Однотактный полумостовой преобразователь ("косой полумост")

Полумостовой преобразователь («косой полумост»)

 

Оглавление

Введение 3

1 Полумостовой (Half-Bridge) преобразователь 5

2 Пример расчета полумостового резонансного преобразователя на основе irs2795(1,2)s international rectifier 9

Литература 21

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В автономных источниках питания, предназначенных  для работы непосредственно от сети переменного тока, необходимо использовать трансформаторы с целью гальванической развязки нагрузки от сети. Трансформаторы применяются также в источниках питания, где подобная развязка необходима по другим причинам, например в медицинском оборудовании. В Табл. 1 приведены диапазоны мощностей и сложность для каждого из типов преобразователей. Любой из них может также применяться и за пределами указанных диапазонов, но в этом случае возрастают трудности при проектировании эффективного источника питания.

Таблица 1

Автономный сетевой источник питания  по сути представляет собой источник постоянного тока (DC), который питает преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение (DC/DC) с трансформаторной развязкой.

На рис. 1 изображён полумостовой преобразователь. Эта схема является высоковольтным аналогом двухтактного каскада транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Ключи замыкаются по очереди, благодаря чему на первичной обмотке трансформатора формируется двухполярное напряжение. Это обусловливает необходимость использования на выходе двухполупериодного выпрямителя. Ограничительная обмотка трансформатора не нужна, так как протекание тока вторичной обмотки обеспечивается наличием противофазно включённых выходных диодов. Конденсаторы образуют делитель напряжения, задающий на одном из выводов первичной обмотки половину входного напряжения. Эти конденсаторы всегда являются составной частью первичного источника постоянного тока (DC), поэтому они выполняют двойную функцию: делителя напряжения и накопителя заряда.

Рисунок 1 — Идеализированная модель полумостового преобразователя

 

 

 

1 Полумостовой (Half-Bridge) преобразователь

Полумостовой (Half-Bridge) преобразователь (рис. 2) относится к двухтактным схемам.

Рисунок 2 — Схема полумостового (Half-Bridge) преобразователя

Энергия передаётся в нагрузку в  течение двух полупериодов цикла. Схема  позволяет получать большие выходные мощности. Когда замкнут верхний ключ T1, на первичную обмотку N1 подаётся положительное напряжение, равное V_in/2 (напряжение на конденсаторах делится ровно пополам). На вторичной обмотке появляется положительное напряжение, кратное коэффициенту трансформации, напряжение через диагональ диодного моста поступает на LC- фильтр в нагрузку. Далее выдерживается пауза («мёртвое время») до полного закрытия верхнего транзистора и открывается нижний транзистор. На первичную обмотку поступает отрицательное напряжение, на вторичной обмотке появляется напряжение также отрицательной полярности и через вторую диагональ поступает через LC-фильтр в нагрузку.

Когда ни один из ключей не замкнут («мёртвое время»), индуктор отдаёт в нагрузку накопленную энергию. Если ток в индукторе не падает до нуля, то такой режим работы называется непрерывным (рис. 3), если ток падает до нуля, то это прерывистый режим (рис. 4). Прерывистый режим характеризуется большими токами, что приводит к повышенным потерям мощности в ключах и выходных диодах.

При расчёте схемы необходимо знать следующие параметры: V_{in_min}, V_{in_max}, V_out, I_out и f .

Коэффициент трансформации равен:

где

где

Для режима непрерывных токов ΔI_L<2I_out:

 

Рисунок 3 — Диаграммы напряжения и токов в режиме непрерывных токов

Для прерывистого режима ΔI_L>2I_out:

Рисунок 4 — Диаграммы напряжения и токов для прерывистого режима

 

 

 

 

 

 

2 Пример расчета полумостового резонансного преобразователя на основе irs2795(1,2)s international rectifier

IRS2795 (1, 2) является драйвером для построения резонансного полмостового преобразователя постоянного тока в приложениях с напряжением до 600 В. Микросхема обеспечивает защиту по току, используя сопротивление открытого канала нижнего транзистора (RDS(On)). Максимальная частота переключения может доходить до 500 кГц, с фиксированным коэффициентом заполнения, равным 50 %. Частота, время плавного старта, длительность «мертвого времени» могут быть запрограммированы внешними элементами, контакты RT и CT. Схема электрическая принципиальная представлена на рис. 5. Транзисторы M1 и М2 работают со скважностью 50 %, а выходное напряжение регулируется непосредственно изменением частоты переключения преобразователя.

