Викрам Сингх – Блоки питания для работы в тяжелых условиях (страница 2)

Обычно контроллер управляет не напрямую мощной нагрузкой, а затвором силового транзистора через драйвер. Драйвер усиливает управляющий сигнал и обеспечивает быстрое открытие и закрытие ключа.

PWM-контроллеры — это широтно-импульсные контроллеры. PWM означает pulse-width modulation, то есть широтно-импульсная модуляция. Смысл прост: контроллер изменяет длительность импульсов, которыми управляет силовым ключом.

Если нагрузке нужно больше энергии, импульсы становятся шире: ключ дольше остаётся открытым. Если энергии нужно меньше, импульсы становятся уже. Частота переключения при этом может оставаться постоянной.

PWM-контроллеры применяются в огромном количестве блоков питания: от небольших адаптеров до промышленных источников на 12, 24 или 48 В. Они хорошо изучены, доступны, относительно недороги и позволяют строить надёжные схемы.

В промышленных блоках питания PWM-контроллер часто работает вместе с защитами: ограничением тока, защитой от перенапряжения, защитой от перегрева и режимом повторного запуска после аварии.

PFC-контроллеры отвечают за коррекцию коэффициента мощности. PFC расшифровывается как power factor correction — коррекция коэффициента мощности.

Обычный импульсный блок питания без PFC может потреблять ток из сети короткими резкими импульсами. Для самого блока питания это может быть допустимо, но для электросети плохо: растут гармонические искажения, увеличивается нагрузка на кабели, автоматы, трансформаторы и генераторы.

PFC-каскад делает потребление более «правильным». Он формирует ток так, чтобы он был ближе по форме к синусоиде сетевого напряжения. В результате блок питания меньше искажает сеть и эффективнее использует электроэнергию.

В промышленных источниках питания PFC особенно важен при средней и большой мощности. Если в шкафу автоматики или на объекте установлено много блоков питания, плохой коэффициент мощности может стать реальной проблемой для сети.

PFC-контроллер обычно управляет отдельным силовым каскадом на входе блока питания. Часто это повышающий преобразователь, который после выпрямителя формирует стабильную высоковольтную DC-шину.

LLC-контроллеры применяются в резонансных преобразователях. LLC — это тип схемы, в которой используются резонансные элементы: индуктивности и конденсатор. Такая схема позволяет передавать энергию более мягко, с меньшими потерями при переключении.

Главное преимущество LLC-преобразователя — высокий КПД. Силовые ключи переключаются в более благоприятные моменты, когда напряжение или ток минимальны. Это снижает нагрев транзисторов и позволяет уменьшить радиаторы.

LLC-схемы часто применяются в современных блоках питания средней и большой мощности: серверных источниках, промышленных AC/DC-модулях, зарядных устройствах, телекоммуникационном питании и источниках с высокой плотностью мощности.

Но LLC сложнее обычного PWM-преобразователя. Здесь важно правильно рассчитать резонансный контур, трансформатор, диапазон частот и режимы работы при разной нагрузке. Поэтому LLC-контроллеры чаще встречаются в более дорогих и качественных источниках питания.

Flyback-контроллеры применяются в обратноходовых преобразователях. Это одна из самых популярных схем для маломощных источников питания.

В flyback-схеме энергия сначала накапливается в трансформаторе, а затем передаётся на выход. Такая схема сравнительно проста, содержит немного компонентов и хорошо подходит для мощностей от единиц ватт до десятков ватт, а иногда и выше.

Flyback-преобразователи часто встречаются в адаптерах, дежурных источниках питания, блоках питания для контроллеров, датчиков, небольших промышленных модулей и вспомогательных цепей.

Преимущество flyback — простота и низкая стоимость. Недостаток — более высокие пульсации и потери по сравнению с более сложными схемами. Поэтому для мощных промышленных блоков питания flyback обычно используют не как основной преобразователь, а как вспомогательный источник питания внутри устройства.

Когда мощность растёт, простого flyback-преобразователя уже недостаточно. Тогда применяют более серьёзные топологии: forward, half-bridge и full-bridge.

Forward-преобразователь, или прямоходовая схема, передаёт энергию на выход во время открытого состояния ключа. Такая схема эффективнее flyback на более высоких мощностях и часто используется в промышленных блоках питания средней мощности.

Half-bridge, или полумостовая схема, использует два силовых ключа. Она позволяет эффективнее работать с высокой мощностью и лучше использовать трансформатор.

Full-bridge, или мостовая схема, использует четыре силовых ключа. Это решение применяется в мощных источниках питания, инверторах, зарядных устройствах и промышленных преобразователях. Такая схема сложнее, но позволяет передавать большую мощность с хорошим КПД.

