Транзисторы для импульсных блоков питания: ИМПУЛЬСНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ СВОИМИ РУКАМИ

Простой метод выбора ключевых транзисторов для импульсных источников питания » Журнал практической электроники Датагор

На фотке — метод «ошибок трудных». Шурик, это не наш метод!

При проектировании или сборке по готовой схеме ИИП одним из острых вопросов является выбор ключей. И если по остальным деталям можно как-то подстроиться (мотать трансформатор в 2 провода вместо 1, если не хватает сечения или ставить два конденсатора параллельно вместо одного, если не хватает емкости и т.д.), то с ключами не так-то всё и просто. Неправильный выбор ведет к большому БУМУ (вспоминая знаменитый фильм Люка Бессона: «Бада-бум!») из-за теплового или электрического пробоя. И здесь тоже не всё просто. Электрический пробой произойдет сразу (или почти сразу), а вот тепловой можно ждать долго, и случится он в самый неподходящий ответственный момент.

В первый раз я задался вопросом выбора ключей около 8 лет назад. Куда же я пошел первым делом? В интернет, естественно, ага. В общем и целом могу теперь сказать так: зря я это сделал. Вопрос выбора ключей для импульсной техники в интернете оброс кучей недостоверных фактов, мифов и неправильными интерпретациями графиков в даташитах.

Мой способ выбора ключей тоже неидеальный и неполный. Однако в подавляющем большинстве случаев в радиолюбительской практике его окажется достаточно и даже за глаза, сами рады не будете.
Начнем!

Содержание / Contents

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Трансформатор R-core 30Ватт 2 x 6V 9V 12V 15V 18V 24V 30V

Паяльная станция 80W SUGON T26, жала и ручки JBC!

Отличная прочная сумочка для инструмента и мелочей

Хороший кабель Display Port для монитора, DP1.4

Конденсаторы WIMA MKP2 полипропилен

Трансформатор-тор 30 Ватт, 12V 15V 18V 24V 28V 30V 36V

SN-390 Держатель для удобной пайки печатных плат

Панельки для электронных ламп 8 пин, керамика

Создайте тему на любом форуме, связанным с радиоэлектроникой, с вопросом: «Как выбрать ключи в ИИП?».
Ответы будут самые разнообразные: от «выбирай ключи по напряжению и максимальному току» до «выбирай ключи по графику Maximum Safe Operating Area». Сюда входят все вариации типа «выбирай на ток вдвое больше максимального тока первичной обмотки» до «надо чтобы мощность, выделяемая при падении напряжения на сопротивлении открытого перехода, была меньше максимальной рассеиваемой мощности корпуса».

Вот весь этот бред читают новички и далее «делятся опытом» с другими. Жуть, да и только.
Вот, к примеру, знаменитый график Maximum Safe Operating Area (оно же ОБР, область безопасной работы) для ключа IRFS840B:

Посмотрите на него внимательно. Посмотрите, какие оси создают этот график. Посмотрели? Больше никогда не смотрите в его сторону.
На этот график призывают смотреть люди, пришедшие из аналоговой линейной техники, линейных усилителей или линейных стабилизаторов.

Чем может быть полезен этого график для разработки импульсных преобразователей или импульсных же усилителей (они же D-класс или цифровые)? Ничем.
А, ну не совсем так: этот напоминание о том, что у полевых транзисторов отсутствует вторичный пробой и что транзистор может быть пробит как при превышении максимального рабочего напряжения, так и при превышении максимального тока через него.
Много это нам дало? Не-а, вообще ничего, это всё в начале даташита указывается словами.

Надо сказать честно, что тот график в отдельных даташитах действительно вводит в заблуждение неподготовленного человека, ибо иногда к таким графикам идет ещё один, указывающий зависимость выхода за ОБР от частоты работы транзистора. Но это всё для линейной техники, для тех ситуаций, когда есть недооткрытое или недозакрытое состояние транзисторов, когда есть некие переходные процессы.

Мы же собираемся делать технику, которая использует только 2 состояния транзистора: полностью открытое и полностью закрытое, никаких средних значений. Исходя из того, что график ОБР нам лишний раз напоминает: вторичного пробоя у полевых транзисторов нет. Следовательно, изначально нас сдерживают только 2 параметра: максимальная рабочая температура кристалла Tj, указывающая на то, когда начнется тепловой пробой, и максимальное рабочее напряжение исток-сток Vdss, определяющее, когда начнется электрический пробой.
Косвенно удерживает параметр ток стока Id, который влияет на нагрев кристалла.

Теперь, попробуем разобраться с вопросом подбора транзистора. С вопросом максимального напряжение ни у кого не должно возникнуть сомнений. Просто для страховки берем ключ на 200 Вольт больше, чем максимальное действующее напряжение в схеме. Например, в ИИП я советую 600-вольтовые ключи, не ниже.