Рисунок 5 — Схема электрическая принципиальная

Расчет элементов  резонансного контура

Для построения резонансного полумостового преобразователя  по схеме показанной на рис. 5, необходимо решить следующие вопросы:

- определить основные параметры источника питания;

- подобрать ИС IRS2795 (1,2), наиболее подходящую для поставленной задачи;

- для выбранной ИС спроектировать силовой трансформатор;

- рассчитать остальные элементы схемы.

Расчет коэффициента передачи трансформатора

Коэффициент передачи рассчитывается, исходя из максимального входного напряжение, чтобы при любых условиях на входе иметь возможность регулировки выходного напряжения:

Выбор числа k

k — это  отношение индуктивности намагничивания трансформатора Lm к резонансной индуктивности Lr, см. рис. 6.

Рисунок 6 — Значение k

Меньшее значение k дает более крутую передаточную кривую, особенно в области частот ниже резонансной (Frl). При меньшем k выходное напряжение более чувствительно к изменению частоты. Более высокое значение k ведет к увеличению индуктивности намагничивания, таким образом создает меньший ток намагничивания первичной обмотки трансформатора, обеспечивая меньшие потери на перемагничивание. Высокие значения индуктивности намагничивания также могут быть причиной работы в не области ZVS при высоком входном напряжении или на холостом ходу.

Рекомендуемый производителем диапазон k — от 3 до 10.

Расчет  максимальной добротности Qmax для режима ZVS при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении.

Рисунок 7 — Эквивалентная схема резонансного контура

Входной импеданс эквивалентной схемы (рис. 7) вычисляется по формулам:

х — отношение частоты переключения к резонансной частоте:

Для обеспечения работы преобразователя в режиме мягкого переключения, необходимо, чтобы рабочая точка находилась в зоне ZVS (переключение в нулях напряжения)(см. рис. 8).

Рисунок 8 — Типичная АЧХ LLC-преобразователя

Граница режимов ZVS и ZCS (переключения в нулях  токов) соответствует фазовому углу Φ(Zin) = 0 (условие границы между емкостной и индуктивной нагрузкой), таким образом мнимой части Zin, равной 0. Учитывая данное условия можно рассчитать максимальное значение добротности (Q), при котором преобразователь будет оставаться в режиме ZVS. Максимальное значение Q получается при минимальном входном напряжении и максимальной нагрузке:

где Мmax —  максимальное передаточное отношение при минимальном входном напряжении.

Расчет минимальной  частоты переключения

Минимальная частота переключения получается при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении, т.е. при максимальной Qmax и при lm(Zin)=0:

Рассчитать F_min можно, исходя из x_min:

Расчет Lr, Cr и Lm

Значение Lr, Cr и Lm рассчитываются, исходя из Q_max:

Пересчитаем значение Frl, чтобы сохранить Q_max при выбранном значении Cr:

Пересчитаем Lr:

Чтобы остаться в режиме ZVS, реальное значение Lr должно быть меньше расчитаного. Расчитаем Lm из Lr и k:

Следует знать, что сумма значений индуктивности  первичной стороны равно:

Для упрощения  мощной части преобразователя резонансный  дроссель обычно совмещают с трансформатором, используя для этого двух секционный каркас. Связь между первичной и вторичной обмоткой хуже, чем если они намотаны на одиночный каркас. Таким образом, индуктивность утечки достаточно велика и может использоваться в качестве резонансной. При этом используется меньше элементов, и уменьшаются потери на проводимость. Индуктивность первичной обмотки Lp измеряется при разомкнутых вторичных обмотках, а индуктивность утечки — при замкнутых.

