Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 23 октября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Специфика прменения IGBT-транзисторов в различных приложениях

Требования к устройствам силовой электроники постоянно возрастают, предусматривая уменьшение гармонического состава токов и напряжений и повышение эффективности устройств преобразовательной техники. Один из путей удовлетворения этих требований – корректный выбор элементной базы. В этой статье на примере продукции компании Fairchild Semiconductor рассматриваются IGBT-транзисторы для различных приложений. Статья представляет собой сокращенный перевод [1].

Стандарт для силовых преобразователей задает направление развития поставщикам и OEM-производителям

.

Analog Devices: новые компоненты для цепей питания

В статье дается выборочный обзор некоторых новых импульсных преобразователей и контроллеров; представлена уникальная в своем роде программа ADISimPower, обеспечивающая быстрый подбор компонентов и проектирование схемы питания, а также подробно рассматривается новый аналогово-цифровой контроллер для блоков питания ADP1043.

 

1 сентября

Резонансный DC/DC-преобразователь большой мощности с широким диапазоном изменения нагрузки

В статье рассмотрена новая топология преобразователя, которая совмещает преимущества преобразователя с ШИМ-управлением, функционирующего на фиксированной рабочей частоте, и преобразователя с переменной рабочей частотой. Приведены схемы и временные диаграммы работы. Статья представляет собой сокращенный перевод [13].



Введение

В зависимости от типа управления понижающие DC/DC-преобразователи обычно работают либо с фиксированной частотой и ШИМ-управлением, либо с переменной частотой. Пре­об­ра­зователи с ШИМ обеспечивают диапазон регулирования от минимальной мощности (обычно менее 5% номинальной мощности) до максимальной. При этом обеспечивается хорошая энергетическая эффективность. Однако есть и недостатки: погрешности при генерировании узкого импульса ШИМ; относительно высокая потребляемая мощность в режиме пониженного энергопотребления и в режимах с малой нагрузкой, близких к холостому ходу; довольно большие электромагнитные помехи. Решение этих проблем обычно ведет к возрастанию стоимости.
Резонансные преобразователи, рабо­тающие с переменной частотой, соз­дают относительно небольшие элек­тро­магнитные помехи. Они могут работать на холостом ходу, потребляют малую мощность в режиме пониженного энергопотребления, имеют низкую стоимость. Однако в случаях, когда диапазон входных напряжений
Vmax/Vmin > 1,3, возникают проблемы.
В настоящее время популярна топология, использующая ШИМ со сдвигом фаз. Она применяется в инверторах с выходной мощностью свыше 4 кВт. В этом случае уменьшаются электромагнитные помехи, т.к. используется мягкая коммутация. Кроме того, не возникает проблем с генерацией узкого импульса управления, но в этом случае происходит жесткая коммутация, возрастают потери и уровень электромагнитных помех. Большая часть затруднений возникает, когда при небольшом выходном напряжении, например, при 14 В, требуется получить большой выходной ток — свыше 200 А. В этом случае в схеме выпрямления на низкой стороне возникают следующие проблемы [1—5]:
– потери мощности в дросселе становятся очень велики;
– трудно обеспечить мягкую коммутацию выпрямительных диодов;
– стоимость индуктора существенно возрастает.
В [6—11] отчасти описаны способы преодоления этих трудностей. Однако остаются сомнения в возможности мягкой коммутации ключей, неизвестно, каковы будут потери в режиме пониженного энергопотреб­ления. И, наконец, неясно, какова будет энергоэффективность преобразователя при мощностях свыше 2 кВт.

Разработка топологии

Описанная ниже схема имеет преимущества, свойственные как схемам с ШИМ-управлением, так и преобразователям с переменной рабочей частотой. При нагрузке в пределах 25—100% от номинальной схема работает с управлением ШИМ и на максимальной (около 200 кГц) частоте. При снижении нагрузки менее 25% от номинальной уменьшается и рабочая частота; при этом продолжает снижаться коэффициент заполнения. Частота коммутации может быть снижена до 2…3 кГц, а коэффициент заполнения — до нуля в режиме пониженного энергопотреб­ления. При этом достигаются крайне малые потери (не более 8 Вт), что очень важно при работе от аккумуляторных батарей.
На рисунке 1 показана схема преобразователя, способного работать как в понижающем, так и в повышающем режимах. В этой статье рассмотрен только понижающий режим работы. В [12] описана работа в повышающем режиме. Преобразователь использует последовательную резонансную цепь, поэтому энергия за один цикл преобразования ограничивается энергетической емкостью резонансной цепочки, состоящей из LRES и конденсатора С1.