Вопрос в том, что делать с температурой. Она таки считается! Для теплового расчета надо всего лишь узнать, сколько Ватт потерь получится при работе ключа и как сильно надо его охладить, чтобы не случилось теплового пробоя.
Если результат меньше Tj, то использовать такой транзистор можно. Если больше, увы и ах, но надо выбирать дальше.

Из чего состоит нагревание? Для начала из статических потерь, связанных с сопротивлением перехода Rds on, которое влияет на падение напряжения на переходе, в зависимости от протекающего через ключ тока.

Это падение напряжение вызывает выделение мощности на кристалле и нагрев транзистора в открытом состоянии. Считается как произведение квадрата среднего тока импульса Iимп на сопротивление перехода Rds on и коэффициента заполнения Кзап. Последний показывает, какую часть времени транзистор открыт.

В большинстве радиолюбительских конструкции мостовых и полумостовых преобразователей и усилителей Кзап не выше 0.45, а дальнейшее увеличение его не приводит ни к чему особенно хорошему, кроме сильной боли в голове или ж…
Так, ладно, со статическими потерями разобрались.

Теперь динамические потери. Эти потери — основная проблема в преобразователях на полевых транзисторах с жесткой коммутацией ключей. Они возникают в момент включения и выключения ключа. Так сказать, потери на переходных процессах. И чем выше частота преобразования, тем выше динамические потери. А ниже делать частоту тоже не хочется, ведь тогда вырастают размеры трансформатора.

Есть резонансные или квазирезонансные схемы, позволяющие значительно снизить динамические потери, но это уже сложная техника, к которой никак не подходит выражение «простой расчет».

Итак, динамические потери состоят из потерь при включении и потерь при выключении. Считается как произведение тока в начале (Ir) или конце (If) импульса, напряжения питания (Uпит) и времени нарастания (Tr) или спада (Tf), разделенное на двойной период импульса. Хочу сразу заметить: отдельно считаются потери при включении и отдельно при выключении, а потом суммируются.

Теперь охлаждение. Основная проблема охлаждения — тепловое сопротивление между разными материалами. У транзистора таких мест 2: между кристаллом и корпусом транзистора, а так же между корпусом транзистора и радиатором. Эти значения табличные и не требующие вычислений. Первое значение берется из даташита на транзистор. Второе тоже можно взять оттуда, если оно там имеется. Если нет, то берётся усредненное значение.

Итак, потери подсчитаны, пора применять в деле. Первым делом, складываем потери динамические и статические, получаем общие потери — это сколько Ватт надо отвести от кристалла.

Затем складываем тепловые сопротивления.

Теперь умножаем общие потери на тепловое сопротивление. Получившийся результат — та температура, которую нужно «сдувать» с радиатора. Вычтем из ожидаемой рабочей температуры получившуюся, и на выходе нас ждет ожидаемая температура радиатора.
Именно по ней можно оценить, подходит или нет транзистор.

Как? Очень просто. Ожидаемая температура радиатора не может быть ниже температуры окружающей среды при естественном охлаждении. То есть, если у вас получился результат +24°, а на улице +32° то всё, кранты! Транзисторы ждёт тепловой пробой, потому как никакой супервентилятор не сможет охладить радиатор до 24 градусов, если температура воздуха выше. Совсем печально, если результат получился отрицательным. Если у вас нет фреоновой или азотной системы охлаждения, лучше выбрать другой транзистор.

Разумеется, в деле, подобном этому, есть свои тонкости и особенности. В целом, можно это охарактеризовать выражением «не доводи до крайностей», которое весьма полно объясняет чего нельзя делать, чтобы не бабахнуло.

В первую очередь это касается температур. Tj — это максимальная рабочая температура кристалла транзистора, фактически потолок его работоспособности. Было бы как минимум нелепо использовать это значение при расчете. Никогда не загоняйте параметры в угол, всегда оставляйте место для маневра.

Я, к примеру, использую в расчёте температуру на 5-10° ниже, и обзываю ее «Температура ожидаемая» — T_ож.. Так как наиболее часто Tj указывается в районе 125° Цельсия, я использую в расчете 115-120°.

Далее, температуру окружающей среды для оценки тоже не следует брать наобум. Есть утвержденные ГОСТы, хотя можно просто принять для средней полосы +35° и +45° для южных регионов. Это для того, чтобы в набитом людьми помещении летом техника не сгорела синим пламенем. Ну и для случаев колебания температур.
Для работы на открытом воздухе под солнцепеком есть еще более жесткие условия, но это уже за рамками радиолюбительства.

