DC/DC-преобразователи представляют собой устройства, предназначенные для преобразования постоянного напряжения одного уровня в другое. Существует множество вариантов реализации таких преобразователей, которые различаются не только топологией силовых каскадов, но и алгоритмами управления, что в свою очередь влияет на схемотехнику систем управления.
Существует три основных принципа работы DC/DC-преобразователей:
1. Классический преобразователь с индуктивностью (дросселем).
2. Безиндуктивный преобразователь, использующий переключаемые конденсаторы.
3. Гибридный вариант, который сочетает в себе элементы обоих предыдущих типов.
Сосредоточим внимание на неизолированных преобразователях с индуктивностью, рассмотрев как повышающие, так и понижающие схемы. Другие топологии, такие как высоковольтные преобразователи, выходят за рамки нашего обсуждения.
Разнообразие существующих решений в области DC/DC-преобразователей стало возможным благодаря значительным достижениям в области полупроводниковых технологий. В начале 2000-х годов в качестве силовых ключей использовались биполярные транзисторы, что ограничивало рабочую частоту преобразователей несколькими десятками килогерц. Современные преобразователи, использующие полевые транзисторы (MOSFET), значительно упростили управление и обеспечили лучшие динамические характеристики. Это позволило увеличить рабочую частоту до 2,5–3,5 МГц.
Таким образом, DC/DC-преобразователи являются важными компонентами современных электроэнергетических систем, обеспечивая гибкость и эффективность в преобразовании напряжения для различных приложений.
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 UOUT используется метод ШИМ. В течение интервала времени TИ 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 TП – TИ энергия запасенная в дросселе поступает в нагрузку и конденсатор С0. В этом случае средняя величина выходного напряжения UOUT определяется из простого соотношения
UOUT = D × UIN (1)
Где: D = TИ/TП (рис. 1б) – коэффициент заполнения.
По мере появления MOSFET с сопротивлением канала в открытом состоянии RDS(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 TИ и TП возможны 3 режима работы:
Ток непрерывно протекает через дроссель (Continuous Conduction Mode – CCM) – рис. 3а.
Прерывистое протекание тока через дроссель (Discontinuous Conduction Mode – DCM) – рис. 3б.
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 UOUT, приложенное к нагрузке, складывается из напряжения сети и противо-ЭДС дросселя. Таким образом, сглаживающий конденсатор оказывается заряженным напряжением, превышающим входное напряжение UIN. Если пренебречь потерями в преобразователе, то из условия равенства входной и входной мощности получим формулу для определения выходного напряжения.
UOUT = UIN/(1 – D)
Управление силовыми каскадами
Немного упрощая ситуацию, можно сказать, что существуют 2 основных метода управления силовыми каскадами преобразователей:
При использовании ШИМ выходное напряжение регулируется за счет изменения длительности включенного состояния ключа Q1. Рабочая частота преобразователя при этом остается фиксированной.
Метод tON = 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.
Управление с обратной связью (ОС) по напряжению.
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 tON = 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 RDS(ON) ключей довольно велико, примерно 70–150 мОм, поэтому увеличиваются потери на проводимость.
