Аннотация
В.Ю. Васильев, Ю.Д. Козляев, Ю.Е. Семёнов, А.А. Антонов, И.В. Пичугин. Разработка источников вторичного электропитания, реализованных с использованием технологии «мягкой» коммутации ключей. Часть 4. Преобразователь постоянного напряжения с формированием тока в звене инвертора. Целью работы является разработка источников вторичного электропитания мощностью 2000 Вт, реализующих технологию «мягкой коммутации» Zero Voltage Switch (ZVS). Работа состоит из нескольких частей, в которых рассматриваются различные аспекты проблемы конструирования источников питания. В четвёртой части работы рассматриваются особенность и примеры реализации технологии «мягкой» коммутации ключей при нуле напряжения (ZVS).
Введение и постановка задачи
Современные технологии преобразования параметров электрической энергии для широких сфер применения базируются на принципах высокочастотной импульсной модуляции потока энергии. Высокая частота (десятки – сотни кГц) позволяет существенно снизить материалоёмкость преобразовательных технологий, и, соответственно, увеличить удельные показатели устройств до 1.5 кВт/кг, против ~ 0.2 кВт/кг, (характерных для классических низкочастотных устройств) без потери энергетической эффективности, а в ряде случаев — со значительным её улучшением.
В настоящей работе рассматривается особенность и примеры реализации технологии «мягкой» коммутации ключей при нуле напряжения, обозначаемая в технической литературе аббревиатурой ZVS (Zero Voltage Switch). Технология предполагает организацию условий для перевода тока из полупроводниковой зоны запираемого ключа в периферийные цепи при нуле или близком к нулевому значению напряжения на его силовых зажимах и включение транзистора при нуле напряжения.
Принципы реализации технологии мягкой коммутации
На рис.1(a) показана схема стойки ключей с необходимым обрамлением для реализации режима ZVS. Пунктиром показан пример дополнения цепи для получения схемы преобразования постоянного напряжения понижающего типа (ППНП). Шунтирующие ёмкости образуют «обходные» каналы для тока IL при запирании транзисторов и, совместно с формирующей ток в цепи нагрузкой, образуют контур перезаряда конденсаторов с резонансной частотой 0 = 1/vL(C1 + C2).
Рис.1. Схема стойки ключей с необходимым обрамлением для реализации режима ZVS (a) и диаграммы работы преобразователя напряжения на её основе (б,в)
Временны?е диаграммы отображают работу схемы в двух режимах: активный перезаряд конденсаторов при запирании верхнего ключа и свободный перезаряд конденсаторов при завершении такта прямой передачи энергии в нагрузку, и активный перезаряд конденсаторов при запирании верхнего и нижнего ключей.
Для реализации режима ZVS с исключением токовых стрессов в моменты включения транзисторов в стойке следует ориентироваться на режим перезаряда шунтирующих конденсаторов с фиксацией уровня напряжения. Это требует организации жёсткой последовательности переключения полупроводниковых приборов в структуре ключа (транзистор/диод) и формирования пауз для перезаряда конденсаторов.
Пример реализации в мостовом инверторе
Пример применения изложенной идеологии в преобразователе постоянного напряжения на основе мостового инвертора напряжения с формированием выходного тока и последующим звеном выпрямления показан на рис.2(a). Левая стойка транзисторных ключей ориентирована на режим ZVS. Из-за треугольной формы тока ключи правой стойки (T3, T4) включаются при нулевом токе нагрузки, что соответствует т.н. режиму ZCS (Zero Current Switch).
Рис. 2. ППНП на базе мостового инвертора напряжения с формированием тока (a), временные диаграммы для предельно непрерывного режима (б)
В схеме инвертора реализуется режим ZVS для ключей левой стойки и режим ZCS – для ключей правой стойки. Обязательным условием этого состояния схемы является режим прерывистого тока реактора или, в предельном случае, граничный режим, характеризуемый максимальным значением мощности.