Контроллеры для таких схем должны точно управлять несколькими силовыми ключами, выдерживать правильные задержки между переключениями и не допускать сквозного тока. Сквозной ток возникает, если два ключа открываются одновременно там, где этого быть не должно. Для силовой электроники это опасный режим, который может быстро вывести транзисторы из строя.

В блоках питания для тяжёлых условий контроллер должен не только регулировать напряжение. Он должен обеспечивать устойчивую работу при плохой сети, перепадах температуры, вибрации, импульсных помехах и изменяющейся нагрузке.

Промышленный источник питания может работать рядом с двигателями, частотными преобразователями, контакторами, сварочным оборудованием и длинными кабельными линиями. Всё это создаёт помехи и броски напряжения. Поэтому контроллер должен иметь продуманную защиту, а вся схема — правильную фильтрацию, заземление и разводку печатной платы.

Важны и режимы отказа. Хороший блок питания не должен просто сгореть при перегрузке. Он должен ограничить ток, уйти в защиту, попробовать восстановиться после снятия аварии или выдать сигнал неисправности.

В более сложных источниках питания контроллер может работать вместе с микроконтроллером. Тогда появляются дополнительные функции: цифровой мониторинг, связь по RS-485, CAN, Modbus или Ethernet, запись аварий, управление вентилятором, дистанционная настройка выходного напряжения и диагностика состояния.

Контроллер преобразования — это управляющий центр импульсного блока питания. Силовые ключи выполняют тяжёлую работу, но именно контроллер решает, когда и как они должны включаться.

PWM-контроллеры остаются основой многих источников питания. PFC-контроллеры улучшают работу блока питания с электросетью. LLC-контроллеры помогают получить высокий КПД и снизить нагрев. Flyback-контроллеры удобны для малой мощности и вспомогательных цепей. Forward, half-bridge и full-bridge-контроллеры применяются там, где требуется более высокая мощность.

В тяжёлых условиях качество контроллера и всей схемы управления становится особенно важным. Надёжный промышленный блок питания — это не только силовые транзисторы, трансформатор и конденсаторы. Это ещё и грамотное управление, защита, диагностика и устойчивость к реальным условиям эксплуатации.

Глава 3.Силовые ключи в блоках питания - MOSFET, IGBT, SiC и GaN

Современный блок питания — это не просто трансформатор, диодный мост и несколько конденсаторов. В большинстве промышленных источников питания сегодня используется импульсная схема, где электрическая энергия преобразуется с высокой частотой. Главную роль в такой схеме играют силовые ключи — электронные элементы, которые очень быстро включают и выключают ток.

Именно от силовых ключей во многом зависят мощность, КПД, нагрев, размер, стоимость и надёжность блока питания. Чем быстрее и эффективнее работает ключ, тем меньше энергии теряется в виде тепла и тем компактнее можно сделать трансформатор, дроссели и радиаторы. Но у каждой технологии есть свои сильные и слабые стороны.

MOSFET — это полевой транзистор. В импульсных блоках питания он работает как электронный выключатель: быстро открывается, пропускает ток, затем закрывается. За счёт этого можно преобразовывать напряжение с высокой частотой и получать на выходе стабильные 5, 12, 24, 48 В или другие значения.

Кремниевые MOSFET применяются очень широко. Их можно встретить в зарядных устройствах, компьютерных блоках питания, источниках питания для автоматики, телекоммуникационного оборудования, светодиодных драйверах и промышленных модулях.

Главные преимущества MOSFET — сравнительно низкая цена, большая номенклатура, отработанные схемы управления и хорошая доступность. Разработчики давно знают, как с ними работать, как защищать их от перегрузок и как рассчитывать тепловой режим.

Обычно MOSFET применяются в блоках питания малой и средней мощности — от единиц ватт до сотен ватт, а иногда и до нескольких киловатт. Но при росте напряжения и мощности обычный кремниевый MOSFET начинает проигрывать более современным элементам: возрастают потери, увеличивается нагрев, требуется более серьёзное охлаждение.

IGBT — это биполярный транзистор с изолированным затвором. Его можно представить как силовой ключ, который сочетает удобное управление, похожее на MOSFET, и способность работать с большими токами и напряжениями.

IGBT часто используют там, где речь идёт уже не о небольшом блоке питания, а о мощном преобразователе: частотных приводах, инверторах, сварочных аппаратах, зарядных станциях, источниках бесперебойного питания, тяговом оборудовании и промышленных силовых установках.