Расчет количества витков первичной обмотки

Расчет  трансформатора производим по стандартной формуле полумостовой схемы:

Пересчитываем Np:

Расчет первичной  и вторичной обмоток трансформатора

Большинство резонансных LLC-преобразователей разрабатывается  таким образом, чтобы минимальная частота переключения была ниже Frl. Это делается для того, чтобы обеспечить возможность регулировки выходного напряжения при пониженном входном напряжении и максимально нагрузке.

Il – значение тока, когда резонансный ток протекает через Lr равен току намагничивания через Lm.

Il может рассчитываться по следующей формуле:

Пиковое и среднеквадратичное значение тока соответственно равны:

Импульсное  и среднеквадратичное значение тока равны:

Средне  квадратичное значение тока рассчитывается для случая, когда ток имеет форму чистого синуса, поэтому реальное значение немного выше. Форма тока в каждой из вторичных обмоток очень близка к полусинусоиде, поэтому импульсный и среднеквадратичный ток может быть рассчитан по формуле:

Диаметр провода первичной и вторичной  обмотки должны выбираться исходя из вычисленных значений токов.

Расчет напряжения на резонансном конденсаторе

ILm — ток намагничивания первичной обмотки трансформатора, не включающий ток, который передается в нагрузку через идеальный трансформатор, включенный параллельно Lm (см. рис. 9). Разница между током ILr и ILm является ток нагрузки.

Рисунок 9 — Lm и идеальный трансформатор

Напряжение  на конденсаторе VCr достигает максимума, когда ток через индуктивность Lr пересекает ноль, VCr равно половине входного напряжения, когда ток через Lr имеет максимальное значение. При этом напряжение на Cr максимально, когда напряжение на средней точке (VS) равно нулю и минимально, когда напряжение на VS равно входному, поэтому они рассчитываются так:

Размах напряжения VCr равен VCr_max – VCr_min:

Максимальный размах напряжения на конденсаторе получается при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении, т.е. при минимальной частоте переключения Fmin. Резонансный конденсатор выбирается исходя из рассчитанной емкости, напряжение и тока протекающего через конденсатор. Следует выбирать конденсатор с более высокими характеристиками по напряжению с учетом зависимости максимального допустимого напряжения от частоты.

Расчет пассивных  компонентов IRS2795(1,2)

Расчет минимального «мертвого  времени» для режима ZVS при максимальном входном напряжении и на холостом ходу

В резонансном  полумостовом преобразователе частота переключения максимальна на холостом ходу и при максимальном напряжении на входе. Теоретически, при частоте переключения ниже резонансной преобразователь должен находится в режиме ZVS, однако в реальности это одно из условий режима ZVS. Далее, эквивалентная паразитная емкость средней точки (VS) должна быть полностью заряжена/разряжена в течении длительного времени. При недостаточности длительности «мертвого времени» транзисторы переключаются в жестком режиме, даже при работе преобразователя на частоте ниже резонансной. Для обеспечения работы преобразователя в режиме ZVS необходимо рассчитать минимальное время для заряда/разряда эквивалентной емкости средней точки.

Эквивалентная емкость заряжается/разряжается  первичным током трансформатора, поэтому нулевая нагрузка и максимальное входное напряжения являются наихудшими условиями, так как при этом ток вторичной обмотки трансформатора равен нулю и в первичном контуре протекает ток намагничивания. Пиковое значение этого тока равно:

 

Суммарная эквивалентная емкость средней  точки равна Chb — показана на рис. 10.

Рисунок 10 — Суммарная эквивалентная емкость средней точки

Chb включает:

Сoss – двух транзисторов;

Сrss – нижнего  транзистора;

Сwell – емкость  утечки драйвера верхнего плеча IRS2795(1,2), равная 5 пФ;