Как управлять импульсными преобразователями с постоянной частотой переключения. Часть 1

Как управлять импульсными преобразователями с постоянной частотой переключения. Часть 1

Александр Русу, Одесса, Украина

Выбор метода управления импульсным преобразователем электрической энергии так же важен, как и тщательный расчет его силовой части. Результаты анализа переходных процессов, выполненные в [1, 2], показывают, что неправильное управление может привести, в лучшем случае, к нестабильной работе, а в худшем – к выходу из строя питаемого оборудования. Поэтому универсальных преобразователей не существует – для любого источника питания всегда найдется нагрузка, которая не сможет с ним работать.

 

 

 

В предыдущей статье, посвященной вопросам управления импульсными преобразователями электрической энергии [3], были рассмотрены гистерезисные методы, обладающие высокой скоростью реакции на процессы, происходящие в системе, особенно – на резкие колебаний тока нагрузки. Благодаря этой особенности, такой тип контроллеров получил широкое распространение в узлах питания устройств с быстроизменяющимся потреблением энергии, например, радиомодемов или лазеров.

Однако у гистерезисных методов управления есть и ряд недостатков, в числе которых наличие обязательных пульсаций выходного напряжения и постоянно меняющаяся частота переключения. К тому же далеко не все оборудование имеет столь жесткие требования к качеству питающего напряжения, чтобы подобные методы не имели альтернативы. Поэтому реальная область применения гистерезисных контроллеров остается относительно небольшой, а большинство преобразователей функционируют на основе более простых и понятных методов управления с постоянной частотой переключения, о которых и пойдет речь в этой статье.

Особенности управления с постоянной частотой переключения

На самом деле, во многих из рассмотренных далее методов частота переключения не является строго постоянной, а может зависеть от текущего состояния системы, например, от величины тока нагрузки. Кроме того, частота переключения может вообще определяться не контроллером источника питания, а задаваться извне, например, как в некоторых старых компьютерных мониторах или телевизорах, в которых блок питания принудительно синхронизировался с узлом строчной развертки. Поэтому использовать для описания этих методов словосочетания «постоянная частота» (Constant Frequency) или «фиксированная частота» (Fixed Frequency) является не совсем технически корректным. Более точным было бы словосочетание «квазипостоянная частота» (постоянная частота в определенном режиме), но такая терминология сложилась исторически, и изменить ее достаточно сложно.

В контроллерах с постоянной частотой переключения момент начала следующего цикла преобразования известен заранее, в то время как в гистерезисных системах обусловленный шумами джиттер является нормальным явлением даже при отсутствии каких-либо изменений во входном напряжении или токе нагрузки. Все контроллеры с постоянной частотой содержат один ключевой узел, отсутствующий в гистерезисных системах – генератор. Генератор может быть внутренним или внешним, с фиксированной или перестраиваемой частотой, полностью автономный или с возможностью внешней синхронизации, с импульсной, прямоугольной, треугольной или пилообразной формой выходного сигнала – это не имеет принципиального значения, главное – он есть.

При фиксированной частоте переключения F суммарная длительность цикла преобразования не может превышать длительности периода колебаний генератора Т = 1/F. Поскольку в самом простейшем случае цикл преобразования состоит из двух этапов, продолжительностью, соответственно, t1 и t2 [1, 2], то для всех разновидностей методов управления с фиксированной частотой должно выполняться условие:

  (1)

Для гистерезисных методов управления формула (1) не имеет смысла, поскольку для них величины F и, соответственно, Т не определены, поэтому сумма t1 + t2 ничем не ограничена и теоретически может быть любой, в том числе и равной бесконечности.

Появление фиксированной частоты F приводит и к ограничению количества циклов преобразования NПР, от которых зависит выходная мощность преобразователя в данный момент времени [1, 2]:

  (2)

Преобразователи стараются проектировать так, чтобы в формуле (2) обеспечивался знак равенства, но в общем случае количество циклов преобразования NПР может быть меньше количества импульсов генератора за тот же период времени. Этот режим называется «режим пропуска импульсов» (Pulse-Skipping Mode) и часто используется в контроллерах с фиксированной частотой в режиме легких нагрузок. Обратите внимание, что в гистерезисных системах режим пропуска импульсов физически невозможен: там нет генератора импульсов, поэтому и пропускать нечего. При этом процессы, происходящие в силовой части преобразователей с различными методами управления, могут быть абсолютно одинаковы (Рисунок 1). Все это лишний раз доказывает, что силовая часть функционирует на основе физических законов, не зависящих от метода управления, и абсолютно одинаковый результат может достигаться совершенно разными способами.

