Porównanie półmostkowego przetwornika rezonansowego i półmostkowego przetwornika typu flyback
Wraz z rozwojem zasilaczy impulsowych szeroko rozwinięto i zastosowano technologię miękkiego przełączania oraz zbadano wiele topologii obwodów o wysokiej wydajności, głównie topologie miękkiego przełączania typu PFM i topologie miękkiego przełączania typu PWM.
W ostatnich latach, wraz z powszechnym zastosowaniem urządzeń półprzewodnikowych trzeciej generacji GAN i ciągłym rozwojem zasilaczy PD, stworzyło to kolejną szansę na rozwój przetwornic mocy. W przypadku przetwornic półmostkowych, jeśli są odpowiednio zaprojektowane, można osiągnąć miękką konwersję przełączania, dzięki czemu zasilacz impulsowy ma wyższą wydajność i znacznie zmniejsza rozmiar zasilacza.
1 Zasada działania dwóch konwerterów
1.1 Półmostkowy konwerter typu flyback
Rysunek 1 i rysunek 2 przedstawiają odpowiednio schemat obwodu i przebieg roboczy półmostkowego konwertera typu flyback.
Rysunek 1 przedstawia dwa uzupełniające się tranzystory MOSFET o kontrolowanej mocy (S1 i S2), gdzie cykl pracy S1 to D, a cykl pracy S2 to (1-D); kondensator blokujący prąd stały Cr, którego napięcie jest wykorzystywane jako źródło zasilania, gdy S2 jest włączony; transformator z gwintem centralnym Tr, którego zwoje pierwotne to Np, a zwoje wtórne to Ns; wyjściową diodę prostowniczą D1; kondensator filtra wyjściowego Cout; oraz wyjściowe rezystory absorpcyjne i kondensatory R1 i C1 lampy prostowniczej.
Jak widać na schemacie, część pierwotna półmostkowego konwertera flyback jest taka sama, jak tradycyjny asymetryczny konwerter półmostkowy (AHB), a część wtórna jest taka sama jak konwerter flyback. Zasada działania półmostkowego konwertera typu flyback w stanie ustalonym jest następująca.
![]()
![]()
1) Gdy S1 jest włączony, a S2 wyłączony, strona pierwotna transformatora jest poddawana napięciu przewodzenia, a strona wtórna Ns nie działa; dioda D1 jest odcięta; transformator magazynuje energię;
2) Gdy S2 jest włączony, a S1 wyłączony, napięcie na kondensatorze blokującym DC Cr jest przyłożone do strony pierwotnej transformatora, strona wtórna Ns2 działa i dioda D1 jest włączona.
Na rysunku 2 n1=Np/Ns i n1=n. Analizując obwód, można otrzymać wzór obliczeniowy cyklu pracy D półmostkowego przekształtnika typu flyback:
![]()
Przetwornik rezonansowy półmostkowy jest powszechnie nazywany przetwornikiem rezonansowym LLC. Rysunki 3 i 4 przedstawiają odpowiednio schemat obwodu i przebieg roboczy półmostkowego przetwornika rezonansowego.
![]()
Na rysunku 3 znajdują się dwa tranzystory MOSFET mocy (S1 i S2), oba mają cykl pracy 0,5; kondensator rezonansowy Cr, transformator z odczepem centralnym Tr z równymi zwojami po stronie wtórnej, indukcyjność rozproszenia Lk z Tr i indukcyjność wzbudzającą Lm. Lm jest także induktorem rezonansowym w pewnym okresie czasu. Dlatego elementy rezonansowe w półmostkowym przetworniku rezonansowym składają się głównie z trzech powyższych elementów rezonansowych, a mianowicie kondensatora rezonansowego Cr, cewki indukcyjnej Lk i cewki wzbudzającej Lm; półmostkowe diody prostownicze pełnookresowe D1 i D2 oraz kondensator wyjściowy Cout.
![]()
1)〔t1, t2〕Kiedy t=t1, S2 jest wyłączony, a prąd rezonansowy rozładowuje pasożytniczą pojemność S1, aż napięcie na S1 wyniesie zero, a następnie włącza się dioda korpusu S1. Na tym etapie włącza się D1, a napięcie na Lm jest ograniczane przez napięcie wyjściowe, więc w rezonansie uczestniczą tylko Lk i Cr.
2)〔t2, t3〕Gdy t=t2, S1 jest włączany w warunkach zerowego napięcia, a strona pierwotna transformatora jest poddawana napięciu przewodzenia; D1 pozostaje włączony, a S2 i D2 są wyłączone. W tym momencie Cr i Lk uczestniczą w rezonansie, natomiast Lm nie uczestniczy w rezonansie.
