Високоефективний підхід до побудови вхідних діодних мостів

  1. синхронне випрямлення
  2. практична реалізація і опис ланцюга
  3. Принцип роботи
  4. Обмежене харчування і ланцюги регулювання виключення
  5. моделювання системи
  6. резистивна навантаження
  7. ємнісна навантаження
  8. Реалізація ІС
  9. Реалізація апаратури
  10. Результати оцінки ефективності
  11. Висновки
  12. література
  13. Про компанію Int. Rectifier

З появою пристроїв електронного урядування в повсякденному житті використовується все менше приладів, безпосередньо підключених до мереж живлення змінної напруги. Як правило, змінна напруга перетвориться в постійне, а останнім використовується для живлення електронних приладів або електродвигунів з перетворювачами, які приходять на зміну старомодним індукційним електродвигунів змінного напруги. Крім того, в тих випадках, коли це можливо, використовується активна, а не пасивна компенсація коефіцієнта потужності (конденсаторна батарея). Це означає, що вхідний діодний міст встановлюється завжди, незалежно від того, використовується в системі каскад PFC чи ні. Поширена схема реалізації цього принципу показана на рис. 1.

Мал. 1. Вхідний змінний струм і випрямлений вихідний сигнал

Така схема має малу ефективністю, оскільки, незалежно від номіналу струму, два пов'язаних діода завжди знаходяться в стані пропускання струму, що викликає постійне випадання сигналу і подальшу втрату потужності в залежності від величини струму.

У багатьох випадках, коли потужність, що подається на вихід, не надто висока, а потужність, що розсіюється на чотирьох діодах, низька, ця конфігурація може залишатися хорошим економічним рішенням.

синхронне випрямлення

Відомо, що до складу МОП-структури входить паразитний діод, включений паралельно польовому транзистору, тому повний міст можна отримати за допомогою чотирьох польових транзисторів, як показано на рис. 2.

Мал. 2. Міст на польових транзисторах

Напруга на контактах стандартного діода становить 0,6 ... 1 В, в залежності від струму, що протікає через нього, і технології, з використанням якої діод виготовлений, і це є основною причиною втрати потужності в мості. Найгірший варіант можливий у разі використання тільки корпусного діода польового транзистора, але якщо запуск цього транзистора здійснюється за допомогою технології синхронного випрямлення, корпусний діод пропускає тільки дуже коротку частину сигналу, в залежності від часу запізнювання керованих польових транзисторів, а основна частина синусоїдального вхідного струму проходить через польові транзистори. Проведемо простий експеримент: розглянемо двохвильовому (повний) випрямний міст і припустимо, що напруга на контактах діода в режимі провідності дорівнює 0,6 В, порівняємо його з активним мостом, що включає чотири польових транзистора з опором RDSON (при температурі 100 ° C) = 10 МОм. Середній вихідний струм системи дорівнює 5 A.

У таблиці 1 наведено порівняння повних ККД двох рішень.

Таблиця 1. Порівняння втрат потужності між стандартним і активним вхідним мостом

РозрахунокРозрахункова втрата потужності, ВтПрим.

Діод 2 x VF x IAVG - RECT 6 Явно вище МОП-транзистори 2 x RDSon x I2 in - rms 0,6 Зниження на ~ 90%

практична реалізація
і опис ланцюга

В даному випадку зрозуміло, що використання потужних польових транзисторів в конфігурації активного моста з керуванням синхронним випрямленням - це спосіб підвищення ефективності і зниження необхідності застосування або повної відмови від застосування дорогої і масивної системи відводу тепла. Використання інтегральних схем (ІС) синхронного випрямлення International Rectifier IR1166 і IR1167 [1] робить реалізацію вкрай простий. Повна схема активного моста показана на рис. 3.

Мал. 3. Практична реалізація активного моста за допомогою 4 дискретних ІС IR1167

Включення-виключення кожного польового транзистора управляється відповідними ІС, що відстежують напруга між відповідним стоком і витоком. Якщо напруга негативне, корпусний діод відкритий, а польовий транзистор включений; коли напруга Vds піднімається до 0 В, ІС відключає транзистор.

