Назад в библиотеку

Аннотация

Фероян А.А., Борисов А.А. Исследование изолированного DC-DC преобразователя, использующего технологию мягкой коммутации. В статье приведены итоги исследования и анализа изолированного DC-DC преобразователя, использующего технологию мягкой коммутации. Данный подход способствует существенному снижению массы и размеров устройства при сохранении высокого качества электропитания нагрузки. В процессе исследования были изучены существующие схемные решения, разработана математическая модель устройства. Основное внимание в исследовании уделено анализу влияния параметров резонансного контура на динамические потери и эксплуатационные характеристики преобразователя.

Введение

В современных системах электропитания DC-DC преобразователи играют ключевую роль, обеспечивая эффективное управление энергопотоками. Одним из важнейших направлений развития таких устройств является уменьшение их массы и габаритных размеров при сохранении высокой энергетической эффективности. Традиционные преобразователи на жёсткой коммутации имеют существенный недостаток --- рост потерь с увеличением частоты, что ограничивает их применение в высокочастотных устройствах.

Перспективным решением данной проблемы является применение технологий мягкой коммутации (МК). Основной принцип таких преобразователей заключается в переключении силовых ключей при нулевых значениях напряжения (Zero Voltage Switching, ZVS) либо тока (Zero Current Switching, ZCS).

Цель работы

Разработка и исследование изолированного DC-DC преобразователя с МК для изолированных источников электропитания.

Аналитический обзор

В ходе работы был проведён анализ существующих топологий DC-DC преобразователей, реализующих принципы мягкой коммутации:

  1. Двунаправленный преобразователь с ZVS (обеспечивает переключение при нулевом напряжении без добавления вспомогательных элементов, но только в процессе включения ключа);
  2. Однонаправленный преобразователь на основе диодного моста (отличается простой схемой, однако характеризуется высокими потерями на диодах);
  3. Мостовой преобразователь с ZVZCS (объединяет преимущества переключения при нулевом напряжении и нулевом токе, но требует сложной системы управления).

Уменьшение массы DC-DC преобразователя достигается за счёт повышения частоты коммутации силовых ключей, что позволяет использовать реактивные компоненты с меньшими индуктивностями и ёмкостями, а значит, добиваться более компактных габаритов устройства. Однако при росте частоты увеличиваются и коммутационные потери.

В качестве альтернативы для уменьшения общих потерь мощности можно применять квазирезонансные преобразователи. В этих устройствах традиционные импульсные схемы с ШИМ-управлением модифицируются путем замены стандартных силовых ключей на резонансные.

Переключение в резонансном ключе происходит при нулевом токе или напряжении благодаря кратковременному резонансному процессу, выполняющему вспомогательную функцию. Такой подход значительно сокращает динамические потери, при этом, в отличие от классических резонансных преобразователей, не вызывает заметного увеличения статических потерь.

Подобные преобразователи отличаются расширенным диапазоном рабочих частот, повышенной энергоэффективностью и, как результат, более высокой удельной мощностью.

Наиболее эффективным способом решения этой задачи является использование схем мягкой коммутации. Такой метод предусматривает переключение силового элемента в момент, когда либо ток, либо напряжение на нём становится равным нулю, в то время как второй параметр изменяется скачкообразно. Это существенно снижает динамические потери. Существует два основных типа мягкой коммутации: переключение при нулевом токе (ZCS) и переключение при нулевом напряжении (ZVS). На рисунке 1 представлено сравнительное схематичное изображение процессов жёсткой и мягкой коммутации.

Рисунок 1 – Схематичное описание «жесткой» (а) и «мягкой» (б) коммутации

Связь ключевого элемента с индуктивностью и ёмкостью, изображённая на рисунке 2, именуется «резонансным ключом». Образующаяся в результате этого резонансная система, частота колебаний которой определяет скорость изменения напряжения и тока на ключе, обеспечивает условия для осуществления мягкого переключения.

Рисунок 2 – Схемы резонансных ключей при: а) нулевом токе, б) нулевом напряжении

Для проведения исследования была выбрана усовершенствованная топология мостового преобразователя, в которой вместо IGBT использованы MOSFET-транзисторы, а общее число ключей уменьшено с целью снижения массы устройства.

Принцип работы исследуемого преобразователя с МК

Для дальнейшего анализа был выбран наиболее перспективный вариант преобразователя. В его конструкции IGBT-ключи заменены на MOSFET-транзисторы с целью уменьшения потерь на проводимость (см. рис. 3). В рамках исследования планируется провести сравнительный анализ энергоэффективности разработанного устройства с классическими изолированными мостовыми и полумостовыми схемами, работающими в режиме жёсткой коммутации.

Рисунок 3 – Схема силовых цепей исследуемого преобразователя

Рассмотрим подробнее принцип работы преобразователя. На рисунке 4 представлены временные диаграммы, где сигналы Fi -- управляющие сигналы транзисторными ключами, u(C1) -- напряжение емкости C1, u (VTi) -- напряжения сток-исток ключей, i (VTi) -- токи ключей, i (VDi) -- токи диодов.

Рисунок 4 – Временные диаграммы исследуемого преобразователя

Описание используемых в исследовании преобразователей с «жесткой» коммутацией

Основным элементом проведённого исследования стал подробный сравнительный анализ энергетической эффективности нового преобразователя с мягким переключением и традиционных топологий, функционирующих при жёсткой коммутации. Для сравнения были выбраны две типовые схемы: полумостовой DC/DC преобразователь (рис. 5) и мостовой DC/DC преобразователь (рис. 6). Эти устройства работают в режиме жёсткой коммутации, что упрощает анализ их эффективности. Однако, поскольку они не являются предметом данного исследования, их принцип работы и математические модели не приводятся.

Рисунок 5 – Полумостовой DC/DC преобразователь

Рисунок 6 – Мостовой DC/DC преобразователь

Разработанный преобразователь с мягкой коммутацией работает в трёхтактном режиме, обеспечивая переключение как при нулевом токе (ZCS), так и при нулевом напряжении (ZVS). Для исследуемого преобразователя будет также построена соответствующая математическая модель.

Заключение

В представленной статье изложены результаты исследования и анализа изолированного DC-DC преобразователя с мягкой коммутацией (МК), ориентированного на уменьшение массогабаритных характеристик без ухудшения качества электропитания. Проведённый аналитический обзор существующих схем позволил выбрать наиболее эффективную топологию, где IGBT-ключи были заменены на MOSFET-транзисторы для снижения потерь проводимости.

Исследовано влияние параметров резонансного контура, подтвердившее эффективность выбранной схемы. Результаты показали перспективность применения мягкой коммутации в высокочастотных источниках питания.

Список использованной литературы

  1. Воронин И.П. Разработка и исследование методов мягкой коммутации в трехфазных автономных инверторах напряжения: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.09.12 / И.П. Воронин; науч. рук. Щепкин Н.П.; НИУ «МЭИ». -- Москва, 2011. -- 20 с.: ил., табл
  2. Технология мягкой коммутации транзисторов в преобразователе постоянного напряжения в постоянное / С.В. Маморцев, Г.Я. Михальченко //. Доклады ТУСУРа. -- март 2013. -- №1 (27) -- С. 24 -- 2
  3. Снижение уровня динамических потерь: «мягкая» коммутация и снабберы / A. Wintrich, U. Nicolai, W. Tursky, T. Reimann, пер. А. Колпаков // Силовая электроника. -- 2013. -- №6 -- С. 58 -- 64.