РАЗРАБОТКА ИСТОЧНИКОВ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, РЕАЛИЗОВАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ «МЯГКОЙ» КОММУТАЦИИ КЛЮЧЕЙ. ЧАСТЬ 5. ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Аннотация

Васильев В.Ю., Антонов А.А., Пичугин И.В., Козляев Ю.Д., Семёнов Ю.Е. Разработка источников вторичного электропитания, реализованных с использованием технологии «мягкой» коммутации ключей. Часть 5. Исследование макета преобразователя постоянного напряжения. Целью работы является разработка источников вторичного электропитания мощностью 2000 Вт и выше, реализующих технологию «мягкой» коммутации при нуле или близком к нулю напряжении на ключе (Zero Voltage Switching). Работа состоит из пяти частей. В настоящей, заключительной части работы, рассматриваются результаты экспериментального исследования макета преобразователя постоянного напряжения с использованием адаптивных драйверов для реализации «мягкой» коммутации ключей.

Ключевые слова

Ключевые слова: AC/DC модульные источники электропитания, «мягкая» коммутация, Zero Voltage Switching (ZVS), электромагнитные помехи.

1. Введение и постановка задачи

Работа является заключительной частью серии публикаций. В первой части работы [1] был проведён анализ информационных материалов. Анализ информационных материалов и результатов экспериментальных измерений характеристик ИП для определения перспективных направлений схемотехнического конструирования основных элементов ИП выполнен в части 2 [2]. Результаты разработки функционально законченного макета ИП мощностью 2000 Вт рассмотрены в части 3 [3]. Особенности реализации технологии ZVS, а также расчёт преобразователя напряжения с определёнными параметрами, представлены в части 4 [4].

В настоящей работе рассматриваются результаты экспериментального исследования прототипа адаптивного драйвера «мягкой» коммутации силовых ключей (D-ZVS), осуществляющего включение силового транзистора в режиме нулевого тока (ZCS) и выключение при нуле напряжения (ZVS). Кроме того, рассматриваются результаты Spice-моделирования и экспериментального исследования макета DC/DC-преобразователя, разработанного с применением прототипов драйверов D-ZVS.

Задачей работы является создание адаптивных интеллектуальных драйверов силовых ключей, осуществляющих коммутацию в «мягких» режимах ZVS-ZCS, и реализация макета DC/DC-конвертора полумостового типа с использованием прототипов драйверов в схеме управления ключами стойки.

2. Адаптивные интеллектуальные драйверы силовых ключей

Адаптивные драйверы D-ZVS были исследованы с помощью экспериментального стенда (рис.1a), состав которого приведен в табл.1. На рис.1б справа представлен прототип модуля D-ZVS, изготовленный на печатной плате 45-55 мм.

Эпюры, полученные в результате Spice-моделирования и экспериментального исследования прототипа D-ZVS, показаны на рис. 2 и рис. 3.

Как показывает осциллограмма (рис. 2б), силовой ключ переводится в открытый режим при напряжении «сток – исток», равном нулю (ZVS), при этом ток силового ключа начинает линейно нарастать с нулевого значения (ZCS). Таким образом, прототип D-ZVS обеспечивает коммутацию силового ключа в «мягком» режиме ZVS-ZCS.

Экспериментальные исследования подтверждают возможность реализации на базе специализированного драйвера переключения силового транзистора в «мягком» режиме ZVS. Прототип продемонстрировал качественное соответствие модели, стабильность и управляемость процесса переключения.

3. Макет преобразователя постоянного напряжения на основе инвертора с «мягкой» коммутацией ключей (ZVS) с использованием модулей D-ZVS

Был разработан самостоятельный макет DC/DC-преобразователя полумостового типа, включающий инвертор и выходной выпрямитель диодного типа. Реализация режима ZVS была проведена путём модифицирования стойки ключей по схеме, представленной в [4]. Электрическая схема модифицированного преобразователя показана на рис. 4.

На рис. 5 представлены прогнозируемые эпюры напряжений, полученные методом Spice-моделирования для нижнего ключа полумостовой стойки: напряжение «сток – исток» (линия 1), ток ключа (линия 2), напряжение «затвор – исток» (линия 3). Частота повторения тока ключа составила ?250 кГц.

На рис. 6 представлены экспериментальные эпюры напряжений, подтверждающие результаты моделирования и работу в режиме ZVS.

На рис. 7 представлены эпюры напряжений на вторичных обмотках трансформатора. Выходное напряжение составило в среднем 50 В на нагрузке 1 Ом. На основе измерений была оценена эффективность макета.

Результаты оценки эффективности:

• По модели: входная мощность ~2600 Вт, выходная мощность ~2500 Вт, расчётный КПД ~96%.
• По эксперименту: выходная мощность 2000 Вт, КПД 94%, суммарные потери ~130 Вт.

Таким образом, ухудшения эффективности ИП с ростом частоты коммутации до 200-250 кГц не наблюдается, что является подтверждением эффекта ZVS.

4. Измерения уровня электромагнитных помех, создаваемых ИП, реализованным по технологии ZVS

Для разработанного макета DC/DC-преобразователя с модулями D-ZVS были проведены измерения уровня кондуктивных и излучаемых электромагнитных помех. Спектрограммы кондуктивных помех представлены на рис. 8.

На рис. 9 представлено сравнение уровней ЭМ помех, создаваемых макетом ИП с «жёсткой» коммутацией [3] и макетом с интегрированными модулями D-ZVS.

Результаты измерений демонстрируют, что разработанный макет с модулями D-ZVS генерирует меньший уровень ЭМ помех, в среднем на 20 дБ/мкВ.

Заключение

В заключительной части работы приведены результаты разработки и экспериментального исследования DC/DC-преобразователя полумостового типа с использованием интеллектуальных модулей драйверов D-ZVS оригинальной разработки. Подтверждена работа устройства в режиме коммутации при нуле напряжения (ZVS).

Основные результаты:

1. Разработанные модули D-ZVS позволяют реализовать режимы ZVS и ZCS.
2. Энергетическая эффективность преобразователя большой мощности сохраняется на частоте 200–250 кГц.
3. Уровень генерируемых ЭМ помех снижен на величину до 20 дБ/мкВ по сравнению с ИП с «жёсткой» коммутацией.
4. Технология ZVS открывает возможность создания высокоэффективных модулей ИП мощностью 5–9 кВт.