Щоб запобігти виникненню короткого замикання між високим і низьким плечем польового транзистора на одному і тому ж контакті, поріг виключення повинен бути негативним і близьким до 0 В. Недолік полягає в тому, що в кінці перемикання струм знову піде через корпусний діод, але протягом дуже короткого часу. За допомогою внутрішньої прецизійної ланцюга здійснюється постійне вимірювання напруги Vds, необхідне для виконання цього завдання. Слід зазначити, що ІС повинна витримувати дуже високу напругу на тих же контактах, якщо польовий транзистор вимкнений, оскільки інший транзистор, з'єднаний з цим же контактом, включений. Технічною проблемою є установка компаратора, здатного виявляти напруги, рівні декільком мілівольтах в одному напівперіоді, а потім витримувати напругу в кілька сотень вольт на тих самих вимірювальних контактах в наступному напівперіоді синусоїди. Цього можна домогтися за допомогою технології IR Gen 5 HVIC, що інтегрує точні і швидкі компоненти низької напруги з пристроями високої напруги і ізолюючими бар'єрами [2].

Принцип роботи

На початку синусоидального циклу починається протікання струму через корпусний діод, що створює негативне напруга Vds на контактах польового транзистора, в цей момент ІС включає польовий транзистор, напруга відпускання на контактах компонента падає до значно нижчого значення, підвищуючи ефективність системи і знижуючи втрати потужності.

Як тільки польовий транзистор включається, його необхідно утримувати в такому стані до наближення випрямленого струму якомога ближче до нульового значення, тому можна використовувати компаратор нульового рівня, щоб визначити момент, коли напруга між стоком і витоком досягне 0 В. З цією метою поріг виключення ІС повинен бути негативним і близьким до нуля, щоб уникнути відносної поперечної провідності і зменшити інтервал провідності корпусного діода в кінці напівперіоду. IR1167 - це ІС синхронного випрямлення, час її внутрішнього виключення становить від наносекунд до мікросекунд, однак під час роботи на частоті мережі живлення необхідно підтримувати як можна більш пологий фронт імпульсу, що гасить, щоб уникнути помилкового спрацьовування вимірювального ланцюга ІС. Фактично через низьку робочої частоти і повільного (синусоїдального) збільшення струму часто з'являється ймовірність того, що після першого включення напруга відпускання польового транзистора майже миттєво впаде нижче порогу виключення, і ІС почне включатися і вимикатися. Цей процес виражається затухаючими прямокутними імпульсами напруги затвора польового транзистора, поки струм не досягне рівня, необхідного для формування напруги відпускання польового транзистора у включеному стані. Подібний брязкіт можна спостерігати в кінці полусінусоіди з тим же невеликим ухилом сигналу струму в момент виключення польового транзистора. Таке функціонування особливо явно помітно при використанні резистивних навантажень і синусоїдального токового сигналу, тоді як у випадку з ємнісний навантаженням ситуація інша, оскільки крива токового сигналу при включенні і виключенні польових транзисторів крутіша, і необхідний більш короткий сигнал виключення. У звичайному режимі роботи кожен напівперіод токового сигналу перемикає в стан провідності два польових транзистора протягом інтервалу, рівного половині частоти мережі живлення (8,3 або 10 мс), брязкіт при включенні або виключенні не виникає. Щоб збільшити тривалість внутрішнього сигналу виключення схеми IR1167, ми включили в вимірювальний контур резистивної-ємнісний ланцюг (RC-ланцюг), яка буде описана в наступному розділі.

Обмежене харчування і ланцюги
регулювання виключення

Як відомо, в кожен напівперіод частоти мережі живлення працюють тільки два польових транзистора, тоді як інші залишаються вимкненими, а відповідні їм діоди з об'ємною провідністю мають зворотним зміщенням. Очевидно, що коли транзистори Q2 і Q4 включені, Q1 і Q3 вимкнені, а обмежує діод D1 допускає накопичення заряду обмежують конденсаторами C1, що живлять пристрої високого плеча IC3; з іншого боку, коли транзистори Q1 і Q3 включені, діод D2 допускає накопичення заряду обмежує конденсатором C2, годує IC4. RC-ланцюг, встановлена ​​між контактами Vgate і Vs кожної ІС, забезпечує більш тривалий сигнал вимикання, необхідний у цій схемі. Це просто похідна ланцюг, яка за допомогою напруги перемикання затвора, що прикладається до контактів транзистора, додає тимчасовий струмовий імпульс через послідовний резистор, встановлений між витоком транзистора і контактами Vs ІС. Результат - штучне підвищення або зниження порогових значень на певний час і, таким чином, продовження часу виключення, яке можна зменшити простим зміною значень трьох компонентів RC-ланцюга. Розглянемо одну з чотирьох секцій, X3, показану на рис. 3. Під час включення напруга затвора лінійно зростає, фронт сигналу, розділений на відрізки, з'являється на опорі R10 з позитивним знаком на противагу контакту Vs. Це перекриває реальне напруга відпускання польових транзисторів і утримує внутрішній компаратор ІС, зображений у верхньому лівому кутку рис. 4, від виключення польового транзистора.