Далее о напряжениях. Всегда стоит сделать запас прочности по допустимому напряжению. Опять-таки, в даташите параметр Vdss — предельный. И подбор транзистора строго под выпрямленное напряжение сети может сыграть злую шутку. Посчитаем: при напряжении в сети 220 Вольт на выходе мостового выпрямителя будет 310 Вольт. Однако в реальности в сети редко бывает 220 Вольт, и скачки до 20%, увы, обыденное явление. И что же будет, если напряжение в сети увеличится на эти 20%? На выходе выпрямителя будет уже 378 Вольт. Добавим сюда шум от сварочника и, вуаля, 400-вольтовый ключ искрится и взрывается.

Мне довелось отремонтировать очень много усилителей, в которых многочисленные дядюшки Ляо экономили на транзисторах. Не делайте так, разочарований будет куда больше экономии.

Как-то блуждая по просторам интернета, я наткнулся на аппноут IR, рекомендовавший выбирать ключи с запасом в 200 — 250 Вольт от максимального напряжения в схеме. Увы, этот аппноут я не сохранил, а затем найти его не смог. У кого-то есть сомнения, что он вообще существует, но сама рекомендация звучит достаточно трезво, пусть и относительно недёшево.

Теперь о сопротивлении перехода. В открытом состоянии идеальный ключ должен пропускать весь ток без потерь. Увы, живём мы в неидеальном мире. В настолько неидеальном, что маркетологи с удовольствием этим пользуются. Открывая даташит любого полевого транзистора можно увидеть маленькую характеристику Rds on, написанную большим шрифтом. Так вот: это сопротивление перехода при некоей „комнатной“ температуре в 20-25 градусов. Для того же IRFS840B указывается 0,8 Ома.

Это всё красиво только на словах, на деле кристалл в процессе работы будет нагреваться, что неизбежно приведет к увеличению сопротивления открытого перехода. Об этом мало кто помнит, но именно на это надо опираться, при выборе подходящего транзистора.
Чаще всего в даташитах не указывают эти печальные цифры, а лишь приводят график температурного коэффициента сопротивления ТКС, вот он для выбранного нами транзистора:

Как видно на графике, при нагревании сопротивление открытого перехода быстро увеличивается, и для рекомендованных мною максимальных рабочих 120° ТКС открытого канала уже составляет 2,1 Ома, а значит из приятных 0,8 Ом уже получаются малоприятные 1,68 Ома. Печаль, да и только, но с этим надо считаться.

Ну и последняя из тонкостей. Обязательно учитывайте крайние характеристики транзистора. В таблицах даташита всегда указывается три значения: минимальное, типичное и максимальное (или лучшее, типичное и худшее). Это касается практически всего. Например, время открытия и время закрытия. Причем с маркетинговой точки зрения делается упор именно на типичное время открытия и закрытия. Так, например, для IRFS840B типичное время нарастания составляет 65 нс, что и пишется всюду, хотя отдельные экземпляры доходят до 140 нс, что более чем в 2 раза дольше! Соответственно, для расчета необходимо использовать именно худшее значение, если нет желания отбирать транзисторы для конструкции.

Для выбора ключевого транзистора необходимо:

1. Всегда помнить о неидеальности условий окружающей среды
   
2. Использовать в расчете параметры наихудших экземпляров
   
3. Всегда оставлять запас и место для маневров
   
4. Иметь ввиду тепловые изменения параметров
   
5. Не давать кристаллу перегреваться
   
6. Не допускать перенапряжения из-за плохой сети
   

Все остальное считается и выбирается.

И вот здесь у меня для вас есть бонус. Так как я всё же ленив, то сделал таблицу в Excel, которая сама всё посчитает. Остается только сделать вывод о пригодности или непригодности транзистора.

🎁thermal_calc.zip  2.33 Kb ⇣ 250
Краткая инструкция по использованию: редактируются только желтые ячейки, данные вписываются исходя из проектируемой конструкции (частота преобразования, напряжение питания, коэффициент заполнения) и из даташита на транзистор (все остальное).
В зеленых ячейках получаем результаты. Как интерпретировать, читайте выше.

Для преобразователей с жесткой коммутацией ключей (традиционные) ток в начале импульса (Ir) и ток в конце импульса (If) равны среднему току импульса.

Для нетрадиционных вариантов типа резонансных ZVC и прочих — согласно расчету, вплоть до 0.
Для примера, в таблицу уже внесены данные на полюбившийся IRFS840B, в полумостовом преобразователе с жесткой коммутацией ключей со средним током первичной обмотки 2А.

Очень надеюсь, что этот маленький опус поможет выбрать транзисторы правильно и при этом не убить нервы.
Всем удачи! Спасибо за внимание!

 

Транзисторы для мощных источников питания: какую технологию выбрать?

