Шумахер У. Полупроводниковая электроника

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 132 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

132 3. Силовые полупроводниковые приборы

вичной и вторичной обмотками размагни-

пульсации тока дросселя и выполняет фун-

чивающая обмотка имеет обратную поляр-

кции накопителя энергии при изменении

ность, обозначенную на схеме точками в

нагрузки.

Передаточная

характеристика

начале каждой обмотки. Размагничиваю-

прямоходового

преобразователя описыва-

щая обмотка подключается через диод D3 к

ется следующей формулой:

источнику входного напряжения. Во время

n

T

проводящего состояния транзистора на раз-

магничивающей обмотке наводится такое

V

OUT

=V

IN

1

on

,

n2

T

же напряжение, что и на первичной обмот-

где n1 — количество витков в первичной

ке; таким образом, к диоду D прикладыва-

3

обмотке,

ется обратное напряжение, равное удвоен-

ному напряжению источника.

n2 — количество витков во вторичной

Пока транзистор закрыт, энергия, на-

обмотке.

копленная в сердечнике трансформатора в

Обратноходовой преобразователь

результате протекания намагничивающего

тока, должна быть высвобождена, так что-

Эти преобразователи также имеют кон-

бы ток намагничивания не нарастал до вы-

денсатор CIN на входе, сглаживающий вы-

соких значений, а ферритовый сердечник

прямленное сетевое напряжение и позволя-

не входил в насыщение. Для этого во вто-

ющий использовать источник импульсных

ричной цепи установлен обратный диод D2,

токов с малой индуктивностью. В отличие

через который к дросселю LOUT сглаживаю-

от однофазного прямоходового преобразо-

щего фильтра протекает ток, когда напря-

вателя, в данном преобразователе ток на-

жение на вторичной обмотке спадает до ну-

магничивания не возвращается обратно во

ля или становится отрицательным. На это

входной конденсатор, а переходит в сгла-

время диод D1 отключает цепь протекания

живающий

выходной

конденсатор COUT

тока во вторичной цепи от трансформатора,

(Рис. 3.107).

что позволяет изменять полярность напря-

В простейшем виде обратноходовой пре-

жения на обмотках.

образователь имеет две обмотки с противо-

Теперь ток намагничивания возвращает-

положной полярностью. Когда транзистор

ся через диод D3 и размагничивающую об-

T1 (CoolMOS™) находится во включённом

мотку в сглаживающий входной конденса-

состоянии, напряжение между анодом и ка-

тор. В результате чего к транзистору в ка-

тодом диода D1 имеет отрицательную по-

честве блокирующего напряжения будет

лярность, т.е. ток во вторичной обмотке

приложено удвоенное входное напряжение.

трансформатора отсутствует. Ток намагни-

Размагничивание сердечника трансформа-

чивания протекает по первичной обмотке.

тора будет полным, если площадь под кри-

В обратноходовом преобразователе исполь-

вой напряжения первичной обмотки за вре-

зуется ферритовый сердечник с воздушным

мя размагничивания, по крайней мере, бу-

зазором, в результате чего в обмотках транс-

дет равна соответствующей площади для

форматора протекают значительно б=оль-

проводящего состояния ключевого тран-

шие индуктивные токи, создающие магнит-

зистора. Поэтому длительность открытого

ное поле в воздушном зазоре. Кроме того,

состояния ключевого транзистора однофаз-

когда ключ замкнут, в трансформаторе об-

ного прямоходового преобразователя не

ратноходового преобразователя накаплива-

должна составлять более 50% от периода

ется энергия (преимущественно в воздуш-

коммутации.

ном зазоре).

Сглаживающий дроссель LOUT выходно-

Когда транзистор закрыт, к обмоткам

го фильтра генерирует постоянный поток

приложено обратное напряжение. Напря-

энергии, связанный с током или напряже-

жение на вторичной обмотке возрастает до

нием, которое появляется на вторичной об-

тех пор, пока выпрямительный диод D1 не

мотке трансформатора в течение периода

перейдёт в проводящее состояние, т.е. до

Ton, когда транзистор находится во вклю-

значения выходного напряжения VOUT .