Мал. 4. Електрична модель IR1167

З іншого боку, коли ІС вимикає затвор, виникає спад сигналу з негативним знаком на контакті Vs, ефективно зсувний виміряна напруга і перешкоджає включенню секції на період, який визначається параметрами RC-ланцюга.

моделювання системи

Система реалізована в симуляторі Microcap Simulator, підготовлена ​​спеціалізована модель для ІС IR1167 (див. Рис. 4). Особливу увагу приділено можливості роботи моделі IR1167 з плаваючим заземленням, оскільки опорним сигналом двох верхніх пристроїв схеми має бути змінна напруга мережі живлення, і використання ними потенціалу заземлення неможливо. Параметри моделювання наступні:

Для перевірки функціональності системи і ефективності задуму необхідно виконати кілька спроб моделювання до початку реальної апаратної реалізації.

резистивна навантаження

Перша серія моделей створена з метою порівняння функціонування активного моста з функціонуванням стандартного моста на основі діодів Шотткі, на наступних малюнках будуть показані отримані результати. Міст на основі діодів Шотткі побудований з чотирьох пристроїв MBR10100 в корпусі TO220AB, для побудови активного моста використаний польовий транзистор DirectFet IRF6644 з підтримкою напруги 100 В. На рис. 5 показаний варіант з максимальним навантаженням (5 Ом), з максимальним піковим вихідним струмом 12 A і середньої вихідною потужністю близько всмоктування 360 Вт.

Мал. 5. Rload = 5 Ом, Cout = 0
Верхній: Vin, Vout і Vo, Середній: Vg1, Vg2, Vg3 і Vg4, Нижній: Vo-Vo (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст), Pdiss (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст) - Pdiss (діоди Шотткі )

У цьому випадку ми можемо бачити синусоїдальна вихідна напруга (зелена крива) і струм (світло-блакитна крива), а в центрі відображаються прямокутні імпульси напруги затворів польових транзисторів низького плеча. Також заслуговує на увагу синусоїдальна форма плаваючого напруги затвора МОП-структури, зображеної на середньому графіку, оскільки вона повинна відповідати вхідний синусоїді з позитивним зрушенням, рівним 10,7 В (Vgate).

На третьому графіку показано збільшення потужності при застосуванні активного рішення: синусоїдою чорного кольору показана потужність, що розсіюється чотирма діодами, яка досягає піку 18 Вт, тоді як той же пік активного моста ледь досягає значення 2,25 Вт, різниця середніх значень, показана блакитний кривої, становить приблизно 10 Вт. На малих навантаженнях ситуація може відрізнятися, а більш складна ланцюг може не дати достатнього переваги в порівнянні з простим мостом, побудованим з чотирьох діодів. Однак на рис. 6 наведені цікаві результати.

Мал. 6. Rload = 40 Ом, Cout = 0
Верхній: Vin, Vout і Vo, Середній: Vg1, Vg2, Vg3 і Vg4, Нижній: Vo-Vo (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст), Pdiss (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст) - Pdiss (діоди Шотткі )

В останньому випадку вихідна потужність складає всього 45 Вт, ми також отримали велику різницю з точки зору пікової потужності, що розсіюється, яка становить 0,036 Вт проти 1,6 Вт, а середня різниця значень втрати потужності - близько 1 Вт.

ємнісна навантаження

Ємнісна навантаження є більш реальною для застосування в силовому AC-DC-перетворювачі. На рис. 7 і 8 показані результати моделювання з опором, рівним відповідно 5 ... 40 Ом, а сумарна вихідна ємність дорівнює 1000 мкФ.

Мал. 7. Rload = 5 Ом, Cout = 1000
Верхній: Vin, Vout і Vo, Середній: Vg1, Vg2, Vg3 і Vg4, Нижній: Vo-Vo (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст), Pdiss (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст) - Pdiss (діоди Шотткі )

Мал. 8. Rload = 40 Ом, Cout = 1000
Верхній: Vin, Vout і Vo, Середній: Vg1, Vg2, Vg3 і Vg4, Нижній: Vo-Vo (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст), Pdiss (діоди Шотткі), Pdiss (активний міст) - Pdiss (діоди Шотткі )

Середнє зменшення втрат потужності змінюється з 20% при великому навантаженні (5 Ом) до приблизно 5% при малому навантаженні (40 Ом). Також варто звернути увагу на те, що розмір корпусу діодного моста, побудованого з чотирьох діодів MBR10H100, займає приблизно 580 мм2 площі проти тільки 120 мм 2 в разі використання чотирьох транзисторних схем IRF6644. Таким чином, економія місця становить приблизно 80%.