Рис. 1. Схема резонансного преобразователя, совмещающего преимущества ШИМ и работы на переменной частоте

На рисунке 2 показана временная диаграмма работы идеального преобразователя, работающего на максимальной частоте с ШИМ-управлением. В момент времени t0 при нулевом токе открываются ключи S2, S4 и диод D3, в интервале времени t0—t1 ток нарастает. Его величина и форма определяются резонансной цепочкой C1, C4 и LRES. В момент времени t1 ключ S4 закрывается, и ток через эту цепь прерывается до тех пор, пока не откроется S3. Коммутация происходит при нулевом напряжении — zero-voltage switching (ZVS), — т.к. ключи S3, S4 находятся между конденсаторами С1 и С2, с одной стороны, и С3 и С4 — с другой. Емкости С3 и С4 нужны для обеспечения мягкой коммутации ключей в интервале времени t1—t2, их величина значительно меньше, нежели С1 и С2.

Рис. 2. Временная диаграмма работы идеального преобразователя


В момент времени t2 индуктивность LRES отдает запасенную энергию. В интервале t2—t3 ток протекает по цепи D6–LRES–TR1–S2. К моменту времени t3 ток на низкой стороне течет через диоды D7, D10 и уменьшается до нуля. В момент t4 ключ S2 закрывается, и относительно небольшой к этому времени ток через трансформатор прекращается.
В момент t5 открывается ключ S1, и начинается вторая половина цикла преобразования, аналогичная первой, происходящей в интервале t0—t5. В интервале времени t5—t6 ток протекает по цепи S1–TR1–LRES–S3, D4 и C1–C4. Методика подсчета номинальных параметров компонентов резонансной цепи изложена в [12]. Для достижения хороших показателей качества для добротности дросселя LRES должно выполняться соотношение Q > 7.
На рисунке 3 показана схема прототипа с указанием номиналов, рассчитанного на выходную мощность 4 кВт, входное напряжение 280…440 В и выходное напряжение 14 В. На рисунке 4 приведены кривые напряжений и токов, полученные при входном напряжении 400 В, выходном напряжении 14,2 В и токе 280 А. В преобразователе использованы следующие компоненты:
– Q1, Q2 — IXSN80N60BD1;
– Q3, Q4 — IXKN75N60C;
– Q5, Q6, Q7, Q8 — IRF2804, 7 параллельно;
– D1, D2 — DSEI2×101-06A.

Рис. 3. Схема прототипа преобразователя с выходной мощностью 4 кВт


Рис. 4. Напряжения и токи в преобразователе (см. рис. 3), полученные при входном напряжении 400 В, выходном напряжении 14,2 В и токе 280 А

В таблице 1 проведено сравнение рассмотренного преобразователя с преобразователем, использующим при управлении сдвиг фаз (см. рис. 5) и его улучшенной версией [1], представленной на рисунке 6. Сравнение проводилось при условии равных для всех преобразователей входного напряжения, выходных напряжений и токов.

Таблица 1. Сравнение различных топологий преобразователей

Параметр

Стандартная топология (см. рис. 5)

Улучшенная то пология (см. рис. 6)

Новая топология (см. рис. 1)

Ток на первичной стороне

1

2

Изолированные драйверы затворов

4

3

Максимальная рабочая частота

1,2

Электромагнитные помехи

Приемлемо

Лучше

Хорошо

Коммутация

ZVS

ZVS, ZCS

ZVS, ZCS

Диапазон изменения нагрузки

Ограниченный

Неограниченный

Диапазон входных напряжений

Примерно одинаковый для всех преобразователей

Возможность запараллеливания выходных каскадов

Требуется дополнительное управление каскадами

Простое

Использование силового трансформатора

Не оптимальное

Оптимальное

Система управления

Стандартная

По специальным алгоритмам

Смещение по постоянному напряжению

Возможно

Исключено

Надежность

Приемлемая

Лучше

Хорошая

Энергетическая эффективность

Примерно одинаковая для всех вариантов

Потери в режиме пониженного энергопотребления в долях от номинальной мощности, %

1,5

0,15

Стоимость

Стандартная

Выше стандартной

Ниже стандартной

Рис. 5. Схема стандартного преобразователя, использующего управление со сдвигом фаз

Рис. 6. Схема улучшенного преобразователя, использующего управление со сдвигом фаз