10 февраля

телекоммуникацииуправление питаниемInfineonстатьядискретные полупроводникиMOSFET

Франческо Ди Доменико (Infineon)

Читая восторженные статьи о внедрении широкозонных полупроводников (SiC и GaN), можно прийти к выводу, что эра кремния в мощных импульсных источниках питания закончилась. Однако есть масса приложений, где он остается незаменимым и не скоро сдаст свои позиции. Об этом рассказывает специалист компании Infineon.

Полупроводниковые приборы, изготовленные из материалов с широкой запрещенной зоной, с каждым днем используются все в большем количестве приложений. Немаловажную роль в этом играет то, что транзисторы на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) на бумаге имеют лучшие характеристики, чем их аналоги, выполненные из кремния (Si), пока еще остающегося традиционным материалом для изготовления многих полупроводниковых приборов. Основными преимуществами широкозонных полупроводников являются меньшие потери проводимости и возможность работать при более высоких температурах кристаллов. Это значит, что импульсные преобразователи электрической энергии (Switching Mode Power Supplies, SMPS) с карбид-кремниевыми и нитрид-галлиевыми транзисторами теоретически должны иметь более высокие значения КПД и удельной мощности. Однако практика показывает, что замена кремниевых транзисторов их широкозонными аналогами не всегда приводит к ожидаемому результату, и есть достаточно много случаев, когда использование кремния все еще остается оптимальным технологическим выбором.

Особенности транзисторов для преобразователей с высоким КПД

В последние годы в области импульсного преобразования сложился определенный баланс между реальным значением КПД, которого можно достичь при использовании существующих технологий, и ценой, которую современные потребители готовы платить за столь высокую эффективность. В этой статье будут рассмотрены характеристики одной из основных сфер применения широкозонных транзисторов – сетевых источников питания, состоящих из корректора коэффициента мощности (ККМ) (Power Factor Corrector, PFC) и изолированного преобразователя постоянного напряжения (DC/DC-Converter). Рассмотрим, всегда ли новые полупроводниковые материалы – карбид кремния и нитрид галлия – позволяют создавать преобразователи с лучшими характеристиками, чем при использовании традиционного кремния.

Для начала следует отметить, что транзисторы, выполненные из разных полупроводниковых материалов, имеют разную конструкцию. Кремниевые транзисторы с суперпереходом и их карбид-кремниевые аналоги относятся к классическим полевым транзисторам с изолированным затвором – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) и чаще всего имеют вертикальную структуру, в которой ток протекает через несколько слоев полупроводникового материала, легированных разными примесями (рисунок 1). В нитрид-галлиевых транзисторах ток протекает в плоскости нелегированного кристалла, что обеспечивает высокую подвижность носителей заряда, из-за чего силовые транзисторы из нитрида галлия относят к отдельному классу полупроводниковых приборов – HEMT (High-Mobility Electron Transistors).

Рис. 1. Конструкция транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Разная конструкция и разные полупроводниковые материалы приводят к большому расхождению параметров и характеристик приборов. Для сравнения транзисторов, выполненных по разным технологиям, часто используют показатели или метрики качества (Figures of Merit, FoM), сочетающие в себе и статические, и динамические характеристики прибора. Чаще всего метрики качества являются произведением сопротивления канала в проводящем состоянии R_DS(ON) и одного из параметров, определяющих потери при коммутации.

Анализ параметров транзисторов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов, показывает, что если анализировать только метрики качества, основанные на величинах заряда паразитной емкости сток-исток (Q_oss), заряда входной емкости (Q_g) или заряда восстановления паразитного антипараллельного диода (Q_rr), то кремниевые транзисторы выглядят намного хуже своих аналогов (рисунок 2). Однако если проанализировать метрику качества, равную произведению сопротивления канала R_DS(ON) и энергии, запасаемой в выходной емкости (E_oss) и во многом определяющую комплексные потери, возникающие при работе транзистора, то окажется, что кремниевые транзисторы по этому параметру лучше своих карбид-кремниевых аналогов, а самыми лучшими являются транзисторы, изготовленные из нитрида галлия. Однако является ли такой вывод корректным? Попробуем разобраться в этом вопросе более детально.