чённом состоянии, и ограничивает ско-

Поскольку магнитный поток в трансформа-

рость нарастания тока в трансформаторе.

торе постоянно изменяется, то, начиная с

Сглаживающий конденсатор COUT, уста-

момента отключения транзистора, во вто-

новленный на выходе схемы, сглаживает

ричной обмотке будет протекать ток, соот-

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 133 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 133

CIN

VIN

D1 IOUT

COUT

VOUT

ROUT

T1

а)

t

Напряжение на первичной обмотке

Ток в первичной обмотке

б)

IOUT
	t
Ton	Toff
	T
Напряжение на вторичной обмотке
Ток во вторичной обмотке

в)

Рис. 3.107. Обратноходовой преобразователь: а — схема; б и в — диаграммы токов и напряжений при трапецеидальной форме тока в обмотках трансформатора.

ветствующий току первичной обмотки, преобразованному с коэффициентом трансформации. По этой причине диод D1 должен проводить ток напрямую к конденсатору COUT, который может принимать большие токи.

Когда транзистор закрыт, приложенное к нему блокирующее напряжение будет равно сумме входного и выходного напряжения, преобразованного в соответствии с коэффициентом трансформации. Обычно

оно немного превышает удвоенное входное напряжение. Рассмотрим отличия процессов в обратноходовых преобразователях с трапецеидальной и пилообразной формой тока в трансформаторе. При трапецеидальном токе (см. Рис. 3.107, б и в) повторное включение транзистора происходит в момент времени, предшествующий спаданию тока во вторичной обмотке до нуля. Важной характеристикой данного режима работы является то, что максимальные значения тока здесь значительно меньше, чем при работе с пилообразным током.

Передаточная характеристика преобразователя при работе с трапецеидальным током выражается следующей формулой:

V OUT =V IN	n2		Ton			1			.
	n
			T		1−	Ton
1

T

Из данного выражения видно, что выходное напряжение VOUT изменяется при изменении коэффициента заполнения импульсов Ton/T. Однако соотношение между выходным напряжением и коэффициентом заполнения импульсов является не линейным, а гиперболическим. Это означает, что выходное напряжение стремится к бесконечности, если коэффициент заполнения приближается к 1. По этой причине обратноходовой преобразователь не должен работать без нагрузки или с разомкнутой петлёй обратной связи, поскольку выходное напряжение, а вместе с ним и блокирующее напряжение, приложенное к транзистору, могут достичь больших значений.

Импульсные источники питания

снесколькими выходными напряжениями

Уимпульсных источников питания, имеющих несколько выходов, одно из выходных напряжений должно быть выбрано в качестве контролируемого параметра, и, как следствие, это напряжение будет стабилизироваться лучше всего (см. Рис. 3.108,

напряжение VOUT1).

Стабилизация остальных напряжений будет менее точной. Поэтому может потребоваться дополнительная стабилизация при помощи линейного стабилизатора (напряжение VOUT3) или вторичного импульсного стабилизатора (напряжение VOUT4).

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 134 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

134 3. Силовые полупроводниковые приборы

		+	ОP	+
	Оптопара			VOUT1
				–

	+	Нестабилизированное	VOUT2
		напряжение
	Последовательный стабилизатор
Схема	+		+
управления		Линейный	VOUT3
		стабилизатор
+
VE		Импульсный преобразователь
SPMOS
		+	VOUT4
	Импульсный
	стабилизатор

Рис. 3.108. Однофазный прямоходовой преобразователь с несколькью различными стабилизируемыми выходными напряжениями.

