ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ, ПОСТРОЕННЫХ НА LLC-ТОПОЛОГИИ

IMPROVING THE USEFULNESS FACTOR OF IMPULSE POWER SUPPLIES BASED ON LLC TOPOLOGY

Mezentsev Yuri Alekseevich

Master’s Degree student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

Lobanova Valentina Andreevna

Scientific supervisor, candidate of Sciences in Engineering, associate professor, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В статье подробно описано устройство современных ИБП с LLC-топологией, выделены и проанализированы существующие на сегодняшний день методы повышения КПД резонансных блоков питания, а также приведены реальные примеры использования существующей компонентной базы для решения данной задачи.

ABSTRACT

The article describes in detail the device of modern UPS systems with LLC topology, identifies and analyzes the current methods of increasing the efficiency of resonant power supplies, and provides real-world examples of using the existing component base to solve this problem.

Ключевые слова: импульсные блоки питания,коэффициент полезного действия, LLC-топология, явление резонанса, снижение тепловых потерь.

Keywords: switching power supplies, efficiency, LLC topology, resonance phenomenon, reduction of heat losses.

Повышение коэффициента полезного действия напрямую связано с LLC-топологией и исследованием построенных цепей, с помощью которых решить данную проблему.

Резонансный блок питания состоит из следующих блоков:

1. Входной фильтр. Данный фильтр предназначен для изолирования высокочастотных колебаний в источнике питания и предотвращения попадания данных помех в питающую сеть. Поскольку преобразователь в импульсном блоке питания работает на высокой частоте, то в процессе работы ИБП происходит генерация высокочастотных помех. Величина помех обусловлена от частоты, на которой работают силовые ключи, а также от качества монтажа и совокупной длины проводников на плате. Необходимость изоляции первичной сети от внутренней схемы блока питания обусловлена требованиями техники безопасности и помехоустойчивости функционирования электронной аппаратуры.
2. Выпрямитель. Задача выпрямителя преобразование переменного напряжения сети питания в постоянное напряжение, которое и будет поступать на преобразователь напряжения. Как правило, схема выпрямителя выполняется по мостовой схеме выпрямления, что обеспечивает необходимое качество выпрямления и сглаживания напряжения.
3. Корректор коэффициента мощности (ККМ, он же PFC). Это электронное устройство, которое встраивается в источники питания для оптимизации потребления электроэнергии из сети. Для блоков питания с выходной мощностью более 100 Вт обязателен к применению. Основная задача — приблизить коэффициент мощности к единице (идеальное значение). Коэффициент мощности (cos φ) показывает, насколько эффективно нагрузка использует подаваемую энергию: чем ближе его значение к единице, тем большая энергия идет на полезную работу.
4. Каскад силовых ключей. Данный блок предназначен для коммутации выпрямленного постоянного напряжения и преобразования постоянного напряжения в импульсное с высокой частотой следования импульсов. Данный прием позволяет существенно уменьшить массогабаритные параметры импульсного трансформатора, а также его стоимость. В качестве транзисторов могут быть использованы мощные биполярные, полевые или IGBT транзисторы, но на практике чаще всего применяют MOSFET-транзисторы.
5. ЧИМ-контроллер. В резонансной топологии используется именно технология ЧИМ-модуляции, которая согласована с резонансной частотой контура LLC. Данный блок представляет собой схему управления силовым каскадом транзисторов и предназначен для выработки правильных сигналов для управления транзисторами. ЧИМ-контроллер, как правило, выполнен на интегральной микросхеме с необходимой дополнительной обвязкой. В зависимости от величины выходного сигнала контроллер генерирует управляющие импульсы для силовых ключей (ЧИМ-модуляция). Также в задачу контроллера входит обеспечение защиты транзисторов от сквозного тока между ними, и перегрузки в момент старта при зарядке емкостей электролитических конденсаторов.
6. Резонансный контур. Это ключевой элемент резонансных импульсных преобразователей, обеспечивающий мягкую коммутацию и высокий КПД. Основная задача - преобразовать прямоугольные импульсы от силовых ключей (MOSFET) в синусоидальный ток на входе трансформатора. Это даёт несколько важных преимуществ: снижаются коммутационные потери: снижаются коммутационные потери в транзисторах, уменьшается нагрев компонентов, падает уровень ЭМП, повышается общий КПД преобразователя.
7. Импульсный трансформатор и выпрямитель. Данный блок как раз и производит преобразование напряжения и его уровня. После прохождения трансформатора, переменное напряжение выпрямляется и подается на сглаживающий фильтр. В отличие от традиционных трансформаторов низкой частоты, применяемых в трансформаторных источниках питания, импульсный трансформатор предназначен для работы на высоких частотах и передачи сигналов с быстрыми фронтами. Данные особенности накладывают существенные требования как к конструкции трансформатора, так и к типу материалов, используемых при его изготовлении. При этом размеры импульсного трансформатора много меньше размеров низкочастотного трансформатора. В связи с высокой частотой преобразования энергии, к выпрямителю также приводятся дополнительные требования. В отличие от выпрямителей низкочастотных сигналов, в данном случае вместо диодов используются быстродействующие диоды Шоттки.
8. Выходной фильтр. Он обеспечивает эффективное сглаживание выпрямленного высокочастотного напряжения в соответствии с заданными требованиями.