Рис. 2. Метрики качества транзисторов с максимальным напряжением 600/650 В, изготовленных из разных полупроводниковых материалов

Одним из приоритетных направлений развития импульсных преобразователей является повышение их удельной мощности. И если уменьшение объема, занимаемого преобразователем, происходит при том же значении КПД, то такая модернизация неизбежно приведет к увеличению рабочих температур всех его компонентов, в том числе и транзисторов. Однако все параметры транзисторов, в первую очередь – сопротивление канала в проводящем состоянии R_DS(ON), зависят от температуры, а вот характер этой зависимости уже определяется типом полупроводникового материала. Наибольшую зависимость сопротивления канала от температуры имеют кремниевые транзисторы с суперперходом. Сопротивление канала нитрид-галлиевых HEMT благодаря меньшему количеству примесей меньше зависит от температуры, однако наибольшую стабильность этого параметра имеют карбид-кремниевые MOSFET. Если взять за основу сопротивление канала при 25⁰С, то окажется, что при разогреве кристаллов до 100⁰С сопротивление канала карбид-кремниевого MOSFET возрастет на 26% менее, чем у нитрид-галлиевого HEMT, и на 32% менее, чем у кремниевого транзистора с суперпереходом (рисунок 3). Это значит, что кремниевый транзистор, имеющий при комнатной температуре R_DS (ON) = 70 мОм, после прогрева может иметь худшие метрики качества, чем карбид-кремниевый транзистор, у которого сопротивление канала при комнатной температуре равно 100 мОм.

Рис. 3. Нормализованные зависимости сопротивлений каналов от температуры

Анализ примеров построения сетевых источников питания мощностью 3 кВт

Хорошим примером практического применения различных полупроводниковых материалов являются сетевые источники питания, предназначенные для телекоммуникационного оборудования. Поскольку подобная техника работает круглосуточно, увеличение КПД ее источников питания является прямым путем уменьшения расходов на электроэнергию, а значит – и снижения стоимости предоставляемых услуг. На сегодняшний день типовой источник питания для телекоммуникационной техники при 50% загрузке должен иметь КПД не менее 97%, а устройства премиум-класса – не менее 98%. Однако столь высокого значения КПД для устройств, имеющих два каскада преобразования энергии (корректор коэффициента мощности и преобразователь постоянного напряжения), достичь не так просто. Для этого нужно не только выбрать тип транзисторов, но еще и правильно подобрать схему и режим работы каждого из каскадов.

Чтобы источник питания телекоммуникационного оборудования с выходным напряжением 48 В и максимальной мощностью 3 кВт при нагрузке 50% имел общий КПД 98%, КПД его ККМ в этом же режиме должен быть не менее 99%. На сегодняшний день корректоры коэффициента мощности могут иметь разную конфигурацию силовой части. Чаще всего используются схемы на основе диодного выпрямителя и повышающего каскада (в том числе и двухфазного – Dual-Boost PFC), разновидности безмостовых схем (схем без классического диодного выпрямителя, называемых в англоязычной литературе схемами на основе «тотемного столба» – Totem-Pole PFC) или схемы на основе повышающего каскада, работающего на переменном токе (h5/H-bridge PFC). Кроме того, на характеристики ККМ во многом влияет режим работы силовой части, которая может работать как в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode, CCM), так и в режиме с треугольной формой токов (Triangular Current Mode, TCM). Однако далеко не все схемы ККМ позволяют достичь высоких значений КПД. Особого внимания заслуживает безмостовая схема с четырьмя управляемыми ключами (Full-Bridge Totem-Pole PFC), два из которых являются нитрид-галлиевыми HEMT, работающая в режиме CCM – ее КПД достигает 99,3% (рисунок 4). Однако это не намного больше, чем при использовании в этой же схеме традиционных кремниевых транзисторов с суперпереходом, работающих в режиме TCM, КПД которой также превышает 99%.

Рис. 4. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, КПД которых превышает 99%

В других схемах переход на элементную базу на основе широкозонных полупроводников также не всегда дает ожидаемый эффект. Например, двухтранзисторная версия безмостового ККМ (Half-Bridge Totem Pole PFC) на основе нитрид-галлиевых транзисторов, работающих в режиме CCM, хоть и имеет меньшее количество управляемых ключей, но из-за меньшего значения КПД, не превышающего 98,8%, уже не подходит для блоков питания премиум-класса. А КПД той же двухтранзисторной безмостовой схемы, но уже на основе карбид-кремниевых транзисторов, также работающих в режиме CCM, оказывается еще меньше, чем при использовании нитрид-галлиевых приборов, и не превышает 98,6% (рисунок 5). Это позволяет сделать вывод, что не всегда транзисторы из широкозонных полупроводников, имеющих отличные характеристики на бумаге, могут улучшить параметры реальных схем. Поэтому традиционные кремниевые MOSFET с суперпереходом все еще остаются актуальной элементной базой, и при соблюдении определенных условий характеристики источников питания на их основе могут быть лучше, чем при использовании новых технологий. Правда, следует отметить, что четырехтранзисторный безмостовой корректор коэффициента мощности, силовая часть которого работает в граничном режиме, является одним из самых дорогих вариантов построения этого узла и самым сложным в плане управления силовыми транзисторами.