Одинаковые электрические процессы в преобразователях с разными методами управления.
Рисунок 1. Одинаковые электрические процессы в преобразователях с разными методами управления.

Таким образом, переход на работу с фиксированной частотой приводит к частичному ограничению двух ключевых параметров процесса преобразования: NПР и t1 + t2, а в широких пределах может изменяться только соотношение t1/t2 (Таблица 1). Это не может не сказаться на качестве динамических характеристик, поэтому все контроллеры с фиксированной частотой уступают в быстродействии гистерезисным преобразователям. При этом, как и в гистерезисных системах, чаще всего полностью контролируется только длительность первого этапа преобразования t1, ведь при использовании в качестве второго силового ключа неуправляемого диода длительность второго этапа преобразования t2 может оказаться неконтролируемой.

Таблица 1. Сравнение ключевых параметров процесса преобразования при разных методах управления
Параметр Влияние на процесс
преобразования
Методы с
фиксированной
частотой F
Гистерезисные
методы
Количество циклов
преобразования NПР
От этой величины напрямую
зависит выходная мощность
преобразователя
POUT = NПРWПР,
NПР ≤ F Ограничено лишь
физическими
параметрами
компонентов
Длительность первого
этапа преобразования t1
От этой величины напрямую
зависит количество преобразуемой
энергии WПР
t1 < 1/F Ограничено лишь
физическими
параметрами
компонентов
Соотношение длительностей
первого и второго этапов t1/t2
От этой величины напрямую
зависит соотношение входного
VIN и выходного VOUT
Ограничено лишь
физическими
параметрами
компонентов
Ограничено лишь
физическими
параметрами
компонентов
Длительность цикла
преобразования t1 + t2
От этой величины косвенно
зависит количество преобразуемой
энергии WПР
t1 + t2 ≤ 1/F Ограничено лишь
физическими
параметрами
компонентов

Контроллеры с управлением по напряжению

Метод управления по напряжению (Voltage Mode Regulation) уже давно стал «классическим». Его описание присутствует, наверное, во всех учебниках, посвященных импульсному процессу преобразования, поэтому нет смысла слишком подробно останавливаться на его реализации. Контроллер, построенный по этому методу, имеет два ключевых элемента (Рисунок 2): генератор и компаратор, на один вход которого подается линейно изменяющееся напряжение (пилообразное или треугольное), а на второй – сигнал отрицательной обратной связи, пропорциональный выходному напряжению. Этот сигнал обычно подается на вход компаратора с выхода специализированного операционного усилителя, называемого усилителем ошибки (ошибкой между реальным выходным напряжением и тем напряжением, которое должно быть). Эталонное напряжение VREF обычно также формируется внутренним стабилизированным источником, входящим в состав практически всех современных микросхем контроллеров.

Принцип работы контроллера с методом управления по напряжению.
Рисунок 2. Принцип работы контроллера с методом управления по напряжению.

На выходе компаратора присутствует ШИМ-сигнал, который в принципе уже можно использовать в качестве сигнала управления силовым транзистором VT1. Однако, как правило, между компаратором и драйвером силового ключа устанавливают дополнительные логические схемы, чаще всего – на основе RS-триггера (Рисунок 3). Это позволяет, во-первых, улучшить помехоустойчивость системы и исключить ложные переключения в силовой части преобразователя (Рисунок 4), а, во-вторых, объединить систему управления процессом импульсного преобразования с другими системами контроллера, например, со схемой защиты от пониженного или повышенного напряжения.

Принцип работы контроллера с RS-триггером.
Рисунок 3. Принцип работы контроллера с RS-триггером.

Параметры сигналов внутри контроллера (амплитуда, полярность и т.п.) зависят от особенностей его реализации и могут колебаться в широких пределах, но неизменным остается главный принцип управления: длительность первого этапа преобразования tдолжна быть обратно пропорциональна выходному напряжению VOUT. То есть, чем больше выходное напряжение, тем на меньшее время открывается транзистор VT1 и наоборот.

Пояснение роли RS-триггера в работе системы.
Рисунок 4. Пояснение роли RS-триггера в работе системы.

При очень большом выходном напряжении (при перенапряжении на выходе) транзистор VT1 может вообще не открываться (t= 0) и преобразователь перейдет в режим пропуска импульсов. При малом выходном напряжении транзистор может оказаться открытым на протяжении всего периода (t1 = Т). Однако для многих типов преобразователей, например, для повышающей или обратноходовой схемы, такой режим приведет к выходу из строя силовой части, поэтому максимальная длительность t1 обычно аппаратно ограничивается некоторым значением t1_MAX (именно для этого и используют RS-триггеры).