В рассмотренном преобразователе (см. рис. 1) напряжение, прикладываемое к обмотке трансформатора, имеет трапецеидальную форму, а ток близок к синусоидальной форме с коэффициентом заполнения 0,9—0,95, который практически не изменяется в зависимости от входного напряжения. Последнее является преимуществом данного типа преобразователя, т.к. в этом случае уменьшаются потери в трансформаторе от высших гармоник тока и можно достичь большей рабочей частоты, уменьшить размеры трансформатора и его стоимость. Когда преобразователь работает в режиме ШИМ, он подобен источнику тока — в период времени t1—t3 энергия, запасенная в индуктивности LRES, передается через трансформатор в нагрузку.
Упрощенная схема выпрямления снижает стоимость преобразователя. В настоящее время его цена примерно на 10% ниже стоимости преобразователя со стандартной топологией. Еще одно преимущество рассматриваемого преобразователя — возможность работы и в понижающем, и в повышающем режимах с сохранением в обоих случаях мягкой коммутации.
Следует отметить и другие преимущества. Эффективное использование всех компонентов преобразователя, малые потери в ключах, возможность работы выпрямителя без сглаживающего дросселя, очень малые потери в режиме пониженного энергопотребления. Рассмотренная топология хорошо подходит для DC/DC-преобразователя, работающего с входным напряжением свыше 200 В и мощностью более 2 кВт.

Литература

1. Jung-Goo Cho, Ju-Won Baek, Chang-Yong Jeong and Geun-Hie Rim. Novel Zero-Voltage and Zero-Current-Switching Full-Bridge PWM converter using a simple auxiliary circuit, IEEE Transactions on Industry Applications 35(1),15—20,1999.
2. Hong Mao, Jaber Abu-Qahouq, Shiguo Luo and Issa Batarseh. Zero-Voltage-Switching Half-Bridge DC/DC-сonverter with modified PWM control method, IEEE Transactions on Power Electronics, 19(4), 947—958, 2004.
3. H. Li, F.Z. Peng, J. Lawler. Modeling, simulation, and experimental verification of soft-switched bi-directional DC/DC-сonverters, IEEE APEC 2001, vol. 2, 736—744
4. H. Li, F. Z. Peng, J. S. Lawer. A natural ZVS medium-power bi-directional DC/DC-converter with minimum number of device, IEEE Trans­actions on Industry Applications 39(2), 525—535, 2003.
5. Patent 5,157,593 US Oct. 20, 1992 Con­stant frequency resonant DC/DC-converter.
6. Ke Jin and Xinbo Ruan. Hybrid full-bridge three-level LLC resonant converter — a novel DC/DC-converter suitable for fuel Cell Power System, IEEE PESC2005 pp. 361—367.
7. Yilei Gu, Zhengyu Lu and Zhaoming Qian. Three level LLC series resonant DC/DC-con­verter, IEEE APEC 2004 pp.1647—1652.
8. Bo Yang, Fred C. Lee, Alpha J. Zhang and Guisong Huang. LLC resonant converter for front end DC/DC-conversion, IEEE APEC 2002 pp.1108—1112.
9. R. Oruganti, P. C. Heng, J. T. K. Guan, L. A. Choy. Soft-switched DC/DC-converter with PWM control, IEEE Transactions on Power Elec­tro­nics, 13(1), 102—113, 1998.
10. S. N. Raju and S. Doralda. An LCL re­so­nant con­verter with PWM control-analysis, si­mu­la­tion and implementation, IEEE Transac­tions on Power Electronics, 10 (2), 164—173, 1995.
11. Henze C. P., Mohan N., Hayes J. G. Patent 4,855,888 US Aug. 8, 1989. Constant frequency resonant power converter with zero voltage switching.
A. Isurin and A. Cook. A novel resonant converter topology and its application, IEEE PESC 2001 pp. 1039—1044.
12. Isurin A., Cook A. Patent 6,483,731 US Nov.19, 2002. Topology resonance energy con­ver­sion and inversion circuit utilizing a series ca­pa­citance multi-voltage resonance sec-
tion.
13. Isurin A., Cook A. Resonant DC/DC-con­verter boasts high power and wide load range//pow­er­electronics.com/power_ma­na­ge­ment/re­so­nant_dcdc_converter_0609/



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Александр Ишурин, технический специалист, Vanner Inc, Александр Кук, технический специалист, Vanner Inc .



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты