Дар А.Л. - Трехфазный повышающий преобразователь постоянного тока с ШИМ, работающий на технике мягкой коммутации с нулевым напряжением

Аннотация

Дар А.Л. Трехфазный повышающий преобразователь постоянного тока с ШИМ, работающий на технике мягкой коммутации с нулевым напряжением. В данном исследовании представлен трехфазный повышающий преобразователь постоянного тока (DC-DC) с возможностью коммутации при нулевом напряжении (ZVS). При каждом переключении ключа в силовом преобразователе теряется определенное количество энергии. Переход от напряжения в закрытом состоянии к нулевому напряжению и обратно, а также переход от нулевого тока к току в открытом состоянии и обратно — это необходимые процессы. Для этих переходов реальному ключу требуется определенное время, что приводит к потерям мощности из-за изменения напряжений и токов. По оценкам, на коммутационные потери приходится до 50% всех потерь в современных DC-DC преобразователях. Мягкая коммутация может снизить коммутационные потери и уменьшить генерацию электромагнитных помех (ЭМП). Для применения техник мягкой коммутации в DC-DC преобразователях необходимо добавлять вспомогательные компоненты (такие как резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды и т.д.) в схему помимо основных элементов силовой цепи. В предлагаемом преобразователе добавлена простая вспомогательная цепь для обеспечения мягкой коммутации. Вспомогательная цепь состоит из активных и пассивных компонентов: активный компонент — ключ Sa, пассивные компоненты — три диоды (Da1, Da2 и Da3), индуктивность La и конденсатор Ca. Предлагаемый преобразователь, являясь трехфазным, может использоваться в высокомощных приложениях по сравнению с однофазными преобразователями.

Введение

Преобразователи постоянного тока (DC-DC) — это силовые электронные схемы, которые изменяют уровень постоянного напряжения (повышают или понижают). Они могут быть линейными или импульсными (ключевыми). Для максимизации эффективности полупроводников, используемых в статических силовых преобразователях, они работают в ключевом режиме. В приложениях с низким напряжением и высоким током в качестве ключевых элементов используются MOSFET, время включения и выключения которых меньше по сравнению с другими ключевыми приборами. Частота работы DC-DC преобразователей на MOSFET также может быть высокой, что позволяет уменьшить вес и размер фильтрующих компонентов. Такие преобразователи, использующие MOSFET в качестве ключей, применяются, в частности, в импульсных источниках питания (SMPS).

Современные быстрые преобразователи работают на значительно более высоких частотах коммутации (благодаря преимуществам повышения частоты), из-за чего коммутационные потери возрастают, приводя к повышению температуры p-n перехода. Нагрузки на ключ можно минимизировать, подключая простые диссипативные снабберные цепи (состоящие из диодов и пассивных компонентов) последовательно и параллельно ключам в импульсных преобразователях. Однако это лишь переносит потери мощности с ключей на элементы снабберной цепи и не приводит к снижению общих коммутационных потерь. В отличие от этого, комбинация соответствующих топологий преобразователей и стратегий коммутации позволяет преодолеть проблемы коммутационных нагрузок, коммутационных потерь мощности и электромагнитных помех. Это достигается за счет включения и выключения каждого ключа преобразователя в момент, когда напряжение на ключе равно нулю [коммутация при нулевом напряжении (ZVS)] или ток через ключ равен нулю [коммутация при нулевом токе (ZCS)].

Предлагаемый трехфазный преобразователь является повышающим и обычно используется в приложениях с низким входным напряжением и высоким входным током, поэтому в нем в качестве ключей используются MOSFET, а применяемая техника мягкой коммутации — это ZVS. Преобразователь состоит из следующих элементов:

Входные индуктивности (L1, L2, L3) — три штуки
Ключи MOSFET (S1, S2, S3) — три штуки
Трехфазный трансформатор
Выходной диодный мост (3 фазы) — шесть диодов (D1, D2, D3, ….D6)
Вспомогательная цепь, состоящая из:
- Вспомогательного ключа Sa
- Трех диодов (Da1, Da2, Da3)
- Вспомогательной индуктивности La
- Вспомогательного конденсатора Ca

Принцип работы схемы

Основной принцип работы данного трехфазного преобразователя по технологии ZVS заключается в следующем: сначала включается вспомогательный ключ Sa, а затем любой из основных ключей (S1, S2 или S3), благодаря чему емкость на основном ключе, который должен быть включен, разряжается. В процессе этого разряда основной ключ включается при нулевом напряжении на нем. Емкость на основном ключе разряжается, потому что ток отводится от основного ключа во вспомогательную цепь. Вспомогательный ключ Sa также включается и выключается с мягкой коммутацией, так как индуктивность La замедляет скорость нарастания тока через Sa при включении, а при выключении ток течет не через ключ, а через его паразитный (встроенный) диод.

Работу схемы предлагаемого преобразователя можно объяснить восемью режимами, от режима 0 до режима 7. Идеальные временные диаграммы представлены на рисунках, а эквивалентные схемы для различных режимов работы, соответствующие включению основного ключа S1, показаны на соответствующих схемах. Аналогичные режимы работы предполагаются для двух других основных ключей S2 и S3.

Режим 0 : Основной ключ S3 включен. Ключи S1, S2 и Sa выключены. Конденсатор Ca заряжен до напряжения Vca0. Мощность от входа к выходу передается по следующему пути: Vin > D1 > Ro > D6 > S3 > Vin.

Режим 1 : Ключ Sa включается с мягкой коммутацией благодаря La, которая ограничивает скорость нарастания тока. Напряжение на конденсаторе Ca достигает 0В к концу этого режима (в момент t?). Ток протекает по пути: Vin > D1 > D6 > Vin.

Режим 2 : В начале этого режима диоды Da1, Da2,...Da6 становятся прямыми, так как Vca = 0. Sa и S3 все еще включены. Ток через Sa начинает увеличиваться, а через S3 — уменьшаться. Передача мощности на выход продолжается через D1 и D6. Применяя баланс вольт-секунд к первичной стороне, получаем Vprim = D Vin + (1-D) (-Vo) ... (1), где Vin = Vprim. Выходной ток, Io = D(-Vo/Ro) + (1-D) (1/N – Vo/Ro). Что подразумевает: Iin = NVo / (1-D)Ro ... (3).

Режим 3 : Ток через S3 и первичную обмотку трансформатора становится равным нулю (к концу режима, в момент t). Ток через вспомогательную цепь = Iin. Ток через La возрастает и превышает Iin, из-за чего емкость на ключе S1 разряжается, и напряжение на ключе S1 падает до нуля. Мощность от первичной обмотки к вторичной в это время не передается.

Режим 4 : Ключ S1 включается с ZVS, так как в предыдущем режиме емкость на S1 была разряжена. После момента t=t3 ток через S1 и S3 начинает увеличиваться. Ток во вспомогательной цепи < Iin и уменьшается. Где, ?? = v(1/(La·Ca)) ... (5) и Z? = v(La/Ca) ... (6) Vca(t) = ... (8)

Режим 5 : В начале этого режима ток ILa достигает нуля, и ключ Sa мягко выключается. Вспомогательный конденсатор начинает заряжаться. Путь передачи мощности: Vin > D3 > D2 > Vin.

Режим 6 : В конце режима 5, Ca был полностью заряжен до напряжения первичной обмотки. Ток во вспомогательной цепи = 0. Iin протекает через S1 и S3.

Режим 7 : В начале этого режима ключ S3 выключается, и емкость на нем начинает заряжаться, таким образом, ключ выключается с ZVS, так как конденсатор ограничивает скорость нарастания напряжения. Теперь Iin протекает только через S1. Работа преобразователя в этом режиме аналогична работе стандартного ШИМ повышающего преобразователя.

Процедура расчета

а. Расчет максимального входного тока
Входной ток, Iin = Po / Vin. (9)
Если входной ток имеет отклонение x от расчетного, то максимальный входной ток Iin-max = Po / Vin + x от Iin (10).

b. Расчет входной индуктивности (L1 / L2 / L3)
Значение входной индуктивности можно определить, исходя из допустимого размаха пульсаций тока. Наихудший случай пульсаций тока:
Iph-max = Po / (Vin-min) + Iin-max / 2 (11)
Чем больше значение индуктивности, тем больше максимальный выходной ток, поскольку более высокая индуктивность приводит к уменьшению пульсирующего тока. Для правильного расчета индуктивности можно использовать следующее уравнение:
L1 = L2 = L3 = Vo / (fsw·D·N·t) (12)
где N = Vo / (Vin(1 - D)) (13) и D = (Vo - Vin-min) / Vo (14),
где Vin — типичное входное напряжение, Vo — желаемое выходное напряжение, fsw — частота коммутации трехфазного преобразователя.

c. Уменьшение потерь на обратное восстановление во вспомогательном диоде (Da1 / Da2 / Da3)
В режиме 5, Iin перетекает от Ca к основным ключам. Длительность этого режима, t_c ? 3·t_rr (15), где t_rr — время обратного восстановления вспомогательного диода.
t_c = (t/2) v(La·Ca) (16)
Значение t_c должно быть не менее 240 нс для быстровосстанавливающихся диодов. Выбор такого значения позволяет устранить ток обратного восстановления и связанные с ним потери.

