Спрос на электрические и электронные источники питания в инновационном автомобильном дизайне можно резюмировать следующим образом: увеличение мощности, повышение эффективности, сокращение требований к пространству и повышение надежности. Для электромобилей (EV) эффективность имеет решающее значение для облегчения «беспокойства» пользователей о запасе хода. Учитывая различные требования к электромобилям, нам необходимо предоставить компактные и легкие решения для резервного и вспомогательного источника питания. Меньшие по размеру источники питания создают больше проблем, в том числе необходимость в большей изоляции для предотвращения электрического пробоя между компонентами, расположенными на меньшем расстоянии, и уменьшения электромагнитных помех (EMI).
Преобразователи энергии обратного хода обычно используются в различных маломощных электромобилях, включая выработку вспомогательной энергии, управление батареями и мощность привода ворот. Его конструкция проще, с меньшим количеством компонентов, что позволяет уменьшить размер, повысить надежность и снизить затраты. Основой обратноходового источника питания является обратноходовой трансформатор, который обычно является одним из самых крупных компонентов, необходимых для обеспечения изоляции высокого напряжения.
В этой статье рассказывается о принципе работы обратноходовых преобразователей, влиянии паразитной индуктивности и емкости, а также о важности размера компонента и изоляции сигнала. Затем был представлен обратноходовой трансформатор Борнса и объяснено, как он помог решить многие проблемы с автомобильным питанием.
Обратноходовой преобразователь
Ядром обратноходового преобразователя является обратноходовой трансформатор, который обеспечивает передачу энергии и изоляцию между первичной и вторичной сторонами схемы преобразователя (рис. 1, вверху). Преобразователь может повышать или понижать напряжение источника постоянного тока в зависимости от конфигурации обратноходового трансформатора. В дополнение к обратноходовому трансформатору схема также требует переключателя первичной стороны (SW) (обычно MOSFET) и вторичного выпрямителя/фильтра.
Упрощенная принципиальная схема основных компонентов обратноходового преобразователя.
Рисунок 1: Показана упрощенная принципиальная схема основных компонентов (верхний рисунок) и важных рабочих сигналов (нижний рисунок) обратноходового преобразователя. (Источник изображения: Bourns Inc.)
При переводе Vgs в состояние высокого уровня (рис. 1, внизу) рабочий цикл начинается при включении SW. Когда переключатель замкнут, напряжение, приложенное к индуктору, является ступенчатой функцией. Индукторы могут противодействовать любым мгновенным изменениям тока и интегрировать приложенное ступенчатое напряжение. Это создает функцию линейного изменения, при которой ток в первичной обмотке обратноходового трансформатора увеличивается линейно из-за влияния первичной индуктивности. Из-за обратного смещения выпрямительного диода (D) ток во вторичной обмотке трансформатора отсутствует. Воздушный зазор в сердечнике обратноходового трансформатора может предотвратить насыщение при увеличении магнитного поля трансформатора.
Когда переключатель выключается (путем восстановления Vgs в низкое состояние), энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, передается во вторичную обмотку через диод с прямым смещением, заряжая выходной конденсатор (C2). Вторичный ток уменьшается линейно до тех пор, пока энергия магнитного поля не исчерпается или переключатель не разомкнется снова, начиная следующий цикл.
Типичный трансформатор, например трансформатор в линейном источнике питания, непрерывно передает энергию от первичной обмотки к вторичной обмотке. Принцип работы обратноходового трансформатора больше похож на пару связанных индукторов, поскольку он не передает энергию непрерывно в течение рабочего цикла. Однако, как и в случае с трансформаторами, выходное напряжение также можно регулировать, изменяя соотношение витков между первичной и вторичной обмотками. Обратноходовой трансформатор также обеспечивает электрическую изоляцию между первичной и вторичной обмотками. Кроме того, он также поддерживает несколько вторичных обмоток, что позволяет преобразователю выдавать несколько напряжений.