Из этого списка пункты 3-7 являются достаточно гибкими в выборе схемотехнических решений и компонентов, поэтому они должны быть тщательно исследованы с целью поиска способов повышения КПД.

Для достижения высоких значений КПД очевидно использование активных ККМ по схеме повышающего преобразователя, а для удобства – еще и специализированной микросхемы, например. PFS7628H, схема включения которой представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема включения микросхемы PFS7628H

Данная микросхема позволяет поддерживать уровень коэффициента мощности не меньше 0.95 при различных видах нагрузки, что существенно повышает КПД.

С развитием полупроводниковых технологий всё чаще в блоке ККМ используют диоды Шоттки на основе карбида кремния (SiC-диоды). Использование SiC-диодов позволяет значительно повысить КПД ККМ. Например, испытания показали, что замена кремниевых диодов на SiC-диоды может снизить тепловую нагрузку в ККМ почти вдвое, а также они лучше кремниевых в плане частотных и температурных характеристик, ЭМС и габаритов.

В каскаде силовых ключей при повышении КПД следует обратить внимание на следующие характеристики MOSFET: низкое сопротивление в открытом состоянии, быстродействие и габариты. Они должны быть максимально приближены к идеальным и соответствовать поставленным целям.

ЧИМ-контроллер можно построить на обычных драйверах затвора, но это затратно и может не дать требуемого результата, поэтому лучше использовать специализированные микросхемы для этих целей, например, LCS705HG, схема включения которой представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема включения микросхемы LCS705HG

Данная микросхема оснащена схемами регулировки выходного напряжения, защиты по току и обратной связи. Резонансная рабочая частота задается простыми цепочками и, как можно заметить, блок силовых ключей уже встроен внутрь, что еще упрощает систему. LSC705HG поддерживает широкий диапазон частот переключения (до 1 МГц), что позволит иметь больше вариантов для компонентов в резонансном контуре. Это очень важно, потому что от согласованности частоты переключения транзисторов и резонансной частоты контура LLC зависит показатель КПД.

Резонансный контур в данном применении построен на индуктивности рассеяния первичной катушки трансформатора и конденсаторе, включенном последовательно ей. Наибольшую важность здесь имеет намотка и материал трансформатора. Так как на высоких частотах работы все сильнее проявляется скин-эффект, лучше всего для обмоток использовать литцендрат или медную фольгу. Это позволит гораздо эффективнее использовать энергию и снизить потери. Индуктивность этой катушки и емкость конденсатора образуют колебательный контур, который позволяет транзисторам работать в «мягком» режиме переключения (ZVS-режим), поэтому эти характеристики просто необходимо знать точно для расчета.

С целью повышения КПД блока питания в выходной цепи лучше использовать схемы с синхронным выпрямлением. Они позволяют снизить потери на элементах, следовательно, снизятся выделяемое тепло, габариты и лишние радиаторы. В качестве драйверов ключей синхронного выпрямителя прекрасно подойдет микросхема WS2995, применение которой позволяет значительно повысить КПД блока питания. Схема включения показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема включения микросхемы WS2995

Таким образом, используя все новые и новые схемотехнические и конструкционные решения, описанные выше в данной статье, можно повысить до 95-97% КПД импульсных блоков питания, построенных на LLC-топологии, что является отличным результатом.

Список литературы:

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство/ Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.
2. Литвинов И.И. Электроника. Проектирование источника питания микроэлектронных устройств/ И.И. Литвинов, М.А. Купарев, В.Е. Глазырин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. - 115 с.
3. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование, 2007. - 288 с.