		INFSEMI_2-Text.fm, стр. 135 из 589 (September 3, 2010, 15:12)
	3.7. Источники питания и устройства электропривода 135
3.7.3. Критерий выбора импульсного		которые рассчитаны различные типы пре-
	источника питания	образователей. В Табл. 3.7 и Табл. 3.8 приве-
		дены схемы, временные диаграммы токов и
	Табл. 3.5 позволяет сравнить прямоходо-	напряжений, а также преимущества и недо-
вой и обратноходовой преобразователи, в		статки различных типов прямоходовых и
Табл. 3.6 приведены уровни мощности, на		обратноходовых преобразователей.

Таблица 3.5. Сравнение прямоходового и обратноходового преобразователей

	Прямоходовой	Обратноходовой
	преобразователь	преобразователь
Количество требуемых компонентов	Больше	Меньше
Сглаживающий дроссель и обратный диод	Требуется	Не применимы
Тип сердечника трансформатора	Без воздушного зазора	С воздушным зазором
Магнитная связь во время переключения	Лучше	Хуже
Перенапряжения при переключении	Меньше	Больше
Чувствительность к воздействию электромаг-	Меньше	Больше
нитных полей
Отношение амплитуды тока к току нагрузки	Значительно меньше	Существенно больше
Импульсные токи в компонентах схемы	Меньше	Больше
Подавление помех и сглаживание входных и вы-	Легко реализуемое	Более дорогое
ходных сигналов в зависимости от типов помех
Регулирование потока энергии производится	изменения интеграла	запасания различных
при помощи изменения коэффициента заполне-	напряжение/время	долей энергии
ния импульсов посредством
Создание нескольких точно регулируемых вто-	Возможно в ограничен-	Возможно с лёгкостью
ричных напряжений постоянного тока путём до-	ном количестве (ток
бавления дополнительных вторичных цепей	дросселя должен быть
	непрерывным)
Динамика регулирования выходных сигналов	Низкая (из-за наличия	Высокая
	сглаживающего дроссе-
	ля)

Таблица 3.6. Диапазоны мощностей различных типов преобразователей

Мощность [Вт]	100	100 … 300	300 … 1000	1000 … 3000	3000
Однофазный обратноходовой преобразователь	•	•
Однофазный прямоходовой преобразователь	•	•
Полумостовой преобразователь		•	•
Мостовой преобразователь		•	•	•	•
Двухтактный преобразователь		•	•	•	•

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 136 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

136 3. Силовые полупроводниковые приборы

Таблица 3.7. Варианты обратноходового преобразователя

№	Принципиальная схема	Тип	Преимущества
1	D1	Обратно-	• Можно одновременно получить
		ходовой пре-	несколько выходных напряжений
	VOUT	образователь	• Большой диапазон регулировки
VIN	COUT		рабочего напряжения (плавное из-
	CIN		менение коэффициента трансфор-
			мации)
	T1

2

Dr

Понижа-

• Номинальное напряжение

ющий преоб-

SIPMOS VDS = VIN

T1

разователь

• Простой дроссель

VIN

VOUT ≤ VIN

• Нет сложностей с магнитной

CIN

D1

COUT

связью

• Низкие перенапряжения

на выходном конденсаторе

• Можно получить коэффициент

заполнения импульсов 100%

3

Dr

D1

Повыша-

• Простой дроссель

ющий преоб-

• Нет сложностей с магнитной

разователь

связью

VIN

CIN

T1

COUT

VOUT ≥ VIN

4			≥	VIN	Повышающе-	• Простой дроссель
					понижающий	• Нет сложностей с магнитной
			VOUT ≥
	T1				преобразова-	связью
			D1		тель
VIN
			VOUT
		Dr
CIN			COUT

	5		Обратно-	Повышающе-понижающий
			ходовой пре-	преобразователь с гальванической
			образователь	развязкой входной и выходной цепи,
	VIN	T1	D1	аналогичный обратноходовому
			VOUT
	CIN			преобразователю на рисунке,
			COUT	приведенном выше

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 137 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 137

		Коэф-т	а) Диаграмма напряжения на транзисторе
	Недостатки	заполн. б) Диаграмма тока во втор. обмотке или в дросселе
		имп.,	в) Диаграмма тока во входном конденсаторе
		Ton/T	г) Диаграмма тока в выходном конденсаторе