3)〔t3, t4〕Kiedy t=t3, S1 jest nadal włączony, podczas gdy D1 i D2 są w stanie wyłączonym, a strona wtórna Tr jest odłączona od obwodu. W tym momencie Lm, Lk i Cr wspólnie uczestniczą w rezonansie. W rzeczywistym obwodzie Lm jest znacznie większy niż Lk, zatem można uznać, że prąd wzbudzenia i prąd rezonansowy pozostają na tym etapie niezmienione.
4)〔t4, t5〕Kiedy t=t4, S1 jest wyłączony, a prąd rezonansowy rozładowuje pasożytniczą pojemność S2, aż napięcie na S2 osiągnie zero, a następnie włącza się dioda korpusu S2. Na tym etapie włącza się D2, a napięcie na Lm jest ograniczane przez napięcie wyjściowe. Dlatego w rezonansie biorą udział tylko Lk i Cr.
5)〔t5, t6〕Gdy t=t5, S2 jest włączany w warunkach zerowego napięcia, a strona pierwotna Tr jest poddawana napięciu wstecznemu; D2 pozostaje włączony, natomiast S1 i D1 są wyłączone. W tym momencie w rezonansie uczestniczą tylko Cr i Lk, a napięcie na Lm jest ograniczane przez napięcie wyjściowe i nie uczestniczy w rezonansie.
6)〔t6, t7〕Kiedy t=t6, S2 jest nadal włączony, podczas gdy D1 i D2 są w stanie wyłączonym, a strona wtórna Tr jest odłączona od obwodu. W tym momencie Lm, Lk i Cr wspólnie uczestniczą w rezonansie. W rzeczywistym obwodzie Lm jest znacznie większy niż Lk. Można zatem uznać, że na tym etapie prąd wzbudzenia i prąd rezonansowy pozostają niezmienione.
Dzięki powyższej szczegółowej analizie mamy pewne zrozumienie zasad działania i charakterystyki tych dwóch typów konwerterów z miękkim przełączaniem. Poniżej porównamy różnice między nimi, aby jeszcze bardziej pogłębić nasze zrozumienie ich.
2 Porównanie różnic pomiędzy obydwoma konwerterami
Chociaż półmostkowy konwerter typu flyback i półmostkowy przetwornik rezonansowy są przetwornikami z miękkim przełączaniem, istnieją między nimi zasadnicze różnice. Półmostkowy konwerter typu flyback jest typu PWM, natomiast półmostkowy przetwornik rezonansowy jest typu PFM. Dlatego mają duże różnice w metodach sterowania, naprężeniu napięciowym wtórnej lampy prostowniczej i naprężeniu prądowym strony pierwotnej. Różnice te zostaną szczegółowo przeanalizowane poniżej.
2.1 Porównanie metod kontroli
Półmostkowy konwerter typu flyback reguluje napięcie wyjściowe, dostosowując cykl pracy lampy przełączającej. Gdy zakres zmian napięcia wejściowego jest stosunkowo duży, zakres zmian cyklu pracy rury przełączającej jest również stosunkowo duży. Teoretycznie cykl pracy półmostkowego konwertera typu flyback może przekraczać 0,5, dostosowując się w ten sposób do szerszego zakresu napięcia wejściowego. Dlatego charakterystyki czasu podtrzymania przy wyłączeniu zasilania półmostkowego konwertera typu flyback są stosunkowo dobre i mogą być szeroko stosowane w sytuacjach, w których występują stosunkowo wysokie wymagania dotyczące czasu podtrzymania przy wyłączeniu zasilania.
W porównaniu z półmostkową przetwornicą typu flyback, półmostkowa przetwornica rezonansowa dostosowuje napięcie wyjściowe poprzez regulację częstotliwości przełączania, co oznacza, że jego cykl pracy pozostaje niezmieniony przy różnych napięciach wejściowych. Teoretycznie współczynnik wypełnienia półmostkowego przetwornika rezonansowego nie przekroczy 0,5. Dlatego w porównaniu z półmostkową przetwornicą typu flyback jego zakres napięcia wejściowego jest stosunkowo wąski, a charakterystyka czasu podtrzymania przy wyłączeniu jest stosunkowo słaba.
