Особенности преобразователя с активным ограничением напряжения

В статье рассмотрен способ размагничивания сердечника с помощью активного ограничения напряжения.

Ключевые слова: низковольтный источник питания, преобразователь постоянного напряжения, активное ограничение напряжения.

Преобразователи напряжения с активным сбросом используется производителями электроники. В русскоязычной литературе по проектированию их особенностям уделяется недостаточно внимания. Статья будет полезна отечественным разработчикам.

Прямоходовой преобразователь

Рис. 1. Временные диаграммы работы forward-преобразователя

Пусть ШИМ управляет основным ключом Q1 (рис. 1), тогда на временных диаграммах можно увидеть формы напряжения на затворе V _з-и , тока в первичной обмотке I _Np и тока подмагничивания трансформатора I _Lm , который будет возрастать. Чтобы не допустить насыщения сердечника трансформатора, необходимо уменьшить ток подмагничивания до нуля или первоначального значения до начала следующего цикла. Это можно сделать подачей на первичную обмотку обратного напряжения — например, через конденсатор.

Активное ограничение напряжения

Рис. 2. Временные диаграммы работы forward-преобразователя с активным ограничением напряжения

Для отключения конденсатора при замкнутом ключе Q1 нужен дополнительный ключ Q2 (рис.2). Перед повторным включением ключа Q1 нужно открыть ключ Q2, чтобы не разряжать конденсатор через ключ Q1. Таким образом, работа переключателя сброса Q2 будет заключаться в том, чтобы он замыкался сразу после размыкания ключа Q1. Затем он размыкается перед тем, как ключ Q1 снова будет замкнут для следующего цикла.

Рассмотрим временные диаграммы работы элементов преобразователя напряжения с активным ограничением подробнее (рис. 3). Серым цветом на графиках выделены этапы преобразования и приведено описание процессов каждого этапа.

Рис. 3. Временные диаграммы работы элементов преобразователя напряжения с активным сбросом

Преобразование напряжения происходит, когда включен основной ключ Q1. Полярность напряжения на первичной обмотке трансформатора обозначена плюсом и минусом. В это время напряжение на вторичной обмотке положительное, диод D2 открыт, энергия поступает на LC-фильтр и в нагрузку. Одновременно в первичной обмотке нарастает ток намагничивания, как показано на нижней диаграмме красной пунктирной линией. Синяя линия на нижней диаграмме — ток конденсатора или ток ключа Q2. В это время он разомкнут, поэтому на синей линии ток равен нулю.

Поскольку ток намагничивания будет суммой токов через Q1, когда он замкнут, и тока конденсатора Сс, когда Q2 замкнут, диаграмма тока намагничивания в первичной обмотке трансформатора имеет вид треугольника, наклон сторон которого определяется величинами токов ключей Q1 (ток намагничивания) и Q2 (ток размагничивания). Ключ Q2 включается сразу после выключения ключа Q1.

Из-за влияния индуктивности дросселя L1 ток подмагничивания будет продолжать течь в том же направлении. Когда Q1 выключается, ток подмагничивания будет течь через Q2 с такой же величиной. Под действием энергии, накопленной в конденсаторе активного ограничения (клампа) Сс, изменяется полярность напряжения на индуктивности подмагничивания (рис. 4), ток потечет в обратном направлении, напряжение на первичной обмотке будет равно Vin, деленное на 1 минус D. Наклон тока подмагничивания изменится с положительного на отрицательный.

Напряжение стока ключа Q1 в это время равно напряжению конденсатора, ток протекает через конденсатор Сс. Напряжение конденсатора почти не меняется, поэтому одинаково и обратное напряжение размагничивания, полярность та же. Ток подмагничивания уменьшается до 0 и дальше, при этом полярность индуктивности подмагничивания не меняется, напряжение на конденсаторе тоже не меняется, значит, ток через конденсатор начнет течь вверх через индуктивность подмагничивания обратно в источник, одновременно сбрасывая энергию, накопленную в трансформаторе.

Рис. 5. Временные диаграммы размагничивания сердечника, часть 2

В результате энергия индуктивности подмагничивания захватывается конденсатором Сс и заряжает его до напряжения, превосходящее входное, а в следующем цикле он возвращает эту энергию обратно в источник. Далее процесс повторяется (рис.5).

В рассмотренном материале не учтены эффект Миллера, влияния реактивных сопротивлений выводов элементов и соединительных проводников. Поиски способов улучшения топологий преобразователей напряжения с активным ограничением будут направлением дальнейших исследований.

Литература:

1. Bob B. Active clamp resets transformer in converters. Power Electronics Technology, 2004, January.