• Обычно блокирующее напряжение сило-	0.5
вого транзистора VDS > 2VIN		VIN				0
• Высокие перенапряжения на выходном		0				T	t
конденсаторе и диоде	а)		T	t	в)
• Требуется организация хорошей магнит-						0
ной связи		0					t
• Требуется сердечник с большим попереч-
	б)		T	t	г)	T
ным сечением и воздушным зазором

• Сложности, связанные с сильным элект-	В зависимости от требований используется с
ромагнитным излучением и вихревыми	трапецеидальной формой тока в транзисторе
токами	или первичной обмотке

• Нет гальванической развязки между вхо-	0.5
дом и выходом		VIN				0
• Устройство управления не подключается							t
		0				T
к земле	а)		T	t	в)
						0	t
		0				T
			T
	б)			t	г)

• Блокирующее напряжение силового	0.67
транзистора VDS = VOUT > VIN		VIN			0
• Нет гальванической развязки между вхо-						t
		0			T
дом и выходом	а)		T	t	в)
• Средние перенапряжения на выходном					0
конденсаторе						t
		0			T
			T
	б)			t	г)

• Блокирующее напряжение силового	0.5
транзистора		VIN			0
VDS = VIN + VАOUT						t
		0			T
• Нет гальванической развязки между вхо-	а)		T	t	в)
дом и выходом					0
• Высокие перенапряжения на выходном						t
		0			T
конденсаторе			T
	б)			t	г)
• Устройство управления не подключается
к земле
• Выходное напряжение имеет обратную
полярность по отношению к входному
	0.5
		VIN			0	t
		0			T
			T
	а)			t	в)
					0
		0			T	t
			T
	б)			t	г)
	В зависимости от требований используется с
	треугольной формой тока в транзисторе или
	первичной обмотке

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 138 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

138 3. Силовые полупроводниковые приборы

Таблица 3.8. Варианты прямоходового преобразователя

№	Принципиальная схема			Тип	Преимущества
1	D1	Dr	VOUT	Однофазный	• Не возникает трудно-
				прямоходовой	стей с размагничива-
VIN	D2	COUT		преобразователь	нием сердечника
				Однотранзистор-	• Низкая стоимость
	CIN
				ный прямоходовой
	T1			преобразователь
	D3

2		D1	Dr	VOUT	Двухтактный	• Оба транзистора уп-
					прямоходовой	равляются одним и тем
					преобразователь	же потенциалом
VIN	T1		COUT		с двусторонним
					выпрямителем
CIN	T2	D2			Двухтактный пре-
					образователь

3					Ассимметричный	• Блокирующее напря-
T1	D3				полумостовой	жение SIPMOS
					прямоходовой	VDS = VIN
		D1
VIN			Dr	VOUT преобразователь		• Не возникает трудно-
					Двухтранзистор-	стей с размагничива-
			COUT			нием сердечника
CIN		D2			ный прямоходовой
						• Трансформатор может
					преобразователь
						иметь высокую индук-
D4		T2				тивность рассеяния
4	T1	D1	Dr	VOUT	Симметричный	• Блокирующее напря-
CIN1					полумостовой	жение SIPMOS
					прямоходовой	VDS = VIN
			COUT		преобразователь	• Трансформатор может
VIN						иметь высокую индук-
					Несимметричный
						тивность рассеяния
					двухтактный пре-
		D2			образователь
CIN2	T2
5		D1	Dr	VOUT	Мостовой преоб- • Не возникает трудно-
T1	T2				разователь	стей с размагничива-
						нием сердечника
VIN			COUT			• Низкая стоимость
CIN
		D2
T4		T3

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 139 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 139

		Коэф-т	а) Диаграмма напряжения на транзисторе
	Недостатки	заполн.	б) Диаграмма тока во втор. обмотке или в дросселе
		имп.,	в) Диаграмма тока во входном конденсаторе
		Ton/T	г) Диаграмма тока в выходном конденсаторе

