Выбор силовых транзисторов для преобразователей
напряжения с резонансным контуром

Скачать статью в формате PDF

В технической литературе резонансным преобразователям уделяется не очень много внимания. Данная статья в какой-то мере восполняет этот пробел. В статье изложены принципы работы резонансных преобразователей напряжения и методика выбора типа силового транзистора, а также даны практические рекомендации по расчету схемы, приведены формулы, таблицы и графики, позволяющие сравнить эффективность работы транзисторов MOSFET и IGBT.

Эффективность работы источников вторичного электропитания в значительной мере определяется показателями используемых в них преобразователей напряжения.

Улучшение удельных показателей преобразователей напряжения (ПН) тесно связано с повышением частоты коммутации при одновременном повышении надежности и уменьшении энергетических потерь.

В традиционных схемах преобразователей форма тока, протекающего через силовые ключи, близка к треугольной или прямоугольной. При этом в силовых транзисторах возникают потери на переключение, которые растут пропорционально частоте. Особенно это касается IGBT транзисторов, потери на переключение в которых, велики по сравнению с MOSFET.

Данная тема уже была рассмотрена на страницах журнала в статьях Е.Дуплякина "IGBT или MOSFET? Оптимальный выбор" ("Электронные компоненты" №1, 2000 г.) и А.Кая "IGBT или MOSFET? Практика выбора" ("Электронные компоненты" №2 2000 г.).

В последнее время становятся популярны т.н. резонансные преобразователи напряжения, отличительной особенностью которых является переключение силовых транзисторов при нулевом токе (ZCS) или нулевом напряжении (ZVS). Такой метод переключения позволяет существенно расширить частотный диапазон работы силовых транзисторов.

В статье приведены принципы работы резонансных преобразователей напряжения и изложена практическая методика выбора типа силового транзистора.

1. Принципы работы резонансного преобразователя напряжения.

Рассмотрим работу схемы мостового преобразователя напряжения с последовательным резонансным контуром (рис.1).

В данной статье я не буду приводить подробного расчета переходных процессов- все это можно найти в любой книге по электротехнике, а постараюсь представить практическую методику расчета, используемую при проектировании преобразователей с резонансными контурами.

Методы, используемые при анализе данной схемы, могут быть использованы при расчете и других типов резонансных преобразователей. Их объединяет одно общее свойство- реализация переходных процессов, близких к синусоидальным, достигается использованием резонансных свойств LC-цепи, при этом анализ схемы практически сводится к расчету последовательного или параллельного RLC контура.

Мостовой резонансный преобразователь напряжения с последовательным резонансным контуром

Рис.1. Мостовой резонансный преобразователь напряжения с последовательным резонансным контуром.

Нагрузка с последовательным LC-контуром периодически подключается полупроводниковыми ключами к входному источнику питания Vcc. На интервале открытого состояния транзисторов происходят резонансный процесс накопления энергии в конденсаторе С и передача части энергии в нагрузку. На интервале закрытого состояния транзисторов энергия, накопленная в конденсаторе, через возвратные диоды передается в нагрузку и частично возвращается в источник питания. Регулирование выходного напряжения осуществляется изменением угла задержки включения транзисторов. Потери в транзисторах при выключении равны нулю, так как фронт напряжения на стоке начинается после прохождения тока стока через нуль. Потери на включение определяются углом задержки включения транзисторов; с увеличением нагрузки угол задержки уменьшается, а переключение транзисторов происходит при меньшем значении тока. Это обеспечивает незначительные потери мощности.

В зависимости от величины угла задержки включения в преобразователе возможен режим непрерывного или прерывистого тока дросселя.

В режиме прерывистого тока дросселя открытие транзисторов производится только после того, как ток через возвратные диоды стал равен нулю, при этом потери на включение транзисторов тоже становятся равными нулю.

При наличии достаточно большой емкости на выходе выпрямителя преобразователь может постоянно работать в режиме прерывистого тока дросселя. Регулирование выходного напряжения в таком случае осуществляется при помощи т.н. релейного режима работы.

График зависимости тока через резонансный контур от времени в режиме прерывистого тока дросселя показан на рис.2, где Тр- период собственных колебаний контура, Тпр- период преобразования, Тп- время паузы.

Ток через резонансный контур

Рис.2. Ток через резонансный контур.

2. Практическая методика расчета мощности потерь проводимости в силовых транзисторах.

Практическая методика расчета мощности, выделяемой в силовых транзисторах, основывается на следующих условиях:

  • форма тока через силовые ключи близка к синусоидальной.,
  • транзисторы переключаются при нулевом токе, потери на переключение равны нулю,
  • добротность контура приближается к единице (в этом случае амплитуда тока через транзисторы и возвратные диоды максимальна),
  • уменьшением амплитуды тока через возвратный диод в результате потерь в самом преобразователе пренебрегаем.

Данная методика позволяет рассчитать максимальную мощность потерь проводимости в силовых транзисторах, которая является основным критерием при выборе типа транзисторов.

В настоящее время в преобразователях малой и средней мощности как правило используются IGBT или MOSFET транзисторы.