Рис. 5. Результаты исследований корректоров коэффициента мощности, построенных по разным схемам

И здесь мы подходим к ключевому моменту всей статьи: на сегодняшний день кремниевые транзисторы все еще остаются дешевле их широкозонных аналогов с такой же установочной мощностью. Кроме того, кремниевые технологии хорошо изучены, а инженеры, работающие в области силовой электроники, имеют богатый практический опыт по использованию приборов на основе этого полупроводникового материала. Однако возможности новых технологий также не стоит недооценивать. Не следует забывать, что при использовании кремниевых транзисторов высокие характеристики узлов источника питания, в данном случае – ККМ, обычно достигаются использованием более сложной конструкции и более сложных методов управления. А вот переход на новые технологии в большинстве случаев позволит достичь тех же характеристик, но гораздо меньшей ценой.

Проанализируем теперь второй узел источника питания телекоммуникационной аппаратуры – изолированный преобразователь постоянного напряжения. Чтобы сетевой источник питания соответствовал мировым стандартам и обеспечивал при 50% загрузке КПД не хуже 98%, необходимо, чтобы его преобразователь постоянного напряжения в этом режиме имел КПД не меньше 99,1% (при условии, что КПД ККМ не меньше 99%). Самой простой схемой силовой части, которая может быть использована для этого узла, является резонансный полумостовой LLC-преобразователь. Эта схема является простой и понятной и подходит для использования транзисторов, изготовленных из всех рассмотренных полупроводниковых материалов (Si, GaN и SiC). Однако максимальное значение КПД, которое может обеспечить источник питания с однофазным полумостовым LLC-преобразователем, не превышает 97% (при нагрузке 50%) при условии, что КПД его корректора коэффициента мощности в этом режиме не ниже 99%.

Достигнуть  требуемого значения КПД можно путем использования более сложных многофазных схем преобразователя, например, трехфазной полумостовой схемы (Three-Phase Interleaved Half-Bridge LLC-converter). Однако в этом случае использование вместо кремниевых транзисторов их широкозонных аналогов не даст никакого дополнительного увеличения КПД. При использовании трехфазной схемы можно лишь несколько увеличить удельную мощность за счет размещения всех трех трансформаторов на одном магнитопроводе, однако такой подход требует глубокого понимания механизма работы индуктивных компонентов.

Нитрид-галлиевые и карбид-кремниевые транзисторы в этом случае могут иметь другие преимущества, например, с их помощью можно оптимальнее скомпоновать силовую часть преобразователя. Кроме того, использование транзисторов на основе широкозонных полупроводников может быть обосновано в LLC-преобразователях, построенных по другим схемам, в частности двухфазной полумостовой или двухфазной мостовой. Следует отметить, что все многофазные LLC-схемы имеют лучшие характеристики по сравнению со своими однофазными эквивалентами, в первую очередь – за счет разделения преобразуемой мощности между несколькими силовыми каналами, приводящего к распределению мощности тепловых потерь между большим количеством элементов и, как следствие, к более эффективному охлаждению транзисторов. При этом полумостовые версии многофазных преобразователей имеют меньшее количество ключей, что упрощает управление силовой частью, а мостовые – повышенную частоту пульсаций выходного напряжения и несколько меньшее выделение тепла на транзисторах, расположенных на первичной стороне.

Не следует также забывать и об удельной мощности, ведь для некоторых приложений ее значение является критическим. К сожалению, увеличить удельную мощность импульсных схем можно только одним способом – увеличением частоты преобразования. А в этом случае нитрид-галлиевые транзисторы имеют неоспоримые преимущества по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. При использовании в силовой части LLC-преобразователя нитрид-галлиевых транзисторов его КПД может оставаться в заданных пределах при повышении рабочей частоты до 500 кГц, в то время как КПД источников питания, построенных на основе транзисторов из кремния и карбида кремния, катастрофически падает уже при частоте преобразования, равной 300 кГц (рисунок 6).

Рис. 6. Влияние частоты преобразования на КПД LLC-преобразователя

Обратите внимание, что при повышении рабочей частоты увеличение удельной мощности происходит в основном за счет миниатюризации реактивных элементов, принимающих непосредственное участие в процессе преобразования: трансформаторов, дросселей и фильтрующих конденсаторов. Также объем, занимаемый преобразователем, можно уменьшить за счет применения радиаторов меньшего размера и более эффективных систем охлаждения. А вот количество и размеры других узлов, например, вспомогательных источников питания, особенно при использовании технологии поверхностного монтажа, на удельные характеристики сетевых источников питания такой мощности практически не влияет. В целом, увеличив рабочую частоту преобразователя постоянного напряжения с 100 кГц до 300 кГц, можно уменьшить размеры источника питания приблизительно на 30%.

Так какой же полупроводник лучше?

