Srovnání mezi polomůstkovým rezonančním měničem a polomůstkovým Flyback měničem

Srovnání mezi polomůstkovým rezonančním měničem a polomůstkovým Flyback měničem

S vývojem spínaných zdrojů byla široce vyvinuta a aplikována technologie měkkého přepínání a bylo studováno mnoho vysoce účinných topologií obvodů, zejména měkké přepínací topologie typu PFM a měkké přepínací topologie typu PWM.

V posledních letech s rozšířenou aplikací polovodičového zařízení třetí generace GAN a neustálým vývojem napájecích zdrojů PD to poskytlo další příležitost pro vývoj výkonových měničů. U polomůstkových měničů, je-li správně navrženo, lze dosáhnout měkké spínací konverze, takže spínaný zdroj má vyšší účinnost a značně zmenšuje velikost zdroje.

1 Princip činnosti dvou měničů

1.1 Half-bridge flyback převodník

Obrázek 1 a obrázek 2 znázorňují schéma zapojení a pracovní průběh polomůstkového flyback převodníku.

Obrázek 1 obsahuje dva komplementární řízené výkonové MOSFETy (SI a S2), kde pracovní cyklus S1 je D a pracovní cyklus S2 je (1-D); stejnosměrný blokovací kondenzátor Cr, jehož napětí se při zapnutí S2 používá jako napájecí zdroj; transformátor Tr, jehož primární závity jsou Np a sekundární závity jsou Ns; výstupní usměrňovací diodu Dl; výstupní filtrační kondenzátor Cout; a výstupní usměrňovací trubice špičkové absorpční odpory a kondenzátory R1 a C1.

Jak je patrné ze schematického diagramu, primární část polomůstkového flyback měniče je stejná jako tradiční asymetrický polomůstkový (AHB) měnič a sekundární část je stejná jako flyback měniče. Princip činnosti v ustáleném stavu polomůstkového zpětného měniče je následující.

1) Když je S1 zapnuto a S2 je vypnuto, primární strana transformátoru je vystavena propustnému napětí a sekundární strana Ns nefunguje; dioda D1 je odpojena; transformátor ukládá energii;

2) Když je S2 zapnuto a S1 je vypnuto, napětí na DC blokovacím kondenzátoru Cr se přivede na primární stranu transformátoru, sekundární strana Ns2 funguje a dioda D1 se rozsvítí.

Na obrázku 2 je n1=Np/Ns a n1=n. Analýzou obvodu lze získat výpočetní vzorec pro pracovní cyklus D polomůstkového flyback měniče:

Rezonanční měnič s polovičním můstkem se běžně označuje jako rezonanční měnič LLC. Obrázky 3 a 4 ukazují schéma zapojení a provozní průběh polomůstkového rezonančního měniče.

Na obrázku 3 jsou dva výkonové MOSFETy (S1 a S2), z nichž oba mají pracovní cyklus 0,5; rezonanční kondenzátor Cr, středový transformátor Tr se stejnými závity na sekundární straně, svodovou indukčností Lk Tr a budicí indukčností Lm. Lm je také rezonanční induktor v určitém časovém období. Proto jsou rezonanční prvky v polomůstkovém rezonančním měniči převážně složeny z výše uvedených tří rezonančních prvků, jmenovitě rezonančního kondenzátoru Cr, induktoru Lk a budícího induktoru Lm; polomůstkové celovlnné usměrňovací diody D1 a D2 a výstupní kondenzátor Cout.

1)〔t1, t2〕Když t=t1, S2 je vypnutý a rezonanční proud vybíjí parazitní kapacitu S1, dokud napětí na S1 není nulové, a pak se rozsvítí tělesová dioda S1. V této fázi se zapne D1 a napětí na Lm je sevřeno výstupním napětím, takže rezonance se účastní pouze Lk a Cr.

2)〔t2, t3〕Když t=t2, S1 se zapne za podmínek nulového napětí a primární strana transformátoru je vystavena propustnému napětí; D1 je nadále zapnutý a S2 a D2 jsou vypnuty. V tomto okamžiku se Cr a Lk účastní rezonance, zatímco Lm se neúčastní rezonance.

3)〔t3, t4〕Když t=t3, S1 je stále zapnutý, zatímco D1 a D2 jsou ve vypnutém stavu a sekundární strana Tr je odpojena od obvodu. V tomto okamžiku se Lm, Lk a Cr účastní rezonance společně. Ve skutečném obvodu je Lm mnohem větší než Lk, takže lze uvažovat, že budicí proud a rezonanční proud zůstávají v této fázi nezměněny.

4)〔t4, t5〕Když t=t4, S1 se vypne a rezonanční proud vybíjí parazitní kapacitu S2, dokud napětí na S2 není nulové, a pak se rozsvítí dioda těla S2. V této fázi se zapne D2 a napětí na Lm je sevřeno výstupním napětím. Na rezonanci se tedy podílí pouze Lk a Cr.

5)〔t5, t6〕Když t=t5, S2 se zapne za podmínek nulového napětí a primární strana Tr je vystavena zpětnému napětí; D2 je nadále zapnutý, zatímco S1 a D1 jsou vypnuté. V tomto okamžiku se rezonance účastní pouze Cr a Lk a napětí na Lm je sevřeno výstupním napětím a neúčastní se rezonance.

6)〔t6, t7〕Když t=t6, S2 je stále zapnutý, zatímco D1 a D2 jsou ve vypnutém stavu a sekundární strana Tr je odpojena od obvodu. V tomto okamžiku se Lm, Lk a Cr účastní rezonance společně. Ve skutečném obvodu je Lm mnohem větší než Lk. Proto lze uvažovat, že budicí proud a rezonanční proud zůstávají v této fázi nezměněny.