Статические потери (или потери проводимости) MOSFET пропорциональны квадрату тока и сопротивлению открытого канала:

где - ток стока, - сопротивление сток- исток транзистора в открытом состоянии.

У IGBT транзисторов потери проводимости зависят от тока практически линейно:

где - ток коллектора,

Для расчета мощности потерь необходимо сначала вычислить амплитудное значение тока IMAX, протекающего через силовые транзисторы.

Для последовательного LC-контура имеем:

где E- напряжение на входе мостовой схемы, С - емкость конденсатора, входящего в резонансный контур, L - индуктивность дросселя, входящего в резонансный контур, p - волновое сопротивление LC-контура

Таким образом, когда форма тока через транзистор близка к синусоидальной, мощность потерь для IGBT-транзисторов рассчитывается по формуле:

где - среднее значение тока.

Аналогичная формула справедлива для расчета мощности потерь проводимости на возвратном диоде, только вместо напряжения коллектор- эмиттер применяем напряжение анод- катод диода в открытом состоянии. Мощность потерь проводимости для MOSFET транзисторов:

где - среднеквадратичное (действующее) значение тока через транзистор.

Наиболее часто встречающаяся ошибка при расчете мощности потерь проводимости IGBT- транзисторов и потерь проводимости возвратных диодов - использование действующего значения тока вместо среднего.

При расчете конкретного преобразователя необходимо учитывать наличие пауз и очередность в работе транзисторов и возвратных диодов.

Ниже приведены результаты расчета мощности потерь в силовых транзисторах для мостового ПН с последовательным резонансным контуром.

Выбор транзисторов для рассматриваемого ПН осуществлялся исходя из следующих данных:

  • транзисторы переключаются при нулевом токе,
  • форма тока через силовые ключи близка к синусоидальной (собственная частота контура 100 кГц),
  • амплитуда тока Imax=40A (исходя из средней мощности 2000 Вт),
  • максимальное напряжение UCE(DS)=350 В,
  • максимальная частота переключения транзисторов 40 кГц (плечи моста работают в противофазе),

Были выбраны два близких по параметрам (таблица 1) IGBT и MOSFET транзистора фирмы International Rectifier: IGBT-IRG4PC50UD, MOSFET-IRFPS37N50A.


В

(постоянный ток
коллектора)

(импульсный ток коллектора)

В

Ом
IRG4PC50UD 600 27 220 1.65 -
IRFPS37N50A 500 23 144 - 0.13

таблица 1. Типичные параметры мощных IGBT и MOSFET транзисторов.

Результаты расчета потерь мощности в транзисторах приведены в таблице 2.

Тип транзистора Потери проводимости,
Вт
Потери проводимости на возвратном диоде,
Вт
Суммарные потери в режиме переключения при нулевом токе,
Вт
IRG4PC50UD 8.4 4.6 13.0
IRFPS37N50A 20.8 3.8 24.6

таблица 2. Результаты расчета потерь мощности в силовых транзисторах.

Очевидно, что при токах выше 16 ампер наиболее эффективно применение IGBT транзисторов.

Наглядно иллюстрирует результаты расчета потерь проводимости в резонансном преобразователе график на рис.3. При токах выше 16 ампер наиболее эффективно применение IGBT транзисторов.

По данным [1] в режиме переключения при нулевом токе или нулевом напряжении частотный диапазон работы IGBT транзисторов может быть расширен до 200кГц, что существенно увеличивает область безопасной работы в координатах «максимальный ток коллектора - частота переключения».

3. Заключение.

Может показаться, что работа транзисторов в режимах переключения при нулевом токе или нулевом напряжении имеет сплошные преимущества.

На практике это не совсем так. Организация высокочастотных синусоидальных переходных процессов в ПН мощностью более 1кВт требует применения высокочастотных конденсаторов достаточно большой емкости, при этом напряжение на конденсаторе может достигать удвоенного значения входного напряжения. Амплитудное значение тока также выше, чем в классических ПН, это увеличивает потери проводимости, особенно MOSFET транзисторов и предъявляет повышенные требования к емкостным и индуктивным элементам резонансного контура.

Таким образом, выигрыш на уменьшении потерь переключения силовых транзисторов может быть сведен на нет увеличением потерь в других элементах ПН.

Решению о целесообразности применения резонансного режима работы преобразователя должен предшествовать расчет для каждого конкретного случая, цель данной статьи- обозначить общие для всех резонансных ПН вопросы, на которые необходимо обращать внимание при выборе силовых транзисторов.

В общем случае можно утверждать, что применение IGBT транзисторов в преобразователях напряжения с резонансными контурами позволяет получить некоторый выигрыш по сравнению с классическими ПН.

Особенно это проявляется в областях высоких напряжений, мощностей и температур, где традиционно применяются IGBT транзисторы.

 Домой      Карта сайта      Контакты


Продукция
Контакты
О компании
Вакансии
Статьи




Обмен ссылками

Rambler's Top100  

 

 

Besucherzahler ukrain women
счетчик посещений


© IPOWER.RU
Все права защищены
Powered by Parser3

О КОМПАНИИ   ПРОДУКЦИЯ   ВАКАНСИИ   СТАТЬИ   ССЫЛКИ