Паразитные эффекты обратноходовых преобразователей
Как типичная электронная схема, обратноходовые преобразователи подвержены влиянию паразитной индуктивности и емкости (рис. 2).
Схематическое изображение обратноходового преобразователя
Рис. 2. Показана принципиальная схема обратноходового преобразователя, где красным выделены паразитные емкости и индуктивности, относящиеся к компонентам преобразователя. (Источник изображения: Bourns Inc.)
Намагниченная индуктивность (Lm) является основным индуктивным свойством, определяющим запас энергии обратноходовых трансформаторов. С трансформаторами также связана паразитная индуктивность рассеяния (Llk), включенная последовательно с переключателями. Когда переключатель отключен, он попытается сохранить первичный ток и увеличить напряжение на переключателе. В большинстве обратноходовых преобразователей используются схемы фиксации или буферные схемы для защиты переключателей от воздействия таких переходных напряжений. Этот эффект также увеличит излучение магнитного поля и повлияет на электромагнитные помехи. Индуктивность разводки печатной платы (Ltr) усиливает эти эффекты.
Разработчики трансформаторов приложат все усилия, чтобы минимизировать индуктивность рассеяния. Основной метод заключается в увеличении связи между первичной и вторичной обмотками. Чтобы этого добиться, необходимо минимизировать расстояние между обмотками и расположить их в шахматном порядке.
Распределенная емкость включает в себя первичную емкость (Cp), межобмоточную емкость (Cps), вторичную емкость (Cs), выходную емкость полевого транзистора (Co) и вторичную емкость диода (Cd). Эти конденсаторы взаимодействуют с катушками индуктивности, снижая целостность формы сигнала преобразователя (рис. 3).
Принципиальная диаграмма влияния паразитных компонентов, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, на форму сигнала переключателя (щелкните, чтобы увеличить)
Рисунок 3: Показано влияние паразитных компонентов, таких как конденсаторы и катушки индуктивности, на форму сигнала переключения. (Источник изображения: Bourns Inc.)
Форма сигнала переключения предпочтительно представляет собой прямоугольный импульс без перерегулирования или недорегулирования. Быстрое время преобразования этого прямоугольного импульса гарантирует, что форма сигнала напряжения будет равна нулю до того, как ток увеличится. Фактически, эффекты паразитной емкости и индуктивности могут замедлить время преобразования и вызвать перерегулирование, недорегулирование и мгновенные колебания. Кроме того, из-за перекрытия ненулевых форм первичного напряжения и тока более медленное время нарастания и спада приведет к увеличению коммутационных потерь преобразователя. Это перекрытие приведет к коммутационным потерям в переключателях на полевых транзисторах, тем самым снижая эффективность преобразователя. Значительное снижение на вершине импульса вызвано сопротивлением нагрузки и индуктивностью намагничивания.
При проектировании обратноходового трансформатора необходимо приложить усилия, чтобы сохранить собственную резонансную частоту вдали от частоты переключения преобразователя и максимально сократить проводку между переключателем и обратноходовым трансформатором, что помогает минимизировать паразитную емкость. Кроме того, межобмоточная емкость также обеспечивает путь для связи высокочастотных составляющих первичного сигнала с выходным. Чем больше емкость между обмотками, тем больше кондуктивное электромагнитное излучение преобразователя. Для достижения оптимальных характеристик в конструкции необходимо найти компромиссы, поскольку более плотное соединение обмоток снижает индуктивность рассеяния, но также увеличивает межобмоточную емкость. Именно в этом заключается важность опыта проектировщиков трансформаторов.
Уменьшите размер и изолируйте сигналы
Компоненты, используемые в автомобильной промышленности, должны быть как можно меньше. Физические размеры компонентов определяются свойствами материала и физическими характеристиками функциональности компонентов. Для обратноходовых трансформаторов расстояние между проводниками должно быть достаточным, чтобы выдерживать пиковое рабочее напряжение и испытания напряжением, необходимые для стандартной сертификации. Ключевыми характеристиками, связанными с пробоем напряжения, являются зазор и путь утечки (рис. 4).