• Блокирующее напряжение силового	0.5
транзистора VDS > 2VЕ		VIN				0	t
• Требуется размагничивающая обмотка	а)	0			в)	T
• Требуется организация хорошей маг-			T
				t
нитной связи между первичной и раз-						0
магничивающей обмотками							t
		0				T
			T	t
	б)				г)

• Блокирующее напряжение силового	0.42(2x)
транзистора VDS > 2VЕ	VIN				0
• Сложности с получением симметрич-							t
		0				T
ности работы ключей	а)		T	t	в)
• Требуется организация хорошей маг-
					0
нитной связи между двумя первичны-		0				T	t
ми обмотками			T	t
	б)				г)
• Опасность одновременного включения
обоих транзисторов
• Требуется драйвер с гальванической	0.5
развязкой		VIN			0
							t
		0				T
	а)		T	t	в)
					0
		0	T			T	t
	б)			t	г)

• Сложности с симметричной работой	0.5
• Опасность одновременного включения		VIN				0
транзисторов одного полумоста							t
		0				T
• Требуется драйвер с гальванической	а)		T		в)
				t
развязкой
						0
		0	T			T	t
	б)			t	г)

• Сложности с симметричной работой	0.42(2x)
• Опасность одновременного включения		VIN				0
транзисторов одного полумоста							t
		0				T
• Требуется драйвер с гальванической	а)		T		в)
				t
развязкой
						0
		0	T			T	t
	б)			t	г)

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 140 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

140 3. Силовые полупроводниковые приборы

3.7.4. ИС для импульсных источников

	питания				Переключение транзистора CoolMOSТМ
	Как и EPCOS, ведущий производитель				при минимуме напряжения
	пассивных	компонентов,		компания
	Infineon предлагает большое разнообразие
	полупроводниковых приборов для импуль-
	сных источников питания. Кроме техни-
	ческой документации, на сайте производи-
	теля в Интернет (http://www.infineon.com)
	можно найти множество информации о
	применении	и	различное	программное	Рис. 3.109. Включение транзистора
	обеспечение.	Также там		представлены
					CoolMOS™ при минимуме напряжения.
	PSPICE-модели дискретных силовых ком-
	понентов и некоторых ИС.				(пакетный режим) для минимизации пот-
	С точки зрения надёжности, качества,
					ребляемого тока в дежурном режиме.
	характеристик и цены, ИС с их современ-
					Эти приборы идеально подходят для уст-
	ными методами		коммутации, высокой
					ройств бытовой электроники (Рис. 3.110), а
	сложностью и компактными размерами на-
					также для стандартных источников питания
	много превосходят решения на дискретных
					мощностью до 300 Вт .
	компонентах. Кроме того, они позволяют
	упростить конструкцию импульсных источ-				Микросхема и MOSFET
	ников питания. Снижается стоимость раз-
	работки, и даже малые объёмы производ-				управления
	ства становятся рентабельными.
	В зависимости от конкретного примене-
	ния и типа преобразователя существуют
	различные ИС драйверов импульсных ис-
	точников питания.				CooISETTM

Микросхемы несинхронизированных драйверов

Микросхемы TDA4605-3, TDA16846 и ICE1QS01 идеально подходят для импульсных источников питания с квазирезонансным обратноходовым преобразователем.

При данной топологии обеспечивается включение транзистора (CoolMOS™) при минимальном резонансном напряжении, которое приложено к его стоку в закрытом состоянии (см. Рис. 3.109), что снижает потери при переключении и уменьшает высокочастотные помехи.

Рабочая частота схемы зависит от нагрузки, что приводит к расширению спектра помех.

Микросхема имеет множество встроенных функций защиты и может управляться с помощью оптопары в цепи обратной связи по выходному напряжению или, если требования по стабилизации напряжения более низкие, используется связь по входному напряжению. В частности, ICE1QS01 имеет чрезвычайно эффективную схему

Рис. 3.110. Микросхема CoolSET™ в DVDпроигрывателе.

