DC/DC-преобразователи. Основные сведения

Александр Кораблев

В кратком обзоре приведены основные сведения о понижающих и повышающих неизолированных DC/DC-преобразователях. Рассмотрены силовые каскады этих преобразователей и приведены сведения о построении систем управления преобразователями.

Введение

Существует множество вариантов реализации DC/DC-преобразователей (далее в тексте преобразователи). Они различаются топологией силовых каскадов, а также алгоритмам управления и соответственно схемотехникой систем управления. Кроме того, имеются 3 варианта принципов преобразования.

1. Классический преобразователь с индуктивностью (дросселем).

2. Безиндуктивный преобразователь на переключаемых конденсаторах.

3. Гибридный вариант, совмещающий оба типа топологий.

Рассмотреть все варианты преобразователей в рамках одного короткого обзора невозможно, поэтому сосредоточимся на неизолированных преобразователях с индуктивностью и рассмотрим повышающий и понижающий преобразователь. Мы не сможем уместить в наш короткий обзор другие топологии, также за рамками рассмотрения останутся высоковольтные преобразователи, имеющие свою специфику.

Разнообразие вариантов преобразователей стало возможно, благодаря совершенствованию силовых полупроводников. Еще в начале 2000-х гг. в качестве силовых ключей использовались биполярные транзисторы, и рабочая частота преобразователей не превышала нескольких десятков килогерц. Сегодня их заменили полевые транзисторы (MOSFET), они проще в управлении и обладают заметно лучшими динамическими свойствами. В результате рабочая частота современных преобразователей возросла до 2,5–3,5 МГц.

Топологии силовых каскадов

Рис. 1. Топология силового каскад несинхронного понижающего преобразователя (а) и временная диаграмма (б)

На рис. 1а показана топология несинхронного понижающего преобразователя и временная диаграмма выходного напряжения. Для регулирования выходного напряжения U_OUT используется метод ШИМ. В течение интервала времени T_И силовой ключ Q1 включен и энергия поступает из сети в нагрузку и запасается в дросселе L1 и сглаживающем конденсаторе C0. Затем ключ Q1 выключается, ток замыкается в контуре L1-С0-D1 и в течение времени T_П – T_И энергия запасенная в дросселе поступает в нагрузку и конденсатор С0. В этом случае средняя величина выходного напряжения U_OUT определяется из простого соотношения

U_OUT = D × U_IN (1)

Где: D = T_И/T_П (рис. 1б) – коэффициент заполнения.

По мере появления MOSFET с сопротивлением канала в открытом состоянии R_DS(ON) несколько миллиом вместо диода D1, падение напряжения на котором в режиме проводимости составляло примерно 0,7 В, стали использовать ключ Q2 (рис. 2), что привело к заметному сокращению потерь мощности. Подобное решение, основанное на согласованности работы ключей Q1 и Q2 получило название «синхронный преобразователь». Сегодня производят только такие преобразователи, поэтому слово «синхронный» исчезло из названия.

Рис. 2. Топология силового каскад синхронного понижающего преобразователя

В любом преобразователи зависимости от длительности интервалов времени T_И и T_П возможны 3 режима работы:

1. Ток непрерывно протекает через дроссель (Continuous Conduction Mode – CCM) – рис. 3а.

2. Прерывистое протекание тока через дроссель (Discontinuous Conduction Mode – DCM) – рис. 3б.

3. Критическая (граничная) проводимость, ток через дроссель спадает до нуля, но паузы без тока нет (Critical Conduction Mode – CrCM) – рис. 3в.

Рис. 3. Режим непрерывного тока (а), режим прерывистого тока (б), режим критической (граничной) проводимости (в)

У каждого из этих режимов есть свои преимущества и недостатки. В режиме ССМ достигается минимальная пульсация выходного напряжения и тока дросселя, но происходит жесткая коммутация силовых ключей Q1 и Q2 и в течение времени восстановления обратного сопротивления через внутренний диод MOSFET Q2 протекает обратный ток. Поэтому в режиме ССМ потери в преобразователях наиболее велики.

В режиме прерывистого тока DCM коммутация ключа Q1 происходит при нулевом напряжении (zero voltage switch – ZVS) и нулевом токе (zero curent switch – ZCS), также в этом режиме отсутствуют потери на восстановление обратного сопротивления внутреннего диода MOSFET Q2. Поэтому потери мощности в этом режиме меньше, но возрастают пульсации тока дросселя и выходного напряжения, из-за чего приходится увеличивать размеры дросселя и ёмкость сглаживающего выходного конденсатора.

