Простой ключевой предрегулятор напряжения на полумостовом драйвере

Известно, что мощные аналоговые полупроводниковые стабилизаторы выходного напряжения, в т.ч. и регулируемые, - энергетически неэффективны ввиду принципа своего действия, моделирующего работу обычного мощного двухкомпонентного регулируемого делителя (или потенциометра) с обратной связью по напряжению и току, где первым компонентом делителя является мощный регулирующий полупроводниковый элемент (РЭ) собственно стабилизатора, вторым - нагрузка, включенная последовательно с регулирующим элементом (рис.1).

РЭ, благодаря ОС, поддерживает необходимое напряжение на нагрузке, обеспечивая падение избыточного напряжения на собственных точках входа-выхода и, как следствие, мощности, равной произведению падения напряжения на РЭ на ток, проходящий по цепи РЭ-НАГРУЗКА. При этом КПД подобных стабилизаторов является переменным и близок к максимуму при максимальном выходном напряжении (минимум падения на РЭ) и минимален при большой разнице между входным и выходным напряжением. Падение избыточного напряжения на РЭ даже при незначительных токах, проходящих через него, превращают РЭ фактически в нагревательный элемент и поэтому трудно представить любой аналоговый мощный стабилизатор без радиаторов охлаждения. В процессе эволюции таких стабилизаторов (как линейных, так и регулируемых) происходило немало всевозможных улучшений для повышения их КПД, снижение рассеиваемой мощности на регулирующих элементах. Одним из таких улучшений является применение предварительного импульсного регулятора напряжения (ПРН), отслеживающего падение напряжение на РЭ (рис.2) и ограничивающего его значение оптимальной (для конкретного РЭ) величиной при том, что регулируемый аналоговый стабилизатор (РАС) выполняет свои функции в обычном режиме. Один из таких ПРН представлен на рис.3 и предназначен для совместной работы с любым из мощных РАС / ЛБП.

ПРН является ключевым (релейным) источником напряжения, жестко привязанному к значению выходного напряжения РАС посредством контроля значения падения напряжения на его РЭ, прекращая подачу напряжения на РАС при достижении максимума установленного значения падения напряжения на РЭ и восстанавливая напряжение на входе РАС при установленных минимальных значениях падения напряжения.

ПРН выполнен на базе полумостового драйвера IRF2111, имеющего на входе пороговый элемент с триггером Шмитта (ТШ), способного работать с логическими уровнями ТТЛ- и КМОП-серий логических микросхем по входу и выходные буферизированные каскады верхнего и нижнего уровней для непосредственного импульсного управления затворами мощных полевых транзисторов (ПТ) MOSFET-структуры, где каскад верхнего уровня выполнен по схеме с так называемым бустрепным питанием, развязывающим управляющие сигналы верхнего и нижнего уровней в широком диапазоне питающих напряжений, подаваемых на сток ПТ верхнего плеча. Принцип работы данного ПРН прост. Входной узел, отслеживающий напряжение на РЭ любого из РАС выполнен на оптроне VO1, светодиод которого погашен до момента достижения на нем напряжения, необходимого для появления тока зажигания светодиода. Транзистор оптрона VO1 до зажигания светодиода заперт, и на входе IN (вывод 2) микросхемы драйвера (U1) присутствует высокий логический уровень (H), обеспеченный подачей на IN напряжения питания через резистор R1. В соответствии с входным уровнем на выводе 2, на выходе нижнего уровня, являющегося инверсным по отношению к входу, (вывод 4) присутствует низкий логический уровень (L), а на выходе верхнего уровня (вывод 7) - H (относительно бустрепной шины питания VS микросхемы - вывод 6). Таким образом, транзистор Q2 верхнего плеча полумоста - открыт, пропуская входное напряжение с собственного стока на накопительный дроссель L1, а транзистор Q3 нижнего плеча полумоста - заперт и не влияет на работу схемы. Ток через дроссель L1 заряжает конденсатор С6 до значения Uвых+Uрэ, где Uвых - установленное значение выходного напряжения РАС, а Uрэ - падение напряжения на регулирующем элементе РАС, определяемое суммой падений напряжения на светодиоде оптрона VO1, последовательно включенных диодах D5, D7, резисторе R8. Сумма напряжения на этих компонентах для нормальной работы РАС не должна быть ниже максимального значения напряжения насыщения транзистора РЭ и в идеале должна составлять Uнас.макс+1В. Для большинства случаев при использовании в качестве РЭ современных кремниевых мощных транзисторов, пороговое значение падения напряжения на РЭ, при котором должен загораться светодиод оптрона может составлять 2-3,5В. При зажигании VO1, транзистор оптрона открывается и логические уровни (они же управляют ПТ) на выходе драйвера меняют свои состояния на противоположные (с учетом гистерезиса встроенного в микросхему драйвера триггера Шмитта), переводя ПТ верхнего плеча в запертое состояние, нижний ПТ при этом открывается, разряжая конденсатор С6 через дроссель на общий провод питания до момента прекращения свечения светодиода оптрона, после чего коммутационный цикл ПРН повторится. Частота ПРН будет зависеть от множества факторов и будет подвержена изменениям в зависимости от индуктивности дросселя L1, емкости конденсатора С6, примененного оптрона и параметров цепи его светодиода, тока нагрузки, значений входного и выходного напряжения. Это справедливо практически для всех ключевых источников питания с изменяемыми выходными параметрами. Для ПРН на рис.3 (индуктивность дросселя 600мкГн, емкость конденсатора на входе РАС - 2200мФ, входное напряжение - 45В, выходное напряжение РАС - 30В) при совместной работе с китайским РАС, частота при отсутствии нагрузки составила 7400Гц. При том же выходном напряжении и токе нагрузки 3А, частота ПРН составила 18кГц. При этом пульсации с частотой коммутации ПРН на выходе РАС не превысили 3мВ. Во всем диапазоне выходных напряжений (0-40В) и токе нагрузки от 0 до 3А, падение напряжения на РЭ РАС (транзистор 2N3055) не превысило значения 3,4В. Температура РЭ не превышала 30^оC после 30 минут работы при токе нагрузки 3А. Правда и радиатор охлаждения при этом был достаточно большим. При использовании дросселя индуктивностью 47мкГн минимальная частота составила около 9кГц, максимальная - 68кГц; с дросселем 150мкГн диапазон частот ПРН составил 8-33кГц.

