Для преобразователей напряжения DC/DC или AC/DC, преобразователей частоты AC/AC и генераторов частоты DC/AC применяются несколько топологий выходного каскада электронного ключа. Его выполняют на биполярных или полевых транзисторах, в основном Mosfet, либо комбинированных IGBT-транзисторах. Существует обратноходовая и прямоходовая схема включения трансформатора преобразователя, также полумостовая или мостовая схема подключения пар транзисторов. Каждая топология имеет свои преимущества и недостатки, их то и рассмотрим в данной статье.
Свойства прямоходовой и обратноходовой топологии
Основным отличием прямо- и обратноходовой схемы импульсного трансформаторного преобразователя является противоположность полярностей вторичных обмоток. И не только (!), подробности рассмотрим ниже. Следовательно, если первичная обмотка в обоих случаях подключена началом витков к плюсовой шине питания, а конец их к электронному ключу:
· В прямоходовой топологии — начало витков, через диоды к плюсовой шине питания вторичного напряжения;
· В обратноходовой — начало к минусовой шине, конец на плюс, через диод.
Естественно, диоды могут быть подключены и по другому. Вот пример их топологии.
Теперь немного о свойствах выходного напряжения обоих схем, то о чём предупреждалось выше. Если в прямоходовой конвертация первого импульса идёт примерно с коэффициэнтом трансформации с обратной пропорциональностью КПД, то выпрямленный импульс обратноходового каскада в несколько раз будет превышать пропорцию потенциалов. Об этом хорошо продемонстрировано здесь.
Поэтому в прямоходовой запас допустимого напряжения не так котегоричен, чем в обратноходовой. Особенно, если дело обстоит с диодами Шоттки, которые после пробоя не восстанавливаются. Может вы сталкивались с выходом из строя диода импульсного преобразователя? Это причина связана с особенностью работы обратноходовой топологии.
Величина амплитуды выброса зависит от индуктивности трансформатора. Конденсатор фильтра гасит его пик. Поэтому лучше, если производитель не пожалеет качественного конденсатора с палладиевой пастой или платиной, подключенного параллельно оксидному «электролиту». Впрочем, всё-ровно, активный фильтр в схему с обратноходовой топологией лучше поставить. Для прямоходовой — достаточно пассивного индуктивного фильтра, даже стабилизацию можно не вводить.
Ещё есть один момент — схема выпрямителя может быть синхронной. С электронным ключом. В этом случае, если выходное напряжение низкое, то полевые транзисторы Mosfet на практике покажут значительно меньшую потерю мощности, чем даже высокоэффективные диоды Шоттки. К примеру, при выходном напряжении 3,3В на 20А диоды могут рассеивать 7 – 10Вт, тогда как транзистор IRL2910 – около 1 Вт, даже теплоотвод ему не понадобиться.
Такие схемы с электронными синхронными выпрямителями (функциональные) показаны ниже. Обратноходовая топология здесь уже требует дополнительного трансформатора, при задействовании гальванической развязки.
Если выпрямляемое напряжение составляет десятки или сотни вольт, то можно применить в обратной связи оптопары. При низких напряжениях это будет сделать сложнее, так как их порог включения, обычно, составляет 1,2 В, но может доходить до 6В (в оптотирристорах).
Итак, считается, что обратноходовая топология дешевле, за счёт минимума радиодеталей. Но, если учесть, что необходима коррекция устранения помех и других «косяков», то будет наоборот. Также и КПД, в прямоходовой топологии можно добиться лучших результатов, если сделать правильные расчёты. В любом случае, по уровню импульсных помех, как в первичной обмотке, так и во вторичной, прямоходовая лидирует меньшими значениями.
Мостовая или полумостовая
Кроме схем с транзисторным ключом или ключами в одном плече, есть двухплечевые полумостовые и мостовые, также с косым мостом. Их функциональные схемы изображены на этой картинке.
Применение мостовых схем оправдано, если требуется значительная мощность преобразования. Это касается таких приборов, как:
· Мощные блоки питания;
· Частотные преобразователи для асинхронных двигателей;
· Сварочные аппараты;
· Пуско-зарядные устройства и пр.
Полумост и косой мост содержит только 2 транзисторных ключа, тогда как мост — 4. Естественно и система ими управляющая будет сложнее. Наверное поэтому, считается, что раз полумост или косой мост содержит меньше деталей и дешевле, то он хуже. Я сам видел, как электронщик, глянув на модуль раскрытого китайского сварочного аппарата с пренебрежением обозвал его нехорошим словом только из-за того, что там не было полноценного моста, но было всего 2 мощных транзистора.
Я же, например, считаю, что полумост для сварочного аппарата лучше, чем мост. Вероятно, производители аппаратов «Кедр» тоже так считают, раз применили полумостовую схему, хотя в качестве ключа не пожалели аж 4 IGBT-транзистора (всего 8). Но почему же мост хуже. Да всё дело в том, что в мостовой топологии на первичную обмотку подаётся вдвое большее напряжение, чем у полумоста, зато там вдвое больший ток.
Исходя их этого, трансформатор полумоста реже пробивается и надёжнее работает, даже когда среда его обитания сырая. Тоже и с транзисторами, в мосте больше всяких ёмкостных паразитных связей, да и помех он больше излучает. Также драйвер моста сложнее и чаще выходит из строя. Считается, что мостовая топология более экономичная, но на практике, скорее всего, наоборот.
А вот для частотных преобразователей — мост лучше полумосста. Хотя я мало их «курожил», так что полумостов даже в дешёвых «цацках» не наблюдал. Всё дело в том, что нагрузка частотников — электродвигатели, имеет большую индуктивность. Поэтому реактивная мощность будет оказывать негативное воздействие на ключи. Поэтому их стараются сделать более надёжными.
Но всё-же: полумост в частотных преобразователях не применяют не из-за этого. Одним из элементов его схемы являются конденсаторы, которые имеют разное реактивное сопротивление (эквивалентное) на разных частотах. Мост в этом плане работает более надёжно. Впрочем, двухтактный каскад или «косой мост», по идее, должен работать ещё лучше и эффективнее. Жаль в аппаратуре я их мало где встречал, разве что на схемах, хотя их топологии имеют минимальное количество деталей и очень эффективные.
Кратко о транзисторах
Хорошие результаты в преобразователях показывают биполярные транзисторы. Они очень устойчивые и могут даже восстанавливаться после электрического пробоя, если, при этом, не успели подгореть. Но в мощных системах их применение неэффективно, требуется большая мощность управления. Да и её рассеивание на самом приборе неоправданно большое.
Полевые же транзисторы Mosfet показывают почти идеальные результаты, особенно в преобразователях с малым входным напряжением. Но есть и недостатки, электрический пробой устройства приводит к повреждению. А самое опасное, так это свойство, когда резким изменением потенциалов, Mosfet-транзистор может перейти в неуправляемое состояние. Причём с открытым каналом силовой цепи.
А вот комбинированные IGBT-транзисторы состоят из:
· Полевой части на управляющем входе;
· Биполярного транзистора — в силовой цепи.
Такая структура позволяет им устойчивее работать в мощных сварочных аппаратах, зарядных устройствах для транспортных аккумуляторов и в частотных преобразователях для асинхронных электродвигателей.
