Данная статья посвящена некоторым, не освещенным (или недостаточно освещенным) в печати, вопросам формирования траектории переключения транзисторов в высокочастотных преобразователях.

Рис.1 Траектория переключения транзистора

Существуют два основных класса преобразователей (рис.1) - с жестким переключением (Hard) и мягким переключением (Soft). Основная масса преобразователей - это преобразователи с жестким переключением. Формирование траектории переключения осуществляется RC и DRC цепями. Схема управления вырабатывает ШИМ. Преобразователи с мягким переключением используются в основном в диапазоне мощностей 1-5 кВт. В типичных преобразователях такого класса резонансное переключение транзисторов при нулевом напряжении (ZVS) реализуется введением реактивных цепей и специальной схемы управления - например UC3875 или ее более поздних вариантов. Мгновенная мощность на транзисторах практически нулевая, что резко повышает их надежность (многочисленные схемы ZVS для преобразователей небольшой мощности не рассматриваются в данной статье, с ними можно ознакомиться, например, на www.orc.ru).

У ZVS преобразователей есть принципиальный недостаток - при малой мощности в нагрузке энергии запасенной в реактивных элементах не хватает для обеспечения резонансного переключения. Практически это означает, что преобразователь на режимах, близких к холостому ходу, переходит в режим с жестким переключением транзисторов, что может приводить к их выходу из строя. С этими проблемами вы можете более детально познакомится, например, в статье Владимира Башкирова в журнале "Электронные компоненты", N1, 2002.

Рис.2 а) Преобразователь с размагничивающей обмоткой без формирующих элементов

В реальной жизни преобразователи, ненадежно работающие в режиме холостого хода, требуются достаточно редко. А чтобы обеспечить их надежность, нужно усложнять схему и применять специальные дорогие транзисторы, блокировать их внутренние диоды и т д. Недостатком преобразователей с жестким переключением является большая мгновенная мощность, выделяющаяся на транзисторах. Действительно, RC и DRC цепи, по своему принципу, не позволяют оптимально сформировать траекторию переключения транзистора. Мгновенная мощность, выделяемая при включении, и особенно при выключении, остается значительной. Следовательно, для надежных преобразователей требуются высоконадежные, а значит и очень дорогие транзисторы. Достоинство таких схем - работа во всем диапазоне нагрузок.

Рис.2 б) Преобразователь с размагничивающей обмоткой c DRC формирователем траектории

Разработчику всегда хочется совместить достоинства одной и другой схемы и избавится от их недостатков. Конечно, в технике бесплатно ничего не бывает. Но почему бы не попробовать придумать что-то новое в формировании траектории? Для начала вспомним хорошо забытое старое. В статье [1] было предложено формировать траекторию выключения транзистора при помощи демпферного диода. Схема такого преобразователя представлена на рис. 2в. Мгновенная мощность на транзисторе при выключении снижается как минимум в десять раз, а то и больше. Кроме того, мощность, выделяемая в демпферном диоде на интервале восстановления, может быть значительно меньше мощности, которая выделялась бы в транзисторе.

Рис.2 в) Преобразователь с размагничивающей обмоткой с демпферным диодом

На нижеприведенных рис.3, рис.4 и рис.5 приведены графики выделения мгновенной мощности на транзисторе в преобразователях, выполненных по схемам, приведенным на рис.2 а)-в).

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Подведем итоги. Мгновенная мощность на транзисторе для преобразователей по схемам, приведенным на рис.2, составляет: схема без формирователя траектории (рис.2 а) - 175 Вт при включении и 2000 Вт при выключении; схема с DRC формирователем траектории (рис.2 б) - 700 Вт при включении и 500 Вт при выключении; схема с демпферным диодом (рис.2 в) - 175 Вт при включении и 24 Вт при выключении. Различие первых двух схем невелико - это режим с "жестким" переключением и разница между этими двумя вариантами непринципиальна. Поэтому не стоит особо радоваться, найдя в литературе красивую методику расчета DRC цепей - их введение мало что меняет. Результаты по схеме с демпферным диодом близки к режиму "мягкого" переключения (особенно если снизить мощность при включении). Обращаю внимание читателя на то, что транзистор только включается и практически не участвует в процессе выключения (выключается демпферный диод).

Казалось бы, все хорошо в схеме (рис. 2 в), но есть у этой схемы существенный недостаток - по мере уменьшения тока коллектора растет сдвиг между напряжением и током. Например, в двухтактной схеме в режиме холостого хода длительность создаваемого демпферным диодом сдвига может превысить длительность защитного интервала, и через транзисторы будет протекать сквозной ток. В однотактных схемах тоже возникают похожие проблемы. Как известно, время рассасывания диода пропорционально ln (I1/I0) [3]. Для того, чтобы временной сдвиг, создаваемый демпферным диодом, был постоянным, необходимо, чтобы напряжение подпитки демпферного диода изменялось в зависимости от тока коллектора. Для полумостовой схемы одним из авторов было предложено включать последовательно с транзисторами дроссели. Запасенная в них за время открытого состояния транзистора энергия во время его закрытого состояния через диод передается в емкость выпрямителя питающего демпферный диод (рис. 6).