Режим критической проводимости CrCM является попыткой совместить достоинства режимов ССМ и DCM. Поэтому наиболее часто режим CrCM используется в корректорах коэффициента мощности, рабочая частота которых обычно не превышает 100 кГц.

На рис. 4. показан силовой каскад повышающего преобразователя. В нем, так же как и в понижающем преобразователе используется ШИМ. Но в отличие от понижающего собрата, где при включенном силовом ключе Q1 энергия поступает из сети в нагрузку, а при выключенном ключе в нагрузку поступает энергия, накопленная в дросселе, в повышающем преобразователе энергия поступает в нагрузку только при выключенном ключе Q1.

Рис. 4. Топология силового каскада повышающего преобразователя

При включенном ключе Q1 в дроссель закачивается энергия из сети, а питание нагрузки осуществляется сглаживающим конденсатором С0. После выключения Q1 энергия из сети, а также энергия, запасенная в дросселе, поступает в нагрузку. При этом напряжение U_OUT, приложенное к нагрузке, складывается из напряжения сети и противо-ЭДС дросселя. Таким образом, сглаживающий конденсатор оказывается заряженным напряжением, превышающим входное напряжение U_IN. Если пренебречь потерями в преобразователе, то из условия равенства входной и входной мощности получим формулу для определения выходного напряжения.

U_OUT = U_IN/(1 – D)

Управление силовыми каскадами

Немного упрощая ситуацию, можно сказать, что существуют 2 основных метода управления силовыми каскадами преобразователей:

1. При использовании ШИМ выходное напряжение регулируется за счет изменения длительности включенного состояния ключа Q1. Рабочая частота преобразователя при этом остается фиксированной.

2. Метод t_ON = const. В этом случае длительность включения ключа фиксирована, а выходное напряжение регулируется за счет изменения рабочей частоты. Это метод также носит название частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

Метод позволяет сократить время переходных процессов, возникающих, при быстром изменении нагрузки, но из-за изменения рабочей частоты могут возникнуть проблемы с выполнением жестких требований стандартов электромагнитной совместимости (ЭМС). Метод ШИМ облегчает решение проблем с ЭМС, но при этом увеличивается время протекания переходных процессов. Конечно, существуют модификации этих методов, один из них мы кратко опишем ниже.

По способу формирования петли управления также можно говорить о 2 методах.

1. Управление с обратной связью (ОС) по напряжению.

2. Управление с ОС по напряжению и по току дросселя.

На рис. 5. в упрощенном виде показана схема управления понижающим преобразователем по методу п.2. Обратите внимание, речь идет именно об обратной связи по току дросселя, а не по току нагрузки. Эта обратная связь ограничивает максимальный ток дросселя тем самым, предотвращая его насыщение. Также возможно управление по минимальному или среднему ток дросселя.

Рис. 5. Схема управления понижающим преобразователем с ОС по напряжению и току

Управление с использованием ОС по току позволяет сократить время протекания переходных процессов и не создает больших трудностей с ЭМС. К сожалению, его трудно использовать при увеличении рабочей частоты, когда уменьшается время включенного состояния ключа. В этом случае для того чтобы отфильтровать шумы, возникающие при коммутации силовых ключей, необходимо в усилителе ошибки использовать корректирующую цепь более высокого порядка. Следовательно, возрастет инерционность этой цепи, что приведет к задержке ОС и увеличению ошибки.

Исправить эту ситуацию позволяет псевдотоковый режим управления. В нем используется метод t_ON = const, и измеряется ток при выключенном ключе Q1. В этом случае ток протекает через Q2 и токочувствительный элемент подключен к земле, что упрощает измерения тока и облегчает фильтрацию помех. При этом ток дросселя при включенном Q1 не измеряется, а эмулируется, используя измеренное значение тока через ключ Q2.

В заключение заметим, что микросхемы преобразователей могут производиться как со встроенными силовыми ключами, так и без них. В последнем случае говорят о DC/DC-контроллере. Вариант с встроенными ключами упрощает топологию платы и уменьшает ее размеры. Однако в этом случае из-за ограниченного размера кристалла сопротивление открытого канала R_DS(ON) ключей довольно велико, примерно 70–150 мОм, поэтому увеличиваются потери на проводимость.

При использовании внешних ключей возрастают габариты платы и усложняется ее топология, зато вы можете выбрать MOSFET с сопротивлением открытого канала в несколько миллиом и требуемыми динамическими параметрами.