29 июня 2023 г.
Данная статья является переводом [1].
Двухтактный преобразователь стал популярной топологией для создания изолированных источников питания мощностью от 1 Вт до 10 Вт. Эта топология применяется вместе с цифровыми изоляторами, изолированными усилителями, изолированными АЦП, изолированными интерфейсами (CAN, RS-485) и изолированными драйверами полевых транзисторов.
Рисунок 1 - Двухтактный преобразователь
Популярность двухтактного преобразователя обусловлена его простотой в эксплуатации, низким уровнем электромагнитных помех, низкими импульсными токами, высокой эффективностью, высокой помехоустойчивостью и низкой стоимостью [2]. Возможно спроектировать изолированную двухполярную шину питания всего на нескольких дискретных компонентах: два силовых ключа, трансформатор с отводом от середины и выпрямитель на паре диодов. Поскольку это топология с прямой связью, ей не требуется обратная связь с гальванической развязкой оптопарой и, следовательно, нет проблем со стабильностью контура.
Двухтактный преобразователь имеет много преимуществ, но одной из его основных проблем является возможность насыщения трансформатора. Для такого типа преобразователей важно согласование между двумя рабочими фазами, чтобы избежать накопления магнитного потока в сердечнике. Насыщение трансформатора может привести к экспоненциальному увеличению тока первичной обмотки, что может привести к повреждению схемы. В этой статье описываются вероятные сценарии, которые могут вызвать насыщение трансформатора в двухтактных преобразователях, а также явления, которые могут смягчить или предотвратить насыщение трансформатора.
В двухтактном преобразователе, показанном на рисунке 1, полевые транзисторы Q1 и Q2 имеют одинаковую мощность возбуждения и включаются на одно и то же время (T) в чередующихся циклах. Две первичные обмотки намотаны так, что поток, создаваемый открытым Q1, точно равен и противоположен потоку, создаваемому открытым Q2. Нарастание потока в каждой фазе (∆B) пропорционально напряжению, приложенному к первичной обмотке трансформатора (V), и времени T, на которое приложено напряжение. Когда все компоненты полностью согласованы, поток в сердечнике трансформатора работает в двух квадрантах вокруг нуля, как показано на рис. 2. Благодаря точной компенсации потока в двух фазах преобразователь работает в установившемся режиме без непрерывного нарастания потока. Ток намагничивания (Im) соответственно меняется по треугольному закону вокруг нуля.
Рисунок 2 - Магнитный поток в трансформаторе и ток подмагничивания Im
Если есть несоответствие между двумя фазами работы, например, когда приложенное напряжение отличается или продолжительность времени различна, накопление потока в трансформаторе в одном цикле не полностью компенсируется в другом цикле. Это оставляет небольшой остаточный поток после одного полного периода работы, который со временем будет медленно нарастать, и в конечном итоге приведет трансформатор в область насыщения (рис. 3). Im накапливается либо в положительной, либо в отрицательной области в зависимости от полярности рассогласования. В области насыщения ток через первичную обмотку трансформатора может резко увеличиться, что может привести к необратимым повреждениям транзисторов, трансформатора или драйвера.
Рисунок 3 - Нарастание магнитного потока и рост Im из-за рассогласования
В отличие от модели, реальный двухтактный преобразователь всегда имеет некоторые несоответствия в параметрах компонентов. И даже малейшее различие может со временем привести к значительному увеличению потока. Означает ли это, что двухтактный преобразователь всегда будет насыщаться? Нет.
Отрицательная обратная связь на сопротивлении открытого канала (RON) Q1 и Q2, ограничение тока и рассеивание тока Im в нагрузке в течение мертвого времени могут предотвратить насыщение трансформатора. Использование этих методов и их влияние описаны ниже.
Как показано на рисунке 3, при наличии разбаланса потоков ток Im в одной фазе больше, чем в другой. Фаза, в которой протекает больший ток, имеет более высокое падение на сопротивлении открытого канала (RON) полевого транзистора, что немного снижает подводимое на трансформатор напряжение в этой фазе. Следовательно создается поток меньшей величины, что снижает ток Im. Если рассогласование в преобразователе невелико, этой отрицательной обратной связи достаточно, чтобы удерживать преобразователь в устойчивом равновесии.
Однако, в зависимости от значений RON и Im, эта отрицательная обратная связь может быть не в состоянии компенсировать рассогласования преобразователя. Например, если входное напряжение (VIN) составляет 5 В, пик Im составляет 100 мА, а RON полевого транзистора составляет 1 Ом, то максимальная отрицательная обратная связь, которую может обеспечить RON полевого транзистора, составляет 100 мА × 1 Ом = 100 мВ на 5 В, что составляет 2%. То есть RON может компенсировать до 2% несоответствий (вызванных, например, несовпадением по времени между двумя фазами). Этих 2% компенсации достаточно для предотвращения насыщения в большинстве случаев. Однако, если RON полевого транзистора составляет всего 0,25 Ом, то отрицательная обратная связь может компенсировать только 0,5% рассогласований, чего может быть недостаточно для предотвращения насыщения.
Этот приблизительный анализ полезен для понимания степени несоответствия, которую может компенсировать отрицательная обратная связь на сопротивлении канала полевого транзистора. Для мощных преобразователей, в которых RON полевого транзистора имеет низкое значение, этой отрицательной обратной связи может быть недостаточно для предотвращения насыщения трансформатора.