Рис.6 Полумостовой преобразователь напряжения с формированием траектории переключения демпферными диодами

В такой схеме длительность сдвига напряжения и тока постоянна. На схему было получено авторское свидетельство (а.с. 1654956). Не менее успешно можно использовать для подпитки демпферного диода трансформаторы тока. На рис.7 представлена схема силовой части пушпульного преобразователя с выходной мощностью до 2000 Вт.

Рис.7 Пушпульный преобразователь с формированием траектории демпферными диодами

Отсюда вывод: если вам мешает "хвост" у IGBT, сформируйте демпферным диодом необходимый сдвиг и отрежьте его вместе с фронтом. При коллекторном токе 25 А не составит труда получить сдвиг 500 или 1000 нс.

В заключение отметим, что опасаться снижения надежности из-за введения демпферных диодов не стоит, так как диод имеет очень простую (и поэтому устойчивую к перегрузкам) структуру, а MOSFETы и IGBT, напротив, имеют очень сложную (и все более усложняющуюся) структуру.

Александр Козлов, Алексей Кареник
инженеры ООО "Силовая техника" (mettek@vyborg.ru)

Литература
[1] "Snubber technique for HV switched mode power supplies" Rodney Weaving? Electronic Engineering October 1978 p.39
[2] "Методы снижения мощности, рассеиваемой в высоковольтных транзисторах преобразователей напряжения промышленных сетей" Охотников В.А. Фомичев В.В. -ЭТ в А 1980, вып. 11, с 100-105
[3] "Основы теории транзисторов и транзисторных схем" И.П. Степаненко, М, "Энергия" 1967

Во-первых, накоплен мировой многолетний опыт работы с такими схемами, опыт серийного производства подобных преобразователей, поэтому конкурировать отечественным фирмам с зарубежными достаточно тяжело. Более того, всегда можно найти в интернете готовую разработку и купить ее за $300-500. Можно попытаться применить великолепные транзисторы фирмы APT - но их цена смущает... К тому же, можно ли их реально получить для серийной продукции в достаточном количестве? Во вторых, зарубежные фирмы много лет выпускают такие источники, и рынок занят очень плотно, значит выйти на него можно только с чем-то новым. Например, "выжать" из недорогих транзисторов большую мощность, или обеспечить более высокую надежность на недорогих транзисторах.

В те времена, когда схемы управления импульсными стабилизаторами выполнялись из дискретных компонентов, выбор был невелик (ШИМ или ЧИМ), но всегда хотелось совместить простоту ЧИМ и достоинства ШИМ. В одном из старых номеров "Электронной техники в автоматике" было найдено интересное решение - в петлю обратной связи ЧИМ включается контур, настроенный на частоту преобразования. Практика подтвердила: получается чистый ШИМ. Эта схема не пригодилась, но мысль, что на стыке разных вариантов можно найти интересные решения, осталась.

При освоении серийного выпуска источников питания с бестрансформаторным входом пришлось столкнуться с отказами транзисторов (это были КТ812А и 2Т812А). Отказы не были связаны с нарушениями работы схемы управления. Введение входного контроля транзисторов несколько улучшало положение, но не меняло его радикально. Пришлось серьезно заниматься поиском причин отказов. Ситуация осложнялась тем, что области безопасной работы в ТУ на эти транзисторы еще не было. Пришлось посмотреть примерно тысячу транзисторов от разных заводов, чтобы выявить закономерности. Выяснилось, что транзисторы с одним названием, но выпущенные на разных заводах, очень сильно отличаются (разработчик транзисторов посмотрел образцы и сказал, что он не разрабатывал такие, затем подарил образцы из опытной партии - это действительно были классные транзисторы). Транзисторы одного из заводов были более похожи на то, что разрабатывали на "Пульсаре", поэтому пришлось отказаться отказаться от одного из поставщиков (отказались и от приемки "5"). Ситуация с отказами стабилизировалась, но непонятные отказы полностью не исчезли.

После проверки вариантов выяснилось, что определяющую роль в этих отказах играет мгновенная мощность на транзисторах - надежность их работы определяется траекторией переключения. В то время мы успешно применили формирование траектории переключения демпферными диодами и отказы практически исчезли.

В ходе работы над этим заказом сложилась простая аналогия: если медная проволока не подвергается изгибам, то она почти вечная. Но если начать ее перегибать - то сломается очень быстро. Конечно, транзисторы намного сложнее проволоки, но существо дела от этого не меняется. Введение схемы формирователя на демпферном диоде позволило обеспечить высокую надежность работы транзисторов преобразователей.