в тому, що в сердечник трансформатора вводиться додатковий зазор.

При відкритому транзисторі VT1 передача енергії від джерела в навантаження здійснюється через діод VD1. При виключенні транзистора VT1 енергія, накопичена в сердечнику за рахунок наявності додаткового зазору, передається в навантаження через діод VD2.

Вигідним відмінністю цієї схеми від розглянутих вище є коефіцієнт передачі, рівний 2nd, чим забезпечується порівняно високий ККД перетворювача. Типове значення перенапруги на транзисторі, як і для прямоходового перетворювача з активною обмежує ланцюгом, становить 1.3 V

in тлях

■ Подвійний прямоходовой перетворювач

Подвійний прямоходовой перетворювач являє собою модернізацію попередньої схеми (мал.37).

Проблеми, обумовлені зворотним відновленням діодів, вирішуються шляхом введення насищаються дроселів SR1 і SR2 і діода VD3.

Діод VD3 перешкоджає короткого замикання трансформатора при зміні напруги стік-витік транзистора, тому для забезпечення «м’якого перемикання» може бути використана повна енергія намагнічування, отже, необхідний струм намагнічування може бути зменшений. Це дозволяє розширити діапазон навантажень, для якого виконуються умови «м’якого перемикання».

Коефіцієнт передачі схеми дорівнює 2nd, перенапруження на транзисторі становить 1.3 V

1                 1рр. mmax

До недоліків даного рішення слід віднести необхідність використання додаткового транзистора і складність схеми управління, а також суттєві перенапруги на вихідних діодах, зумовлені процесами їх зворотного відновлення.

Рис. 37. Схема подвійного прямоходового перетворювача.

Недоліком схеми є велика кількість додаткових елементів: транзистор і схема управління, діод VD3, два насищаються дроселя.

Основні параметри схем перетворювачів зведені в таблицю:

ккд

Напруга на ключі

Рівень

перешкод

Додаткові

компоненти

Прямоходовой перетворювач з обмоткою розмагнічування

Низький

2.6 V

in_max

Високий

Додаткова обмотка трансформатора

Прямоходовой перетворювач з RCD-демпфирующей ланцюжком

Низький

2.0 V

in_max

Високий

R, С, VD

Прямоходовой перетворювач з LCDD-демпфирующей ланцюжком

Низький

2.0 V

in_max

Високий

UC, VD, VD

Прямоходовой перетворювач з резонансною схемою розмагнічування трансформатора

Середній

2.0 V

in_max

Середній

З

Розглянемо детальніше представлені в таблиці характеристики.

Ефективність. Для джерел живлення, в яких основними параметрами є висока питома потужність і ККД, оптимальними будуть «прямо-обратноходовая» схема або схема подвійного прямоходового перетворювача. У випадку, якщо вирішальне значення має вартість джерела живлення, доцільно застосувати схеми, представлені на рис. 32 і рис. 34.

Рівень перенапруг на транзисторах. З точки зору мінімізації рівня перенапруги на силових транзисторах, оптимальною є схема, зображена на рис. 16. Така топологія зручна для мережевих джерел живлення. Наприклад, при мережевому вхідній напрузі 220 В випрямлена напруга становить 220×1.41 = 310 В. Це максимальне перенапруження на транзисторі. З урахуванням коефіцієнта завантаження 0.7 вибирається транзистор з максимальним робочим напругою 500 В. Якщо використовується класична схема прямоходового перетворювача, то навіть при коефіцієнті завантаження 0.8 необхідний транзистор з максимальним робочою напругою 1000 В.

Шуми, електромагнітна сумісність. Серед восьми розглянутих вище типів перетворювачів найменшим рівнем перешкод має подвійний прямоходовой перетворювач (див. рис. 37). В даному випадку, крім перемикання транзисторів при нульовій напрузі, вирішена також проблема зворотного відновлення діодів.

«Прямо-обратноходовой» перетворювач і прямоходовой перетворювач з активною обмежує ланцюгом займають наступне місце в списку переваг, тому що в основі роботи даних схем також закладений принцип «М’якого перемикання» транзисторів.

Решта перетворювачі мають приблизно однаковий рівень перешкод на виході і поступаються схемами з «м’яким переключенням».

Можливість застосування синхронного випрямляча. У схемах з синхронним випрямленням ток в польових транзисторах протікає у зворотному напрямку (від витоку до стоку). При цьому польові транзистори працюють в третьому квадранті вольтампер-ної характеристики. Але в зазначеному напрямку проводить і антипаралельних діод транзистора. Тому основна складність при використанні синхронного випрямляча полягає в побудові правильної схеми управління синхронними транзисторами так, щоб виключити можливість провідності антипараллельно діода.

У зв’язку з цим, найбільш просто застосовувати синхронний випрямляч в схемах, представлених на рис. 36 і рис. 37. Затворами транзисторів можна керувати безпосередньо з вторинної обмотки трансформатора, т. к. інтервали часу, коли напруга на обмотці дорівнює нулю, надзвичайно малі.

В інших схемах використання синхронного випрямляча вимагає значної кількості додаткових елементів, т. к. необхідно реалізувати управління синхронними транзисторами при нульовому напрузі на вторинній обмотці трансформатора. Насамперед, це стосується схем, представлених на рис. 13, рис. 32 і рис. 33.

Мостові Phase-Shift-конвертори відносяться до особливого класу перетворювачів з фазовим керуванням. Особливість полягає в тому, що перемикання всіх чотирьох ключів відбувається при нулі напруги. Це дозволяє практично виключити динамічні втрати в транзисторах і істотно знизити рівень випромінюваних перешкод, що дуже важливо для харчування телекомунікаційного обладнання. Такі схеми дозволяють отримувати потужності в кілька десятків кіловат.

Розглянемо схему квазірезонансного перетворювача з синхронним випрямленням на прикладі контролера НА16163 Renesas. На рис 44. наведена тимчасова діаграма, яка пояснює роботу перетворювача.

Момент часу 1 (рис. 38). У момент tO транзистори S3 і S6 відкриті, напруга живлення Yin підключено через дросель Lr до первинної обмотці трансформатора, на вторинній обмотці з’являється напруга, пропорційне напрузі в первинній обмотці. Ключі синхронного випрямляча S14S15 розімкнуті, S16S17 – замкнуті. Напруга з первинної обмотки через дросель L1 надходить на навантаження.

Момент часу 2 (рис. 39). У момент tl транзистор S3 включений. При виключенні транзистора S6, на резонансному дроселі Lr відбувається викид напруги самоіндукції. Ключі S14S15 і S16S17 вихідного випрямляча замкнуті, тим самим шунтіруя вихідну обмотку, енергія, запасена в резонансному дроселі Lr, переходить у вихідну ємність транзистора S6 – З,,, С “заряджається зі швидкістю

де N = Nj / N2 – Коефіцієнт трансформації, I – струм навантаження, С, “- вихідна ємність транзистора.

Джерело: КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ПОБУДОВИ ДЖЕРЕЛ ЖИВЛЕННЯ, ГРУПА КОМПАНІЙ Симметрон