Реалізація ІС

У пропонованому на рис. 9 контролері на основі активного моста, завдяки технології IR GENS, внутрішні каскади, що запускають два польових транзистора високого плеча Q3 і Q4, можуть бути реалізовані двома роздільними плаваючими епітаксійних кишенями всередині однієї ІС.

Мал. 9. Пропозиція нового контролера активного моста

Для запобігання двох зовнішніх компонентів в схему також можна інтегрувати два обмежують діода. Додаткову RC-ланцюг, яка призначена для захисту від паразитних перемикань, можна замінити окремими блоками регулювання часу вимкнення для кожної секції драйвера, щоб оптимізувати час затримки різних польових транзисторів з різними вимогами навантаження. Надалі кращі польові транзистори IR, що обмежують конденсатори і ІС управління активним мостом можна інтегрувати в одному корпусі, отримавши підвищену питому щільність і забезпечивши реалізацію простого пристрою. Така схема стає високоефективної заміною існуючих стандартних вхідним випрямним доданими мостам.

Реалізація апаратури

Схема створена і протестована в нашій лабораторії. На рис. 10 показаний перший прототип, виготовлений з чотирьох дочірніх плат IRAC-D2.

Мал. 10. Прототип активного моста

На кількох наступних малюнках показані реальні графіки сигналів, отриманих із застосуванням ідеальної резистивного навантаження (наприклад, каскад RFC) і ємнісний навантаження. В кінці розділу ми покажемо значення підвищення ефективності та зменшення втрат потужності в порівнянні зі стандартними мостами, побудованими на основі діодів Шотткі.

На рис. 11 і 12 показано функціонування активного моста з ідеальною резистивним навантаженням. Цікаво відзначити ефект паразитного перемикання сигналу як низького плеча (червона крива), так і високого плеча (блакитна крива) без включення зовнішньої маскує RC-ланцюга.

Мал. 11. Вхідна напруга і випрямлений вихідний струм з ідеальною резистивним навантаженням

Мал. 12. Верхній: вхідний струм, сигнал затвора низького плеча (червоний), сигнал затвора високого плеча (блакитний), нижній: паразитні перемикання сигналів затворів

Ці ситуації показані на рис. 13 і 14, відповідно, в стані включення і виключення затвора польового транзистора низького плеча.

Мал. 13. Паразитні перемикання затвора низького плеча (червоний) під час вимикання

Мал. 14. Паразитне перемикання затвора низького плеча (червоний) під час включення

Після того, як ІС вимикає польовий транзистор, виникають паразитні перемикання, що тривають протягом 90 мкс. Можна легко побачити, що перше коливання відбувається через 15 мкс після закінчення часу внутрішнього сигналу виключення IR1167. Решта коливання відбуваються з однаковою затримкою. Під час включення, навпаки, польовий транзистор не може залишатися у включеному стані більше 3 мкс, і тільки через 280 мкс рівень струму стає досить високим, щоб уникнути коливань. Таким чином, мінімального часу включення (MOT) 3 мкс і мінімального часу виключення 15 мкс (тип.), Закладених в схемі IR1167, недостатньо, щоб уникнути паразитних перемикань, тому через повільне синусоидального зміни струму і тривалого часу виключення додана спеціалізована схема.

Аналогічна проблема, хоча і не настільки очевидна, виникає зі стандартною резистивної-ємнісний навантаженням, оскільки зміна струму відбувається швидше. На рис. 15 і 16 показані всі сигнали затворів з встановленої ланцюгом часу вимикання кожного польового транзистора в порівнянні зі струмом мережі живлення.

Мал. 15. Vg1, Vg2: сигнал затвора Q1 і Q2 і ток мережі живлення під RC-навантаженням R = 22 Ом, C = 470 мкФ

Мал. 16. Vg3, Vg4: сигнал затвора Q2 і Q4 і ток мережі живлення

Результати оцінки ефективності

Щоб упевнитися в ефективності задуму, ми порівняли дві схеми активного моста з різними вхідними напругами 100 і 40 В і різною вихідною потужністю зі стандартними мостами, побудованими на основі діодів Шотткі.

