Демпфер без потерь
Размыкание силового ключа в обратноходовом импульсном преобразователе приводит к выбросам напряжения из-за наличия паразитных элементов в схеме, в первую очередь - индуктивности рассеяния. На рис. 1 показан такой выброс на стоке ключа VT1 относительно его истока (красным цветом в круге), что имеет место в том случае, если не принимаются меры для его подавления. Амплитуда выброса составляет 600-800 В, основная энергия выброса поступает в момент размыкания ключа из индуктивности рассеяния - Lr. Частота колебаний в выбросе определяется совокупностью паразитных элементов схемы. Для подавления таких выбросов применяются различные демпферы активного и пассивного типа. Одним из самых распространенных пассивных демпферов является RCD (рис. 1).
При наличии такого демпфера энергия, накопленная в паразитных реактивных элементах, в основном в индуктивности рассеяния Lr, расходуется на заряд конденсатора C (синяя стрелка на рис. 1), который затем разряжается через резистор R (красная стрелка). В некоторых схемах вместо конденсатора и резистора используется супрессор. В демпферах подобного типа энергия, накопленная в индуктивности рассеяния, бесполезно расходуется на нагрев резистора (супрессора), что снижает общий КПД импульсного преобразователя. В обратноходовом преобразователе индуктивность рассеяния можно снизить за счет конструкции двухобмоточного дросселя (обратноходового трансформатора), при этом потери в демпфере составляют 3-10% от общей мощности, которыми часто пренебрегают, особенно в бюджетных решениях.
В прямоходовых преобразователях перевод энергии выбросов на ключе в тепло (по аналогии с обратноходовыми) неприемлем, так как потребуется перевести в тепло не только энергию, накопленную в паразитных реактивных элементах, но и энергию намагниченности сердечника трансформатора. Дело в том, что в прямоходовых преобразователях в конце прямого хода после размыкания ключа сердечник трансформатора оказывается намагниченным, и его необходимо размагнитить до следующего цикла прямого хода. В принципе, размагничивание сердечника можно выполнить RCD-демпфером, но при этом возникнут очень большие потери, до 50% от общей мощности, поэтому для прямоходовых преобразователей RCD-демпфер практически не применяют.
Для подавления высоковольтного выброса и размагничивания сердечника трансформатора для прямоходовых преобразователей существуют несколько решений: например, применение активного демпфера - схема "косой мост" и т. п. Активные демпферы эффективны, но их применение приводит к усложнению и удорожанию преобразователя ввиду наличия второго ключа и его схемы управления. Другим эффективным решением является применение специального прямоходового трансформатора, содержащего дополнительную, размагничивающую (демпфирующую) обмотку, что также повышает его стоимость. Принципы действия как активного демпфера, так и демпфирования при помощи дополнительной обмотки сводятся к возврату энергии, запасенной в паразитных реактивных элементах и сердечнике трансформатора, в первичные цепи питания.
Специалистами компании "Good Luck", г. Тула, разработан демпфер без потерь мощности для прямоходовых и обратноходовых преобразователей, принцип действия которого основан на переносе энергии, накопленной в сердечнике и паразитных элементах, в выходные цепи. Концепция демпфера заложена в разработанном и применяемом компанией способе бестрансформаторной гальванической развязки [1, 2].
Принцип работы демпфера с обратноходовым преобразователем поясняется схемой, приведенной на рис. 2. В прямом ходе, при замыкании ключа VT1, в двухобмоточном дросселе L происходит накопление энергии за счет тока в первичной обмотке. При размыкании ключа VT1 энергия, накопленная в индуктивности рассеяния и других паразитных реактивных элементах, а также часть энергии, накопленной в дросселе L, расходуется на заряд конденсаторов С1 и С2 через диод D1 (токи обратного хода показаны синим цветом). Оставшаяся энергия, накопленная в дросселе L, из его вторичной обмотки через диод D1 поступает в нагрузку. В следующем прямом ходе, после замыкания ключа VT1, кроме накопления энергии в двухобмоточном дросселе L, происходит сброс энергии из конденсаторов С1 и С2 в нагрузку (токи прямого хода показаны красным цветом). В качестве конденсаторов С1 и С2 применяются полипропиленовые Y-конденсаторы, устанавливаемые практически во всех импульсных источниках для замыкания по высокой частоте "холодной" и "горячей" "земли".