Печатная плата для ПРН не разрабатывалась, монтаж устройства выполнялся на макетной плате размером 6Х4см с выносом корпусов силовых компонентов (мощные транзисторы, дроссель) за пределы платы. При сборке ПРН необходимо минимизировать длины всех соединительных проводников, а шины питания должны быть достаточно большого сечения (или ширины). Транзисторы ПРН должны быть установлены на небольшой радиатор через изолирующие теплопроводные прокладки, а радиатор должен быть заземленным для некоторого снижения уровня "эфирных" помех. Дроссели использовались готовые кольцевые от различных силовых устройств с индуктивностью от 47мкГн до 1мгн, внешним диаметром от 36 до 45мм. Минимальное сечение сердечников используемых дросселей составляло 1см², максимальное - 1,8см²; минимальная площадь окна кольца составляла 2,6см², максимальна - около 5см². Дроссель желательно поместить в экран, если ПРН планируется для использования в ЛБП - для минимизации наводок. Смонтированный ПРН должен иметь минимальную длину проводников при соединении с РАС.

Основные свойства ПРН таковы (при условии использования указанных на схеме деталей): входное напряжение 20-80В; ток - до 10А; частота коммутации 0-100кГц (значение, проверенное внешним генератором). При совместном использовании с РАС максимальный КПД РАС может быть повышен до 70-85%. Надежность мощных компонентов РАС повышается ввиду снижения температуры нагрева, отпадает необходимость в использовании громоздких радиаторов, а, значит, возможно и общее снижение веса комбинированного изделия (ПРН-РАС). Изначальные параметры РАС (или ЛБП) при этом сохраняются.

На рис.4 и рис.5 изображены схемы ПРН на драйверах IR2104 и IR2184 соответственно. Схемы абсолютно одинаковые по функционалу и достоинствам. Из отличий: 1. иная цоколевка драйверов; 2. наличие входа SD, допускающего быстрое (единицы микросекунд) отключение драйвера с переводом выходных ПТ в запертое состояние, что позволяет организацию быстродействующей защиты; 3. увеличенная нагрузочная способность выходов IR2184, что позволяет использование более мощных ПТ, как MOSFET, так и IGBT-структуры. В схемах на рис.4, рис.5 показан пример построения защитного узла от превышения тока на маломощном тиристоре с использованием входа SD драйвера. Отпирание тиристора происходит при достижении на резисторе R108 (R208) уровня напряжения, достаточного для появления отпирающего тока тиристора. При появлении на входе SD микросхем низкого логического уровня в результате запирания тиристора, происходит запирание выходных транзисторов ПРН с последующим обесточиванием РАС. Это всего лишь один из простых примеров применения защиты. Схему ПРН можно питать от стабилизатора +12...+15В, изображенного на рис.6. Этот же стабилизатор можно использовать и для питания схем управления РАС.

Правильно собранный ПРН не нуждается в какой-либо настройке кроме подбора необходимого порога зажигания светодиода. Так, например, для составных транзисторов РЭ РАС порог желательно увеличить до 4-4,5В из-за их высокого значения напряжения насыщения. Желающим поэкспериментировать можно рекомендовать исследования поведения ПРН при изменении гистерезиса, варьируя порог срабатывания драйвера подбором сопротивления (47кОм-150кОм), включенного между выводами IN и VS микросхемы драйвера. При включении ПРН в составе с РАС, генерация (смотреть в точке соединения дросселя с ПТ) начинается сразу и при отсутствии нагрузки и минимальном напряжении на выходе РАС видны короткие по времени (в отношении к времени паузы - 1:10 и более) импульсы коммутации с амплитудой входного напряжения питания, удлиняющиеся по времени с одновременным повышением частоты коммутации при увеличении напряжения на выходе РАС или тока нагрузки. С момента превышения ширины импульса над  временем паузы, частота ПРН начинает снижаться при дальнейшем нарастании напряжения на выходе РАС (рис.7).

Теги:

• ИБП