любопытные находки (1)

Снова в командировке, паяльник далеко, интернет близко и много, работа только завтра. Есть время покопать обширные месторождения знаний и подумать…

Как я уже писал в серии статей об источнике тока, помимо классического степ-даун преобразователя существует множество других вариантов подходящих преобразователей. Одно из таких направлений — классические «транформаторные» топологии — пуш-пулл, полумост, полный мост, флайбек и прямоходовой преобразователь. Один из плюсов таких преобразователей — возможность снизить токи через ключевые транзисторы. Поскольку переключательные потери растут линейно с напряжением, а омические — пропорционально квадрату тока, то увеличить напряжение вдвое и при этом уменьшить в двое ток оказывается выгодно с точки зрения потерь. Но это не самое интересное. Я неожиданно для себя обнаружил, что, в отличие от степ-даун преобразователей, где «мягкие» режимы переключения все еще редкость, в «трансформаторных» преобразователях это широко распространенный прием, хорошо изученный, с отработанными методиками построения и расчета.
В процессе копания этого пласта информации наткнулся на очень интересный вариант топологии, который заслуживают отдельного внимания:


Красивая конструкция из 4-х транзисторов вокруг трансформатора это ни что иное, как пушпулл преобразователь + синхронный выпрямитель. Они работают с фиксированной частотой и коэффициентом заполнения близким к 0.5 (но при этом они не обеспечивают регулирование). Транзисторые Q3 и Q4 это обычный степ-даун, который, собственно, и обеспечивает регулирование (то есть стабилизацию, тока или напряжение, не важно). На первый взгляд все просто. Но если внимательно присмотреться, то можно обратить внимание, что между выпрямителем и конвертером отсутствует фильтр. Иначе говоря, степ-даун питается пульсирующим напряжением. Но это еще не все. При правильном выборе управляющих сигналов (и пассивных компонентов) пуш-пулл и синхронный выпрямитель могут работать в режиме мягкого переключения. Но и это еще не все. Если фазы работы понижающего преобразователя синхронизировать с работой пуш-пулла, то можно добиться того, что и он будет переключаться «мягко», без переключательных потерь (или, как минимум, они будут значительно ниже, чем в обычном жестком режиме переключения). В итоге появляется возможность сделать схему с высокой частотой преобразования и малыми потерями. Другой немаловажный момент в этой топологии — большинство транзисторов в ней истоком подключены к земле, что сильно упрощает жизнь и позволяет использовать «жирные» low side драйверы, с большими токами на выходе и таким образом снизить потери еще больше. Да и вариант с питанием непосредственно от сети так реализовать значительно проще. Вобщем, забавная схемка, стоит присмотреться к ней поближе…

UPDATE: вот тут более подробное описание работы схемы. Хотя это с ходу и не очевидно (для меня, во всяком случае), но взаимодействие всех компонетов позволяет получить ZVS режим для всех ключей в схеме.
  • +4
  • 05 июня 2013, 02:18
  • evsi

Комментарии (21)

RSS свернуть / развернуть
… и скважностю близкой к 0.5...
Duty cycle == коэффициент заполнения. А скважность ≈2.
0
спасибо, поправил
0
А топология интересная, да.
0
Угу. Есть еще вот такой вариант. Не смотря на внешнюю похожесть, они здорово различаются. Меня больше всего смущает, что я не до конца понимаю, зачем у этого варианта сделаны перекрывающимися циклы транзисторов (то есть чуть больше 0.5, а не чуть меньше 0.5, как у предыдущего).
0
Note; There is an overlap time where both the Push and the Pull switches are ON.
This is required to maintain the inductor current path
«Это требуется для сохранения (поддержания) пути протекания тока через индуктивность.»
Я так понимаю, что необходима неразрывность цепи между двумя стадиями (каскадами), иначе возможен пробой (если не городить подавитель перенапряжения).
0
Тогда не понятно, почему в схеме из топика это не нужно. Тут, IMHO, что-то другое, но что именно — я пока не понимаю. Да, схема в топике это «voltage-fed», а вторая схема — «current-fed». Пока я знаю только то, что в первой нужен dead-time, а во второй наоборот, циклы немного перекрываются. Вобщем, надо еще разбираться.
0
В первой схеме перекрытие по времени открытия не нужно, потому что между каскадами нет индуктивности. Она есть во втором каскаде, но с ней он «разберётся» сам, там не будет «повисания» индуктивности «в воздухе».
Если в первой схеме будет перекрытие в двухтактном каскаде, то входной источник напряжения («voltage-fed») окажется замкнут на омическое сопротивление двух встречно включенных обмотки трансформатора плюс его индуктивность рассеяния. Это не есть хорошо.
Во второй схеме замкнётся ток, текущий через межкаскадную индуктивность и, вследствие этого, ограниченный текущим значением, поделенным на два ключа. «Current-fed», как вы сказали. Это не опасно, но передачи энергии во вторичную цепь трансформатора происходить при этом не будет, поэтому временно́е перекрытие следует сводить к достаточному минимуму.
Я так это вижу.
0
Ага, спасибо за объяснение. Все видимо так и есть, включая рекомендацию по короткому времени перекрытия.

P.S. можно на «ты»
0
В этой схеме меня смущает, почему по осциллограмме размах напряжения на ключах двухтактной схемы не равен удвоенному напряжению питания.
0
Ах, ну да, оно ведь понижено первым каскадом до некоторого неизвестного значения.
0
Если речь о второй схеме, то оно понижается до Vout/N, где N коэффицинт трансформации во втором каскаде.
0
Ага, ага, я уже понял. Пониженного в первом, регулирующем каскаде.
0
Во второй схеме мне не нравится только одно — первый каскад работает при большом напряжении и в режиме жесткого переключения. Да, в связи current-fed часто упоминается current doubler, но я пока не разобрался, что оно такое и как работает.
0
Current doubler — можно пару примеров, где так обзываются?
0
Вы меня заинтересовали, и мне удалось выяснить, что это специфичная топология выпрямителя с двумя индуктивностями, возможно, связанными; схема отдельная от рассматриваемых вами двухступенчатых преобразователей.
В приведенной вами AN1002 от Intersil утверждается, что такая схема была предложена Laszlo Balogh в Design Note-63, Unitrode Integrated Circuit Corporation.
Ещё пару статей конкретно на эту тему:
1: Current Doubler Topology — Myth and Reality;
2: Integrated Magnetic Components for Current Doubler Rectifier and Analogous Circuits Using Bobbin less U Cores.

Я встречал подобную конструкцию в немногих сварочных инверторах, отремонтированных мной, но тогда я не въехал, что это и как «оно» работает. В то время я полагал, что это дроссель, служащий для ограничения тока короткого замыкания, которое сварочные аппараты должны без ущерба выдерживать довольно длительное время. Я и сейчас пока не разобрался и не разбирался в принципе его работы, и не уверен, это было то или не то. Надо проверить по схемам, возможно что‑то где‑то завалялось.
0
Спасибо, почитаю.
0
Что значит «мягкое переключение»? Просто медленное? Или в моменты, когда ток через индуктивность упал до нуля? Закрытие все равно будет при большом токе, а значит, его нужно делать быстрым, чтобы снизить потери.
0
Есть два варианта — ZVS и ZCS. Первое это переклчение при нулевом напряжении, второе — при нулевом токе (речь идет о напряжении и токе ключа, а не индуктивности). В идеали оба варианта совмещаются. И да, конечно, такой вариант переключения никак не снижает требований к драйверу, закрывать и открывать ключи нужно все так же быстро.
0
добавил ссылку на подробное описание работы топологии
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.