Ac/dc и dc/dc преобразователей стал ловить себя на мысли

Беглый обзор топологий конверторов

Силовая электроника

 

Роясь в публикациях на тему AC/DC и DC/DC преобразователей стал ловить себя на мысли,

что неплохо бы как-то уложить в голове накопленную информацию. По опыту знаю, что

лучший способ это сделать — попытаться рассказать кому-нибудь еще. 

Что-то вроде вступления

Естественно, обзор ни в коем случае не претендует на полноту, слишком уж обширна тема.

Да и точность изложения ни в коем случае не претендует на научную, скорее это попытка

рассказать «на пальцах». Я ограничился только теми топологиями, которые могут

нормально работать с выпрямленным сетевым напряжением и только топологиями

пригодными для нагрузок с относительно низкими выходными напряжениями и высокими

токами, а так же с широким диапазоном регулирования выходного напряжения. Так или

иначе обзор не может обойтись без сравнения. И далеко не последнюю очередь в

сравнении будет учитываться эффективность топологии. Причина проста — чем

эффективнее работает преобразователь, тем проще он конструктивно, поскольку меньше

надо отводить тепла. При мощности отдаваемой в нагрузку 1кВт, каждый процент

эффективности, грубо говоря, 10Вт тепла, которые надо куда-то рассеять. Тут стоит

заметить, что эффективность в значительной мере зависит от режимов работы ключей. Так

что один из существенных моментов, которые будут учитываться, возможность достижения

режима мягкого переключения ключей. Для достижения этого необходимо обеспечить в

момент переключения нулевое напряжение или нулевой ток через ключ (в идеале — и то и

другое одновременно). Замечу, что ключи работают с индуктивной нагрузкой, поэтому в

общем случае моменты нуля тока и напряжения не совпадают. Как правило, если в

качестве ключей используются полевые транзисторы, то стремятся получить нулевое

напряжение при переключении. Выбор обусловлен тем, что в таком режиме

минимизируются как потери в самом транзисторе, так и потери на переключение в

драйвере, в добавок исчезает имеющаяся на кривой заряда затвора «полка» вызванная

эффектом Миллера (при включении под напряжением эта полка создает немало хлопот,

поскольку имеет заметную длительность, напряжение на транзисторе в этот момент в

районе нескольких вольт и через него уже течет практически полный ток нагрузки). Если

же в качестве ключей используются IGBT, то для них выгоднее режим с нулевым током,

поскольку у IGBT при выключении с большим током через них, на характеристике имеется

так называемый «токовый хвост», когда ключ уже закрыт, к нему приложено полное

напряжение, но при этом через него еще продолжает течь заметный ток. В каком-то

смысле это напоминает то, что творится с полевиком, только ток и напряжение поменяны

местами. Последствия ровно такие же — лишние потери, линейно растущие с частотой

(поскольку появляются при каждом переключении). Дополнительный плюс режимов

мягкого переключения — значительно менее выраженная зависимость потерь от частоты,

что позволяет поднять рабочие частоты и уменьшить габариты трансформатора. Это, в

свою очередь, позволяет уменьшить потери в меди и, за счет уменьшения паразитных

емкостей и индуктивностей, потери связанные с паразитными резонансами, выбросами и

прочими заморочками, а заодно снизить уровень излучаемых помех.

Попытка классификации

Топологии преобразователей можно делить на категории по самым разнообразным

критериям, я воспользуюсь тремя: по структуре (мост, полумост, трехуровневые, и т.д.) и

по способам регулирования выходного напряжения (сдвиг фазы и PWM) и, наконец, по

стороне (первичная, вторичная) на которой происходит регулирование.

Рисунки базовых топологий легко гуглятся, тем не менее для удобства я добавлю в копилку

еще и свои варианты.