Существует другой метод предотвращения насыщения трансформатора - поцикловое ограничение тока, при котором отслеживается ток через полевые транзисторы для каждого цикла. Если ток превышает безопасный предел (обычно устанавливается в два-три раза больше рабочего диапазона тока), цикл завершается. Хоть ограничение тока и может дать надежную защиту от насыщения, такой подход может вызвать бОльшие потери мощности, поскольку пиковые токи в преобразователе могут достигать более высокого значения, чем требуется. Негативное влияние на КПД выше при малых нагрузках, так как отсутствие тока нагрузки означает, что для достижения током Im предельного значения он должен вырасти до довольно больших значений. На рис. 4 показана работа этого метода, где ток Im не может превысить установленное ограничение.
Рисунок 4 - Ограничение тока предотвращает накопление Im до небезопасного уровня
Для предотвращения сквозных токов двухтактные преобразователи всегда имеют определенное мертвое время (dead time) - паузу между двумя фазами. В это время оба транзистора выключены.
На рисунке 5 индуктивность намагничивания представлена как Lm. Ток через Lm равен Im. Поскольку оба транзистора Q1 и Q2 выключены в течение мертвого времени, Im через индуктивность приводит к нарастанию напряжения на стоке либо Q1, либо Q2, что влечет за собой смещение в прямом направлении либо диода D1, либо диода D2. Конкретный вариант пути тока зависит от полярности Im в начале мертвого времени. На вторичной стороне появляется напряжение, что уменьшает поток в сердечнике. Другими словами, Im может "рассеивается в нагрузке" через диоды вторичной стороны D1 или D2 во время мертвого времени. Ток, протекающий через диоды, прекращается, когда Im (и, следовательно, поток в сердечнике) достигает нуля.
Рисунок 5 - Рассеивание тока Im в нагрузке
Если общее мертвое время в процентах от времени включения T больше процентного несоответствия потока двух фаз, то поток всегда будет уменьшаться до нуля в течение мертвого времени. Двухтактный преобразователь теперь работает в одном квадранте, как показано на рис. 6. Если в установившемся режиме увеличенный поток, развиваемый в одной фазе (∆B1), по сравнению с другой фазой (∆B2), вызывает положительный Im в конце полного цикла, то этот положительный Im рассеивается в нагрузке в течение мертвого времени (∆B3 и ∆B4) до тех пор, пока поток и Im не упадут до нуля. Как показано на рисунке 6, Im не накапливается бесконечно и достигает устойчивого состояния, при котором остается положительным. Точно так же, если несоответствие приводит к отрицательному Im в конце двух фаз, Im достигнет устойчивого состояния с отрицательным Im.
Рисунок 6 - Магнитный поток и Im остаются стабильными, несмотря на рассогласование, уменьшаясь до нуля в течение мертвого времени (DT)
Мы проверили влияние мертвого времени на работу двухтактного преобразователя на базе SN6505B [3], преднамеренно добавив рассогласование по времени между двумя фазами. Без рассогласования время включения каждой фазы составляло 625 нс. Введение несоответствия для смещения двух времен включения (T1 и T2) вплоть до 540 нс и 710 нс составило общее несоответствие в 170 нс. Затем проводился расчет КПД преобразователя и наблюдались выбросы на коммутационном узле, чтобы зафиксировать момент насыщения трансформатора. Внезапное увеличение Im проявится как точка перегиба на графике КПД преобразователя и приведет к выбросам на стоках.
Общее встроенное мертвое время для SN6505B составляет 160 нс (80 нс на каждую рабочую фазу). На рис. 7 показана зависимость КПД преобразователя от тока нагрузки при увеличении рассогласования фаз с 90 нс до 170 нс. На рис. 8 показаны узлы переключения (стоки Q1 и Q2) для трех значений рассогласования: 150 нс, 160 нс и 170 нс. Как видно из этих двух рисунков, кривые КПД преобразователя и выбросы на коммутационных узлах показывают точку перегиба, когда рассогласование составляет от 150 до 160 нс, что близко к общему мертвому времени в SN6505B и Im. Эти результаты измерений подтверждают результаты анализа, проведенного в предыдущем разделе, и доказывают, что рассогласование времени рабочих фаз вплоть до величины мертвого времени не приводят к насыщению двухтактного преобразователя.
Рисунок 7 - КПД в зависимости от тока нагрузки для различных значений времени включения T1 и T2
Рисунок 8 - Выбросы на коммутационном узле для разных значений времени включения T1 и T2
Результаты также показывают, что SN6505B способен оставаться стабильным, не насыщая трансформатор даже при добавленных 10-12% рассогласованности. Этот процент несоответствия намного выше, чем тот, который обычно присутствует в двухтактных преобразователях (от 2% до 3%). Для дополнительной защиты SN6505B также имеет встроенное ограничение тока.
Рассеивание потока в нагрузке во время мертвого времени между циклами очень эффективно для предотвращения насыщения трансформатора в случае, когда несоответствия рабочих фаз меньше величины мертвого времени. Изолированные источники питания, разработанные с использованием SN6505B, не насыщаются, поэтому остаются стабильными при наличии даже больших несоответствий.