Несмотря на простоту, схема (рис. 2) имеет существенный недостаток: цепь разряда конденсаторов С1 и С2 включает вторичную обмотку двухобмоточного дросселя L, что может вызвать насыщение его сердечника, так как одновременно с разрядом конденсаторов происходит накопление энергии в сердечнике через первичную обмотку. Кроме того, ток через конденсаторы С1 и С2 зависит от индуктивности двухобмоточного дросселя L и потому практически не поддается регулировке.
В другом варианте для отведения от дросселя L тока разряда конденсаторов в схему дополнительно введен дроссель прямого хода L (рис. 3) и диод D2.
Во время обратного хода конденсаторы С1 и С2 заряжаются через диод D2 энергией паразитных реактивных элементов, в том числе от индуктивности рассеяния, и (частично) энергией, накопленной в дросселе L. Во время прямого хода конденсаторы С1 и С2 разряжаются через дроссель L^ и нагрузку током прямого хода. Поскольку ток в нагрузку поступает как в обратном, так и в прямом ходе, добавление демпфера в схему обратноходового преобразователя превращает его в прямо-обратноходовой. Ток прямого хода регулируется величиной индуктивности дросселя прямого хода L и может быть меньше или больше тока обратного хода. Токи в дросселе прямого хода L^, диоде D1 и точке 1 синхронно с напряжением на транзисторе VT1 показаны на рис. 3.
Принцип работы демпфера для прямоходового преобразователя поясняется рис. 4. При размыкании ключа VT1 энергия, накопленная в индуктивности рассеяния и других паразитных реактивных элементах, а кроме того, энергия, запасенная в сердечнике, расходуется на заряд конденсаторов С1, С2 и С3 через диод D2 (токи обратного хода показаны синим цветом). В прямом ходе, после замыкания ключа VT1, происходит сброс энергии из конденсаторов С1 и С2 в индуктивность L1 (токи прямого хода показаны красным цветом).
Второй вариант демпфера для прямоходового преобразователя поясняет рис. 5.
Рис. 6 иллюстрирует применение демпфера в прямоходовом преобразователе с использованием дополнительного диода D3 и индуктивности L2. Такой вариант применения демпфера позволяет разгрузить силовую индуктивность L1.
Во всех примерах (рис. 2-6) конденсатор С2 соединяет "холодную" и "горячую" "земли" по высокой частоте, снижая уровень помех и потери на излучение в выходной цепи. Во всех схемах конденсаторы С1 и С2 - безопасные полипропиленовые Y-конденсаторы, специально разработанные для применения в тех случаях, когда пробой конденсатора может привести к поражению электрическим током. Максимальная величина емкости конденсаторов С1 и С2 определяется максимально возможным током утечки в каждом случае, так как через них выходная цепь практически подключена к напряжению сети. Согласно ГОСТ Р МЭК 335-1-94 для приборов класса 0, 01 и 3 ток утечки не должен превышать 0,5 мА; таким образом, суммарная величина емкости конденсаторов С1 и С2 не должна превышать 7 или 3,5 нФ каждого. Для приборов класса 1 ток утечки не должен превышать 3,5 мА, и, соответственно, величина каждого конденсатора не должна превышать 25 нФ. Ограничение емкости конденсаторов вносит ограничения в применение предлагаемого демпфера по мощности. Максимальная мощность (Вт), которую можно "перекачать" через конденсаторы С1 и С2, на конкретной частоте определяет их емкость и вычисляется по формуле:
P = CU2/2 х F,
где F - частота, U - напряжение, С - емкость.
Таким образом, на частоте 100 кГц через конденсаторы емкостью 3,5 нФ "перекачивается" мощность до 11 Вт, а при емкости 25 нФ - до 80 Вт. В данном случае речь идет не об общей мощности преобразователей, а о мощности, которую можно "перекачать" из одной части схемы в другую.
Применение предложенного принципа демпфирования позволяет повысить эффективность прямоходовых и обратноходовых преобразователей, уменьшить их габариты и стоимость.
Литература:
Тарасов Д. Г., Титков С. И. Источник питания с индуктивно-емкостной гальванической развязкой // Современная светотехника. 2012. № 5.
Тарасов Д. Г., Титков С. И. Источник питания светодиодного светильника // Полупроводниковая светотехника. 2012. № 4.
Статья опубликована в журнале Полупроводниковая светотехника (№1, 2013). Авторы статьи - Дмитрий Тарасов и Сергей Титков.