2.2 Porównanie naprężeń napięciowych prostownika wtórnego
Analizując zasadę działania półmostkowego konwertera typu flyback, można obliczyć napięcie napięciowe diody wtórnej według następującego wzoru:
![]()
W ten sposób, gdy zmienia się napięcie wejściowe, można zrozumieć zmianę napięcia diody wtórnej.
Rysunek 5 przedstawia zmianę napięcia na prostowniku wtórnym, gdy napięcie wyjściowe wynosi 48V. Gdy napięcie wejściowe jest stosunkowo wysokie, napięcie na D1 jest stosunkowo wysokie. Dlatego D1 musi zastosować diodę o stosunkowo wysokim napięciu wytrzymywanym, co zwiększy straty w obwodzie i koszt materiału.
![]()
W tych samych warunkach napięcie na diodzie wtórnej w półmostkowej przetwornicy rezonansowej jest znacznie mniejsze niż w półmostkowej przetwornicy typu flyback, ponieważ napięcie na diodzie wtórnej w półmostkowej przetwornicy rezonansowej jest dwukrotnie większe od napięcia wyjściowego. Dlatego w półmostkowym przetworniku rezonansowym można wybrać diodę o stosunkowo niskim napięciu wytrzymywanym, poprawiając w ten sposób sprawność obwodu i zmniejszając koszt materiału.
2.3 Porównanie włączenia diody wtórnej
Z analizy półmostkowego konwertera typu flyback widać, że jego dioda wtórna jest wyłączona, a straty są stosunkowo duże; natomiast z analizy półmostkowego przekształtnika rezonansowego widać, że jego dioda wtórna jest przełącznikiem zeroprądowym, a straty są stosunkowo małe, co może poprawić wydajność przetwornicy. Dlatego teoretycznie ogólna wydajność półmostkowego przetwornika typu flyback jest nieco gorsza niż półmostkowego przetwornika rezonansowego (ale wciąż znacznie lepsza niż w przypadku innych przetworników).
2.4 Inne aspekty
Po pierwsze, w półmostkowej przetwornicy typu flyback cykle pracy górnego i dolnego przełącznika uzupełniają się, więc transformator w półmostkowej przetwornicy typu flyback charakteryzuje się zjawiskiem polaryzacji prądu stałego; podczas gdy w półmostkowej przetwornicy rezonansowej cykle pracy górnego i dolnego przełącznika są równe, więc transformator w półmostkowej przetwornicy rezonansowej nie charakteryzuje się zjawiskiem polaryzacji prądu stałego.
Po drugie, półmostkowy przetwornik rezonansowy reguluje napięcie wyjściowe, dostosowując częstotliwość roboczą lampy przełączającej, więc w przypadku półmostkowego przetwornika rezonansowego osiągnięcie synchronicznej kontroli prostowania jest bardziej skomplikowane; podczas gdy półmostkowy konwerter typu flyback reguluje napięcie wyjściowe, dostosowując cykl pracy lampy przełączającej, więc w przypadku półmostkowego konwertera typu flyback stosunkowo łatwo jest uzyskać synchroniczne sterowanie prostowaniem.
2.5 Aktualny stres
Analizując półmostkowy przekształtnik rezonansowy można zauważyć, że jego obciążenie prądowe jest stosunkowo duże, a tętnienie prądu wyjściowego stosunkowo duże; podczas gdy w półmostkowym konwerterze typu flyback naprężenie prądu jest stosunkowo niskie, a tętnienie prądu wyjściowego jest stosunkowo małe.
2.6 Zakres napięcia wyjściowego
Analizując zasadę sterowania półmostkowej przetwornicy typu flyback można zauważyć, że zakres napięć wyjściowych półmostkowej przetwornicy typu flyback jest szerszy, natomiast zakres napięć wyjściowych półmostkowej przetwornicy rezonansowej jest bardzo wąski. Dlatego w przypadku zasilania PD o wielu napięciach wyjściowych bardziej odpowiednia jest półmostkowa przetwornica typu flyback, a przetwornicę DC/DC można pominąć.
3 Wniosek
Dzięki analizie i badaniom półmostkowej przetwornicy typu flyback i półmostkowej przetwornicy rezonansowej oraz porównaniu ich metod sterowania, naprężenia napięciowego prostownika wtórnego i otwarcia wtórnego można stwierdzić, że przetwornica rezonansowa półmostkowa jest bardziej odpowiednia dla rozwoju zapotrzebowania na zasilanie w celu uzyskania wysokiej wydajności. podczas gdy półmostkowy konwerter typu flyback jest bardziej odpowiedni dla pola zasilania PD.