Основные расчётные соотношения
Из рассмотренного выше следует возможность представления преобразователя с мостовым инвертором в симметричном режиме переключения транзисторов в стойках эквивалентным ППНП. Основным параметрам реального преобразователя (напряжению UAB(t), напряжению нагрузки U0 и выходному току реактора IL(t)) на схеме замещения соответствуют величины их модулей.
Основные расчётные соотношения включают:
- Коэффициент преобразования по напряжению (M = U1 / E)
- Необходимая величина D1 для получения требуемого значения M
- Условия предельно-непрерывного режима тока реактора
- Параметры первичного тока и мощности преобразователя в предельном режиме
- Время перезаряда конденсаторов C1, C2
- Скорости нарастания тока и напряжения на ключах
- Электромагнитная мощность трансформатора
В качестве примера в таблице приведены основные параметры для ППНП с максимальной мощностью в предельно непрерывном режиме P0max = 3 кВт, E = 400 В, C1 = C2 = 4.10 Ф.
Таблица 1. Пример расчёта основных параметров для ППНП
Регулирование выходных параметров преобразователя
Режим ZVS допускает регулирование параметров преобразователя при условии M < Mp и, соответственно, D1 < M. Из приведённых соотношений следует возможность оперативного управления рабочим процессом различными способами. Наиболее просто реализуются следующие варианты управления:
- Временной способ (вариация параметра D1 изменением длительности импульса управления ключей левой стойки при фиксированной частоте)
- Управление величиной ILmax в критическом (D1 = M) или «докритическом» режимах работы преобразователя
- Частотный способ при фиксированном значении ILmax
Рис.4. Регулировочные характеристики преобразователя
Заключение
Рассмотренный преобразователь постоянного напряжения по формальным признакам представляет управляемый источник тока с ёмкостным накопителем электрической энергии. Условия мягкой коммутации силовых ключей накладывают ограничения на выбор режима работы по частоте переключения. При выборе варианта работы с постоянной величиной коммутируемого тока максимальная (предельная) частота переключения определяется границей режима прерывистости тока индуктивного реактора. Этому режиму соответствует максимальная мощность при выбранном коэффициенте преобразования по напряжению.
Достоинством технологии является возможность эффективного использования в стойке ключей, коммутируемых методом ZVS, транзисторов нового поколения IGBT, адаптированных к таким режимам.
Список использованной литературы
- Васильев В.Ю., Козляев Ю.Д., Пичугин И.В., Семёнов Ю.Е., Гордиенко С.М., Антонов А.А. Разработка источников вторичного электропитания, реализованных с использованием технологии «мягкой» коммутации ключей. Часть 1. Анализ информационных материалов и образцов источников питания // Вестник СибГУТИ, 2012, №3, с.86-97.
- Mohan N., Undeland T.M., Robbins W.P. In «Power electronics. Converters, applications and design» / John Wiley and Sons, Inc., 2003. P.249-298.
- Васильев В.Ю., Антонов А.А., Пичугин И.В., Гордиенко С.М. Разработка источников вторичного электропитания, реализованных с использованием технологии «мягкой» коммутации ключей. Часть 2. Анализ схемотехнических решений источников питания модульного типа // Вестник СибГУТИ, 2013, №1, с.75-84.
- Васильев В.Ю., Антонов А.А., Пичугин И.В., Гордиенко С.М. Разработка источников вторичного электропитания, реализованных с использованием технологии «мягкой» коммутации ключей. Часть 3. Разработка макета силового модуля источника питания // Вестник СибГУТИ, 2013, №2, с.75-85.
- Северен Р., Блум Б.Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. М: Энергоатомиэдат, 1988, 294 С.
- Меленин В.И. Транзисточная преобразовательная техника. М: Техносфера, 2005, 632 С.
- IGBT in Trench and Field stop Technology with soft, fast recovery anti-parallel diode. Infineon Technologies AG81726, Munchen, 2010.