Микросхемы драйверов, работающие на постоянной частоте

Микросхемы драйверов, работающие на постоянной частоте переключения (ICE2A(B)S01, ICE3DS01, TDA16850 и TDA16888), подходят для использования в зарядных устройствах, AC/DC-адаптерах (ЖК-мониторы, принтеры и т.д.), мониторах, маломощной бытовой электронике, а также в блоках питания персональных компьютеров и в промышленной электронике. Они лучше всего подходят для обратноходовых преобразователей, но TDA16888 может применяться и в прямоходовых преобразователях. В них оптимизированы функции защиты. Даже ICE2A(B)S01 имеет превосходные параметры по энергопотреблению в дежурном режиме. ICE3DS01 в

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 141 из 589 (September 3, 2010, 15:12)

3.7. Источники питания и устройства электропривода 141

дежурном режиме потребляет менее 100 мВт и удовлетворяет всем международным нормам по энергосбережению.

TDA16888 находится на особом положении: кроме драйвера импульсного источника питания она также имеет встроенный драйвер корректора коэффициента мощности (см. также раздел 3.7.5).

Микросхемы драйверов, работающие на постоянной частоте, со встроенным транзистором CoolMOS™

Для уменьшения количества компонентов и размера печатной платы, а также для упрощения конструкции импульсных источников питания предлагается инновационное семейство приборов CoolSET™, сочетающих функциональные возможности драйвера ICE2A(B)S01 и транзистора CoolMOS™ и выполненных в одном корпусе типа DIP-8 или TO-220.

Преимуществом двухкристальной конструкции являются оптимизированные технологии изготовления драйвера и силового транзистора. В отличие от монолитных решений, здесь отсутствует взаимное влияние кристаллов друг на друга. Низкое сопротивление ключевого транзистора CoolMOS™ в открытом состоянии (см. подраздел 3.7.8) позволяет использовать эти ИС в корпусе типа DIP-8 без дополнитель-

ного теплоотвода в источниках питания мощностью до 67 Вт. Вариант в корпусе TO-220 является полностью изолированным, т.е. устройство может быть непосредственно закреплено на теплоотводе (см. Рис. 3.111). Для изготовления этой ИС используется технология «кристалл на кристалле», обеспечивающая наименьшее возможное сопротивление транзистора CoolMOS™ в открытом состоянии.

Управляющий

кристалл

Транзистор CoolMOS

Изоляция GND Выводная рамка

соединена с землёй

Корпус TO-220-6 ISOdrain — изолированный корпус

с низким тепловым сопротивлением

Рис. 3.111. Структура микросхемы CoolSET™

визолированном корпусе TO-220.

ВТабл. 3.9 приведён список выпускаемых ИС семейства CoolSET™.

Таблица 3.9. Обзор микросхем семейства CoolSETTM

Тип			V	DS	[В]	f	раб	[кГц]	R	DS(on)	[Ом]	P	1)	[Вт]			Тип корпуса
													ВЫХ(макс)
ICE2A0565				650			100			6.0			13				P-DIP-8-6
ICE2A05656Z										6.0			13				P-DIP-7-1
ICE2A165										3.0			18				P-DIP-8-6
ICE2A265										1.0			32				P-DIP-8-6
ICE2A365										0.5			45				P-DIP-8-6
ICE2A765P										0.5			130				P-TO220-6 ISO
ICE2B0565				650				67		6.0			13				P-DIP-8-6
ICE2B165										3.0			18				P-DIP-8-6
ICE2B265										1.0			32				P-DIP-8-6
ICE2B365										0.5			45				P-DIP-8-6
ICE2B765P										0.5			130				P-TO220-6 ISO
ICE2A180Z				800			100			3.0			17				P-DIP-7-1
ICE2A280Z										0.8			31				P-DIP-7-1
1) При R	th	= 56 К/Вт (площадь теплоотвода ~ 6 см2), T = +75°C, T = +125°C, V													IN	= 85…270 В.
											a		j