К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос, как вы уже поняли, не существует. Кремниевые транзисторы, в производстве и использовании которых на сегодняшний день накоплен огромный опыт, все еще будут использоваться во многих практических разработках уже хотя бы потому, что при определенных условиях КПД источников питания на их основе может быть ничем не хуже, чем при использовании широкозонной элементной базы. Однако когда требования к источнику питания выйдут за рамки нынешних типовых значений, вполне вероятно, использование кремниевых транзисторов уже не сможет удовлетворить столь жесткие требования, и тогда широкозонным полупроводникам просто не будет альтернативы. Например, нитрид галлия лучше всего использовать в приложениях, критичных к величине удельной мощности, поскольку транзисторы на его основе обладают отличными характеристиками в широком диапазоне частот. А вот для преобразователей, работа которых планируется в сложных температурных условиях, особенно при работе в зоне повышенных температур, лучше всего подходят транзисторы из карбида кремния. В любом случае, проведенный в этой статье анализ показывает, что к выбору полупроводникового материала для силовых транзисторов необходимо подходить сбалансированно и непредубежденно, а для своих разработок выбирать только надежных и проверенных производителей электронных компонентов, не отвлекаясь на блестящие перспективы новомодных передовых технологий, которые, возможно, на практике пока еще не достигнуты.

Оригинал статьи

Перевел Александр Русу по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Блок питания 101: резисторы, транзисторы и диоды

Резисторы, транзисторы и диоды

Резисторы

Резисторы являются наиболее часто используемыми электронными компонентами. Их роль состоит в том, чтобы просто ограничить поток электрического тока, когда это необходимо, и убедиться, что на компонент подается правильное напряжение. Измеряем сопротивление в омах. Однако, поскольку ом представляет очень маленькое сопротивление, в большинстве случаев вы увидите сопротивление, измеренное в кОм (1000 Ом) или МОм (1 000 000 Ом) .

Изображение 1 из 2

Когда мы объединяем несколько резисторов в ряд, мы просто добавляем их сопротивление (уравнение 1 ниже). Один и тот же ток протекает через все резисторы, соединенные последовательно, но на каждом резисторе есть некоторое падение напряжения.

        (1)             R _серия = R1+R2+R3…

Когда мы соединяем несколько резисторов параллельно, мы уменьшаем общее сопротивление (уравнение 2). Кроме того, при наличии в цепи нескольких ветвей сопротивления ток, протекающий по каждой из них, обратно пропорционален сопротивлению ветви.

        (2)             R _{параллельный} = 1/(1/R1+1/R2+1/R3…)

Поскольку мы дошли до этого места, следует упомянуть закон Ома: напряжение равно току, умноженному на сопротивление ( уравнение 3). Другим не менее известным законом является закон Джоуля (уравнение 4), который дает отношение мощности (P) к напряжению (V) и току (I).

        (3)             V = I x R

        (4)             P = V x I = (I x R) x I = I ² X R

Транзисторы

Транзистор считается самым большим открытием или инновацией 20 ^го века. Действительно, внутри каждого электронного устройства в настоящее время вы найдете транзисторы, работающие легко и надежно. Двумя наиболее распространенными типами транзисторов являются транзисторы с биполярным переходом (BJT), которые можно разделить на транзисторы NPN и PNP, и полевые транзисторы (FET). Подобно BJT, полевые транзисторы бывают N-канального и P-канального типов. Двумя основными типами полевых транзисторов являются MOSFET (металло-оксидные полупроводниковые полевые транзисторы) и JFET (переходные полевые транзисторы).

Транзистор имеет три вывода: исток, затвор и сток. Чтобы объяснить его работу, мы будем использовать простую парадигму. Подумайте о трубе, которая соединяет источник воды с канализацией. Клапан (заслонка) регулирует поток воды, будучи полностью закрытым, частично открытым или полностью открытым. То же самое и в транзисторе. Подавая напряжение или ток (в зависимости от типа транзистора) на затвор, мы можем контролировать ток, протекающий от истока к стоку. В NPN-транзисторах исток, затвор и сток называются коллектором, базой и эмиттером соответственно. Двумя основными функциями транзисторов являются усиление слабых сигналов и переключение.

Изображение 1 из 2

В блоках питания в основном используются полевые транзисторы NPN в преобразователе APFC и в качестве основных переключателей. Для дальнейшего повышения эффективности они также используются во вторичной обмотке для выпрямления выходов постоянного тока (синхронная конструкция).

Диоды

Диод можно рассматривать как односторонний клапан. Когда к нему приложено напряжение, он позволяет току течь в одном направлении, но не в другом. Этот процесс иногда также называют процессом ректификации. Один конец диода называется анодом, а другой — катодом. Большинство диодов позволяют току свободно течь от анода к катоду. Когда с диода начинает течь ток, на нем происходит постоянное падение напряжения. Для большинства диодов это падение напряжения составляет примерно 0,7 В.