На рис. 17 и рис. 18 показані отримані результати: для побудови системи, розрахованої на напругу 40 В, ми використовували чотири схеми IRF6613 (DirectFet, корпус medium Can) проти четирехсхем SS34 в корпусі SMC; для побудови системи, розрахованої на напругу 100 В, ми використовували чотири схеми IRF6644 (DirectFet, корпус medium Can) проти чотирьох схем MBR10H100 в корпусі TO263.

Мал. 17. Результати ефективності, низький вхідний напруга

Мал. 18. Результати ефективності, середнє вхідна напруга

У випадку, показаному на рис. 17, підвищення ефективності склало 5,5% при вхідній напрузі 20 В і вихідний потужності близько 50 Вт. Причиною є підвищений струм, що протікає через польові транзистори, що демонструють набагато нижчий випадання сигналу, ніж діоди.

При підвищенні вхідної напруги і зниженні вихідного струму підвищення ефективності стає менш помітним, але все ще залишається високим - від 2 до 3%. Три сигналу обмежені за потужністю, щоб знизити піковий струм, що надходить в пристрої на прийнятному робочому рівні в порівнянні з номінальними значеннями Id і If. На рис. 18 підвищення ефективності продемонструвало ту ж тенденцію: при вхідній напрузі 60 В і вихідний потужності 250 Вт струм набагато вище, а підвищення ефективності становить 2%; при напрузі 100 В підвищення ефективності опускається до приблизно 1,1 ... 1,3% в залежності від навантаження. Останній випадок виглядає менш привабливим з точки зору балансу переваг і вартості, однак необхідно пам'ятати, що чотири схеми IRF6644 набагато менше, ніж діоди в корпусі TO263: кожна схема DirectFet займає приблизно на 80% менше площі і на 95% менше обсягу, ніж діоди.

Це рішення поєднує економію простору з більш високою питомою потужністю, найчастіше дозволяє відмовитися від використання потужних теплоотводов.

Висновки

Використання польових транзисторів, а краще транзисторів DirectFET в конфігурації вхідного активного моста (з синхронним управлінням випрямленням) - це спосіб підвищення ефективності та питомої потужності, що дозволяє обійтися без масивної системи відведення тепла. На схемі, зображеної на рис. 3, показано, як зібрати простий полноперіодний вхідний мостовий випрямляч за допомогою пристроїв, доступних на ринку, а на рис. 9 показана нова ІС контролера активного моста.

Як видно з графіків, підвищення ефективності дуже помітно, а переваги можуть відрізнятися в залежності від вихідної потужності:

a) при високому вихідному напрузі підвищення ефективності не представляє особливої ​​важливості, особливо при передачі високих номіналів потужності, але тоді набагато менше розсіювання потужності моста можна використовувати для рішень менших розмірів з мінімальним виділенням тепла;

б) при низькому вихідному напрузі ефективність стає найважливішою відмінністю і для низьких вихідних струмів.

література

[1] М. салат (M. Salato), А. Локхандвала (A. Lokhandwala), М. Солдана (M. Soldano). International Rectifier. AN-1087 Побудова випрямляча вторинного плеча за допомогою ІС управління IR1167 SmartRectifierTM

[2] International Rectifier. Технічний опис ІС управління інтелектуальним випрямлячем IR1167S

[3] Аднаан Локхандвала (Adnaan Lokhandwala), Мауріціо салат (Maurizio Salato), Марко Солдана (Marko Soldano). Конференція розробників портативних джерел живлення 2006. Нова ІС управління випрямленням вихідного сигналу підвищує ефективність і теплові характеристики зовнішніх AC-DC перетворювачів харчування

[4] Заявка на отримання патенту США №2005 / 0122753 A1 від 9 червня 2005 р

Отримання технічної информации, замовлення зразків, поставка - e-mail: [email protected]

ДО УВАГИ ЧИТАЧІВ!

У 11 номері журналу за 2009 рік на стор. 29 допущена помилка.

Назва табл. 2 слід читати: «Характеристики перемикачів».

Перший абзац на сторінці слід читати:

«Texas Instruments пропонує досить збалансовані рішення для застосування в відеосистемах. Баланс полягає в оптимальних, часто - взаимозависящих, технічні характеристики ключів. Наприклад, при досить низькому опорі у включеному стані також забезпечується дуже висока швидкість перемикання. »

Про компанію Int. Rectifier

У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки У 2015 році компанія Infineon придбала компанію International Rectifier, тим самим значно посиливши свої лідируючі позиції в області силової електроніки. ... Читати далі

© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008