Prostřednictvím výše uvedené podrobné analýzy jsme do jisté míry porozuměli pracovním principům a charakteristikám těchto dvou typů měničů s měkkým spínáním. Následující text porovná rozdíly mezi nimi, abychom je dále prohloubili.

2 Porovnání rozdílů mezi dvěma převodníky

Ačkoli jsou polomůstkový flyback měnič a polomůstkový rezonanční měnič oba měniče s měkkým spínáním, existují mezi nimi zásadní rozdíly. Polomůstkový flyback měnič je typu PWM, zatímco polomůstkový rezonanční měnič je PFM. Proto mají velké rozdíly v metodách řízení, napěťovém namáhání sekundární usměrňovací elektronky a proudovém namáhání primární strany. Tyto rozdíly budou podrobně analyzovány níže.

2.1 Porovnání kontrolních metod

Polomůstkový flyback měnič upravuje výstupní napětí úpravou pracovního cyklu spínací trubice. Když je rozsah změny vstupního napětí relativně velký, rozsah změny pracovního cyklu spínací trubice je také relativně velký. Teoreticky může pracovní cyklus polomůstkového zpětného měniče překročit 0,5, čímž se přizpůsobí širšímu rozsahu vstupního napětí. Proto jsou charakteristiky doby údržby při vypnutí u polomůstkového zpětného měniče relativně dobré a mohou být široce používány v případech s relativně vysokými požadavky na dobu údržby při vypnutí.

Ve srovnání s polomůstkovým flyback měničem upravuje polomůstkový rezonanční měnič výstupní napětí úpravou spínací frekvence, to znamená, že jeho pracovní cyklus zůstává při různých vstupních napětích nezměněn. Teoreticky nepřesáhne pracovní cyklus polomůstkového rezonančního měniče 0,5. Proto je ve srovnání s polomůstkovým flyback měničem jeho rozsah vstupního napětí relativně úzký a charakteristiky doby údržby při vypnutí jsou relativně špatné.

2.2 Porovnání napěťového namáhání sekundárního usměrňovače

Analýzou principu činnosti polomůstkového flyback měniče lze získat metodu výpočtu napěťového namáhání sekundární diody, jak je znázorněno v následujícím vzorci:

Tímto způsobem lze při změně vstupního napětí chápat změnu napětí sekundární diody.

Obrázek 5 ukazuje změnu napětí na sekundárním usměrňovači při výstupním napětí 48V. Když je vstupní napětí relativně vysoké, napětí na D1 je relativně vysoké. Proto D1 musí používat diodu s relativně vysokým jmenovitým výdržným napětím, což zvýší ztráty obvodu a náklady na materiál.

Za stejných podmínek je napěťové namáhání sekundární diody v polomůstkovém rezonančním měniči mnohem menší než u polomůstkového flyback měniče, protože napěťové namáhání sekundární diody v polomůstkovém rezonančním měniči je dvojnásobek výstupního napětí. Proto lze v polomůstkovém rezonančním měniči zvolit diodu s relativně nízkým výdržným napětím, čímž se zlepší účinnost obvodu a sníží se materiálové náklady.

2.3 Porovnání rozsvícení sekundární diody

Z analýzy polomůstkového flyback měniče je vidět, že jeho sekundární dioda je tvrdá a ztráta je poměrně velká; zatímco z analýzy polomůstkového rezonančního měniče je vidět, že jeho sekundární dioda je nulový proudový spínač a ztráta je relativně malá, což může zlepšit účinnost měniče. Proto je teoreticky celková účinnost polomůstkového flyback měniče o něco horší než u polomůstkového rezonančního měniče (ale stále daleko lepší než u jiných měničů).

2.4 Další aspekty

Za prvé, v polomůstkovém zpětném měniči jsou pracovní cykly horních a spodních spínačů komplementární, takže transformátor v polomůstkovém zpětném měniči má jev stejnosměrného předpětí; zatímco v polomůstkovém rezonančním měniči jsou pracovní cykly horních a spodních spínačů stejné, takže transformátor v polomůstkovém rezonančním měniči nemá jev stejnosměrného předpětí.

Za druhé, polomůstkový rezonanční měnič upravuje výstupní napětí úpravou pracovní frekvence spínací elektronky, takže u polomůstkového rezonančního měniče je složitější dosáhnout řízení synchronního usměrnění; zatímco polomůstkový zpětný měnič upravuje výstupní napětí úpravou pracovního cyklu spínací trubice, takže u polomůstkového zpětného měniče je poměrně jednoduché dosáhnout řízení synchronního usměrnění.

2.5 Proudové napětí

Analýzou polomůstkového rezonančního měniče lze vidět, že jeho proudové namáhání je relativně vysoké a zvlnění výstupního proudu je relativně velké; zatímco v polomůstkovém zpětném měniči je proudové napětí relativně nízké a zvlnění výstupního proudu je relativně malé.

2.6 Rozsah výstupního napětí

Rozborem principu řízení polomůstkového zpětného měniče lze vidět, že rozsah výstupního napětí polomůstkového zpětného měniče je širší, zatímco rozsah výstupního napětí polomůstkového rezonančního měniče je velmi úzký. Proto je v oblasti napájení PD s více výstupními napětími vhodnější polomůstkový flyback měnič a DC/DC měnič lze vynechat.

3 Závěr

Analýzou a výzkumem polomůstkového flyback měniče a polomůstkového rezonančního měniče a porovnáním jejich způsobů řízení, napěťového namáhání sekundárního usměrňovače a sekundárního otevírání lze poznat, že polomůstkový rezonanční měnič je vhodnější pro vývojový požadavek napájení pro vysokou účinnost; zatímco polomůstkový flyback měnič je vhodnější pro pole napájení PD.