Выходной сигнал компаратора имеет постоянную частоту и переменную длительностью импульса, пропорциональную VOUT. В свое время в технике связи подобный метод передачи информации получил название «широтно-импульсная модуляция» (Pulse-Width Modulation PWM или Pulse-Duration Modulation PDM). С чьей-то «легкой» руки этот термин когда-то «перекочевал» в силовую электронику и настолько прочно в ней «укоренился», что теперь само понятие «ШИМ» («PWM») часто связывают исключительно с импульсными преобразователями напряжения, хотя сфера применения ШИМ-сигналов гораздо шире.

Ключевые параметры ШИМ-сигнала.
Рисунок 5. Ключевые параметры ШИМ-сигнала.

Кроме амплитуды, частоты и других, традиционных для большинства сигналов, характеристик, ШИМ-сигналы имеют еще два ключевых параметра: коэффициент заполнения D и скважность S. Эти параметры являются обратными и связаны с длительностью импульса τ с периодом Т (Рисунок 5) формулой:

  (3)

И скважность, и коэффициент заполнения с успехом используются в радиотехнике, однако, в силовой электронике использование коэффициента заполнения (Duty Cycle) оказалось более удобным и для понимания, и для использования в расчетах. Во многом это связано с тем, что значение коэффициента заполнения может находиться только в четко ограниченном диапазоне от 0 до 1, в то время как при отсутствии импульсов значение скважности стремится к бесконечности. Да и физический смысл коэффициента заполнения понятен интуитивно: чем он больше, тем шире импульс, а, применительно к силовой технике, – тем больше выходное напряжение. Поэтому не зря коэффициент заполнения очень часто указывают в процентах.

В теории импульсного преобразования коэффициент заполнения импульсов управления определяется как отношение длительности первого этапа преобразования t1, во время которого обычно происходит накопление энергии из первичного источника, к длительности всего цикла:

  (4)

Обозначение (D, К1, КН, ξ) и название (коэффициент заполнения, коэффициент накопления, относительная длительность открытого состояния ключа и т.п.) этого параметра у разных авторов может отличаться, однако в том или ином виде он всегда присутствует в моделях и расчетах. Популярность коэффициента заполнения настолько велика, что его пытаются использовать даже там, где это явно неудобно, а иногда не совсем технически корректно. Например, этот параметр с очень большой осторожностью нужно использовать в расчетах гистерезисных преобразователей, ведь там сигнал управления не имеет (по крайней мере, не должен иметь) какой-либо фиксированной частоты, поэтому ШИМ-сигналы в «классическом» понимании этого термина в этих преобразователях отсутствуют.

Еще одним примером явно неудачного использования коэффициента заполнения является попытка построения регулировочных характеристик преобразователя (зависимостей выходного напряжения от коэффициента заполнения). В разрывном режиме (Discontinuous Conduction Mode), когда t1 + t2 < T, длительность второго этапа преобразования t2 зависит от тока нагрузки, поэтому контроллеру приходится постоянно подстраивать продолжительность первого этапа t1 таким образом, чтобы сохранить требуемое значение коэффициента передачи силовой части, зависящее от t1/t2. Поскольку D = t1/T, то получается, что в разрывном режиме при одном и том же коэффициенте заполнения D выходное напряжение зависит от тока нагрузки. В результате, вместо одной зависимости получается целое семейство регулировочных характеристик при разных сопротивлениях нагрузки RLOAD. А вот если вместо коэффициента заполнения D использовать соотношение t1/t2, то эта неопределенность пропадает (Рисунок 6).

Регулировочные характеристики понижающего преобразователя в зависимости от D и соотношения t1/t2.
Рисунок 6. Регулировочные характеристики понижающего преобразователя в зависимости
от D и соотношения t1/t2.

При использовании метода управления по напряжению схема управления контролирует всего один параметр – выходное напряжение. Если оно мало, то коэффициент передачи силовой части увеличивается (благодаря увеличению соотношения t1/t2), а если велико – то уменьшается. С одной стороны все просто и надежно. Но дело в том, что выходное напряжение может измениться по разным причинам: или из-за изменения входного напряжения, или из-за изменения тока нагрузки, а может и из-за одновременного изменения и того, и другого. В любом случае реакция будет одинакова – сразу после начала возмущения начнется переходной процесс, который будет продолжаться некоторое время, после чего выходное напряжение стабилизируется на некотором уровне (Рисунок 7).

Варианты реакции контроллера с методом управления по напряжению на переходные процессы в системе.
Рисунок 7. Варианты реакции контроллера с методом управления по напряжению на переходные
процессы в системе.