d. Расчет вспомогательной индуктивности (La)
Следующее уравнение может быть использовано в качестве основы для выбора значения вспомогательной индуктивности:
(Vo / La) · 3·t_rr Iin_max (17)
Если значение La велико, ток восстановления будет небольшим, но длительность резонансного цикла увеличится с ростом La, что приведет к увеличению потерь на проводимость во вспомогательной цепи. Следовательно, La рассчитывается таким образом, чтобы ток во вспомогательной цепи мог нарасти до значения, не превышающего трехкратного значения Iin_max в течение времени t_c.

e. Расчет вспомогательного конденсатора
Значение Ca должно быть как можно меньшим (для уменьшения длительности резонансного цикла), но не слишком малым, чтобы не вызывать чрезмерных тока и напряжения на вспомогательном ключе Sa. Следовательно, значение Ca должно быть низким, но не должно позволять напряжению превышать заданный предел.
В режиме 4, Vca достигает пикового значения:
Vca(t) = Vo/N + (Iin·Z·sin((t))) / N (18) 1/v(La·Ca) и Z = v(La/Ca) (19).
Напряжение Vca для различных значений выходного импеданса при изменении Vin показано на графиках. Из графика видно, что Vca пропорционально Z? (импедансу). Больший импеданс приведет к большему напряжению на Ca. Если Z мал, то потребуется использовать конденсатор большей емкости для накопления энергии, необходимой для работы мягкой коммутации. Но это приведет к увеличению потерь из-за увеличения длительности резонансного цикла.

Результаты моделирования

Спецификации:

**Параметры моделирования**
№	Элемент	Значение
1	Входное напряжение (Vin)	Vin=40В
2	Выходное напряжение (Vout)	Vout=400В
3	Макс. выходная мощность	Po = 1кВт
4	Частота коммутации (fsw)	fsw = 50кГц
5	Входные индуктивности	L1=L2=L3=330мкГн
6	Вспомог. индуктивность (La)	La = 2.5 мкГн
7	Вспомог. конденсатор (Ca)	Ca = 60 нФ
8	Сопротивление в открытом состоянии (Rds-on)	S1=S2=S3=155мОм, Sa=33мОм

При включении формы сигналов тока (I) и напряжения (V) для основных ключей S1 и S2 показаны на соответствующих графиках. Оба графика ясно показывают, что ключи включаются при нулевом напряжении на них, т.е. по технологии ZVS.

Заключение

Предложен трехфазный повышающий преобразователь с коммутацией при нулевом напряжении. Трехфазный преобразователь можно использовать для мощных приложений по сравнению с однофазным. Предлагаемый трехфазный преобразователь имеет более высокий КПД, чем традиционный трехфазный повышающий преобразователь. Предлагаемый преобразователь имеет высокий входной ток (или низкое входное напряжение), который распределяется между тремя фазами. Преобразователь работает таким образом, что входной пульсирующий ток и, следовательно, размер индуктивностей уменьшается. Снижение входного пульсирующего тока также уменьшает нагрузку на источник питания. Преобразователь имеет простую вспомогательную цепь, которая не создает дополнительной нагрузки на основные силовые ключи. Если этот преобразователь работает при малой нагрузке, его эффективность будет ниже по сравнению с преобразователем с жесткой коммутацией, потому что при легких нагрузках нет необходимости во вспомогательной цепи, и тогда потери будут высоки.

Список использованной литературы

Shafinaz A Lopa, Shahzad Hossain and Mohammad Kamrul; “Design and Simulation of DC-DC Converters,” IRJET 2016, e-ISSN:2395-0056, p-ISSN:2395-0072, 01 Jan. 2016.
Пракаш Парватхам и д-р А. Сруджана; "DC/DC преобразователь с мягкой коммутацией и высоким коэффициентом усиления по напряжению", IOSR-JEEE, том.7, Вып. 4, стр. 33-42, сент. -окт. 2004.
Prakash parvatham and Dr.A.Srujana; “A Soft-Switching DC/DC Converter with High Voltage gain,” IOSR-JEEE, vol.7, Issue 4, pp. 33- 42, Sep. –Oct. 2004.
Parham Mohseni, Seyed hossein Hosseini, Member IEEE, and Mohammad Maalandish, Member, IEEE; “A New Soft Switching DC-DC Converter with High Voltage Gain Capability,” IEEE Trans. on Industrial Electronics, Aug. 2019.
Ahmad Mousavi; “Soft Switching DC-DC Converters,” IEEE APEC, vol. 28, pp.50-54, 2013.
I. Barbi, J.C. Bolacell, D.C Martins and F.B. Libano; “Buck quasi-resonant converter operating at constant frequency: analysis, design, and experimentation,” IEEE Trans. on Power Electronics, vol.5, pp.276-283, Jul 1990.
Power Electronics by Daniel W.Hart.
Power Electronics by Philip T. Krein