Транзит энергии коммутационных потерь в нагрузку

Краткое содержание

Схемы, состоящие из пассивных и нелинейных элементов (LCD) и позволяющие уменьшить
коммутационные потери, часто называют пассивными цепями рекуперации энергии коммутационных потерь.
При этом практически все схемы передают энергию не в источник (рекуперация), а в нагрузку. Механизм
передачи энергии может быть следующим. Часть энергии, поступающей от источника в преобразователь
(регулятор), в момент переключений транзистора не передается в нагрузку, а переходит в коммутационные
потери. Цепи "рекуперации" энергии, в момент переключения силового ключа, переводят часть энергии
коммутационных потерь в реактивный накопитель и при следующем переключении силового ключа передают
эту энергию в аккумулирующий реактивный накопитель. При следующем переключении силового ключа
происходит как накопление новой порции энергии, так и передача ранее аккумулированной энергии в нагрузку.
Таким образом, порция энергии не участвует в коммутационных потерях, а передается LCD-цепью транзитом в
нагрузку.
Коммутационные потери в трех основных схемах преобразователей постоянного тока в постоянный
приблизительно одинаковы. Коммутационные потери в транзисторе и диоде приблизительно равны удвоенному
произведению мощности в нагрузке на частоту коммутации и суммарное время переключения транзистора и
диода. При этой оценке времена переключений транзистора и диода принимаются равными. Например, при
частоте коммутации 100 кГц, суммарном времени переключения транзистора и диода 100 нс., мощности в
нагрузке 1.5 кВт получаем 30 Вт коммутационных (т.е. дополнительных) потерь. Эта мощность выделяется в
транзисторе и диоде и должна быть отведена от них.
До недавнего времени практические схемы существенного уменьшения коммутационных потерь в
транзисторе позволяли энергию, эквивалентную энергии коммутационных потерь, отвести от транзистора и
передать в теплоприемник (резистор).
В последнее время опубликовано достаточно большое количество схемотехнических решений,
позволяющих отводить энергию, эквивалентную энергии коммутационных потерь, от транзистора и диода с
последующим ее аккумулированием в реактивном накопителе и передачей в нагрузку.
Все предлагаемые схемы можно разделить на пассивные схемы, содержащие индуктивности,
конденсаторы, диоды (LCD), и на активные — содержащие транзисторы, индуктивности, конденсаторы и
диоды (TLCD).
В активных схемах используется как минимум дополнительный силовой транзистор и требуется
специальная синхронная схема управления, по стоимости сравнимая с основной схемой управления.
В пассивных LCD схемах диоды, выполняющие функции ключей, управляются синхронно с силовым
транзистором и не требуют специальных схем управления.
Основная идея уменьшения потерь в транзисторах и диодах во всех схемотехнических предложениях не
изменилась. Она заключается в том, что к моменту коммутации, например, транзистора, на нем снижаются или
напряжение или ток через него до нуля, т.е. организуется переключение при нуле напряжения (ПНН) или при
нуле тока (ПНТ).
2
Такое переключение эквивалентно тому, что порция энергии, которая пошла бы на потери при
коммутации, отводится в реактивный накопитель (в предельно простых случаях рассеивалась в резисторах).
Известные пассивные схемные решения не позволяют устранить сразу все основные коммутационные
потери. Можно выделить три вида основных коммутационных потерь:
!"потери, связанные с этапом восстановления обратного сопротивления силового диода с учетом его
емкости;
!"потери при включении силового транзистора, связанные с этапом увеличения тока при полном
напряжении;
!"потери при выключении силового транзистора, связанные с этапом увеличения напряжения при
полном токе.
Поэтому, разработка пассивной схемы для транзитной передачи энергии всех вышеперечисленных
потерь в нагрузку, является актуальной задачей.
На рис. 1 показана схема повышающего преобразователя (регулятора). Все результаты, полученные
ниже применимы и к другим известным схемам преобразователей.
Любые элементы, которые будут добавлены в схему, изменяют траектории рабочих точек
вольтамперных характеристик транзистора и диода
Для уменьшения коммутационных (динамических) потерь при выключении транзистора, тиристора,
диода и т.п. нашли широкое применение формирующие RCD-цепи. Эти цепи преобразуют коммутационные
потери в приборе в тепловые потери, рассеиваемые в своих элементах (основные потери в R).
Рассмотрим только CD-цепь. На рис. 2 показана CD-цепь, подключенная к выходному выводу
открытого транзистора. На рис. 3 показан момент, когда транзистор начинает закрываться.