Обратите внимание, что при использовании метода управления по напряжению соотношение t1/t2 является функцией от VOUT. Это значит, что изменение входного напряжения VIN всегда приведет к изменению выходного напряжения VOUT, потому что для другого соотношения VOUT/VIN должно быть другое соотношение t1/t2, а его можно изменить, только изменив VOUT. А вот изменение тока нагрузки, хоть и приводит к появлению переходных процессов, но выходное напряжение в конечном итоге, скорее всего, остается неизменным (Рисунок 7).

Очевидно, что при таком подходе к стабилизации выходного напряжения самое главное – «не перестараться». Ведь контроллер «не знает» причины отклонения выходного напряжения, поэтому при слишком быстрой реакции система может стать неустойчивой и из стабилизатора превратиться в генератор (Рисунок 7 – красные диаграммы). Именно поэтому во всех контроллерах с фиксированной частотой переключения присутствует компенсирующая цепочка, позволяющая корректировать амплитудно-частотную характеристику контура отрицательной обратной связи, а расчет устойчивости схемы является обязательным этапом проектирования.

Из-за низкого быстродействия контроллеры с методом управления по напряжению «не любят» резких изменений режимов работы, поэтому емкости входных и выходных конденсаторов C1 и C2 стараются выбирать как можно больше. Например, параметры выходного конденсатора C2 рассчитывается не на основании допустимого уровня пульсаций (хотя это тоже проверяется), а на основании допустимого уровня отклонения выходного напряжения при переходных процессах, особенно при резком отключении нагрузки.

Очевидно, что необходимость использования конденсаторов повышенной емкости отрицательно сказывается на удельных характеристиках преобразователя. Кроме того, в контроллере с методом управления по напряжению отсутствуют какие-либо узлы, контролирующие режим работы силовой части. Это приводит к тому, что силовая часть при максимальном токе нагрузки обычно работает в безразрывном режиме (Continuous Conduction Mode), переходя, по мере уменьшения выходного тока, в граничный и разрывный режим. В результате преобразователи с методом управления по напряжению принципиально не могут иметь высокую удельную мощность, поскольку их и индуктивные, и емкостные накопители должны иметь избыточную емкость.

Тем не менее, метод управления по напряжению имеет и ряд преимуществ, среди которых простота и надежность, поддержка нескольких контуров управления, поддержка сложных алгоритмов преобразования, в том числе и многофазных, и множество других. Например, если добавить в схему управления еще один усилитель ошибки, тогда одним контроллером можно регулировать не только выходное напряжение, но и выходной ток (Рисунок 8). Выбор контура управления осуществляется автоматически: активным является тот усилитель, у которого напряжение ошибки больше (или меньше – в зависимости от уровней сигналов). При такой организации контроллера при малых токах нагрузки преобразователь будет стабилизировать выходное напряжение, а при больших – выходной ток. Очевидно, что такой алгоритм работы не только может обеспечить защиту от перегрузки по току, но и идеален для создания зарядных устройств.

Понижающий преобразователь с двумя контурами отрицательной обратной связи по напряжению.
Рисунок 8. Понижающий преобразователь с двумя контурами отрицательной обратной связи
по напряжению.

Силовая часть многих преобразователей может содержать трансформаторы, позволяющие значительно уменьшить размеры их силовой части [4]. Однако для работы этих индуктивных элементов необходимо двухполярное напряжение, поэтому количество управляемых ключей в силовой части преобразователя обычно больше. В ШИМ-контроллерах организовать работу трансформаторов можно с помощью несложных логических схем, предназначенных для распределения управляющих импульсов между выходными каналами (Рисунок 9). Самое интересное, что в этом случае низкое быстродействие контроллеров данного типа из недостатка сразу становится преимуществом, поскольку даже при самых быстрых переходных процессах длительности соседних импульсов будут отличаться незначительно, а это значит, что при переходных процессах вероятность насыщения магнитопровода трансформатора из несимметричности положительных и отрицательных импульсов будет крайне мала.

Схема управления преобразователем с трансформатором в силовой части.
Рисунок 9. Схема управления преобразователем с трансформатором в силовой части.

Количество выходных каналов контроллера может быть и больше, причем из-за постоянной частоты переключения все выходные сигналы будут синхронны во времени и иметь одинаковую частоту и одинаковый фазовый сдвиг. А это позволяет без особых проблем создавать на основе этого метода многофазные преобразователи, используемые для питания оборудования с большими токами потребления.

Список источников

  1. Русу А.П. Откуда появляются переходные процессы в импульсных преобразователях электрической энергии
  2. Русу А.П. Как управлять импульсными преобразователями электрической энергии
  3. Русу А.П. Как работают импульсные преобразователи с гистерезисным управлением
  4. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии?
 
 
Оригинал здесь.

Комментарии

Чтобы оставить комментарий, Вам нужно авторизоваться.