Все диоды имеют номинальный ток, который указывает максимальный прямой ток, который они могут выдержать. Кроме того, показатель пикового обратного напряжения (PIV) отображает максимальное обратное напряжение, которое может выдержать диод, прежде чем он выйдет из строя. Теперь, если вы хотите узнать, правильно ли работает диод, все, что вам нужно сделать, это измерить его мультиметром, используя шкалу омов. В одном направлении диод должен иметь низкое сопротивление (прямое смещение), а в обратном направлении вы увидите высокое сопротивление (обратное смещение).

Изображение 1 из 2

Диоды имеют множество применений. Некоторыми из наиболее распространенных являются регулирование напряжения, выпрямление переменного тока (мостовые выпрямители), применение светодиодов, защита от перенапряжения и многое другое. Во многих блоках питания, помимо обычных диодов, мы почти всегда находим мостовые выпрямители (четыре диода в мостовой схеме, которая обеспечивает двухполупериодное выпрямление входящего сигнала переменного тока) и диоды с барьером Шоттки (SBR). SBR используются в секции APFC (повышающие диоды) и иногда для процесса выпрямления выходов постоянного тока на вторичной стороне. Диоды Шоттки — это специальные диоды с меньшим падением прямого напряжения, чем у обычных диодов. Однако в высокоэффективных блоках питания они полностью заменены полевыми транзисторами, которые рассеивают меньше энергии. Но есть также случаи, когда SBR работают вместе с полевым транзистором, заменяющим его внутренний диод, обеспечивая повышенную эффективность, поскольку фактическое регулирование по-прежнему выполняется полевым транзистором.

Текущая страница: Резисторы, транзисторы и диоды

Предыдущая страница Уровневый список производителей конденсаторов Следующая страница SMPS против. Линейные регуляторы

Арис Мпицциопулос — пишущий редактор Tom’s Hardware US, занимающийся блоками питания.

Темы

Источники питания

Простой импульсный источник питания на 12 В на транзисторах

Последнее обновление: 4 мая 2022 г. , Apichet Garaipoom

Можем ли мы построить импульсный источник питания на 2 транзисторах? Да мы можем! Давайте поэкспериментируем с простой схемой импульсного источника питания на 12 В с использованием транзисторов.

Схема импульсного источника питания 12 В может быть создана разными способами. В настоящее время популярным способом является использование ИС из-за его удобства и высокой эффективности.

Однако эта схема, которую мы делаем, состоит из транзистора и нескольких частей. Потому что мы хотим эффективно использовать старые и распространенные компоненты в нашем инвентаре.

Как работает простая схема импульсного источника питания на транзисторах

Список деталей

Вам также может понравиться это.

Похожие сообщения

Как работает простая схема импульсного источника питания на транзисторах

Посмотрите на схему ниже, это конструкция простой схемы импульсного регулятора. Который представляет собой понижающий преобразователь постоянного тока для преобразования входного напряжения от 15 В до 20 В в выходное напряжение 12 В .

Простой импульсный регулятор постоянного тока 12 В или схема понижающего преобразователя

Важный компонент Q1 (BD140) действует как переключатель и имеет общие основные компоненты: L1, D1. Оба транзистора, NPN+PNP, действуют как обратная связь друг с другом. Генерировать частоту или работать как переключение непрерывно. Но в этой схеме ток катушки не максимальный. Потому что есть детектор напряжения или датчик ошибки с стабилитроном C2, R4 и ZD1 12 В для контроля постоянного напряжения.

Когда мы подаем на эту цепь входное напряжение постоянного тока, транзистор Q2 (S9013) получает смещенный ток. Потому что ток течет через R5, чтобы сместить Q2 в токопроводимость и воздействовать на Q1.

Q1 имеет ток, протекающий через эмиттер к базе, чтобы отправить ток, проходящий через проводимость Q2.

Таким образом, этот случай эквивалентен Q2 блоку управления смещением Q1. Это заставляет Q1 подавать ток на коллектор катушки L1.

Но так как база Q2 имеет фиксированный эталонный стабилитрон (ZD1) для поддержания постоянного напряжения на уровне 12В.

Когда выходное напряжение возрастает до 12 В, напряжение на эмиттере Q2 также становится выше, поскольку оно находится в той же точке. В результате Q2 выключается, не проводя ток, поэтому Q1 тоже перестает проводить ток.

Теперь катушка начнет подавать ток. Накопить на С1 с помощью выпрямителя D1. И при сравнении электрического потенциала с землей. Слева от L1 пошло отрицательное напряжение и ток L1. Произойдет рабочий новый раунд.

Если рассматривать эту систему, то обнаружено, что производительность этой схемы значительно превышает 90%.