Импульсные преобразователи напряжения – Памятка радиоубителю
Материалы с сайта www.ridleyengineering.com © Ridley Engineering 2000
изложение по-русски и заметки на полях – © klausmobile 2001
Мифы, сказки, легенды и тосты об импульсных трансформаторах
По свету ходит много мифов о высокочастотных силовых трансформаторах и дросселях. Постараемся их развенчать. К несчастью, с магнитными компонентами связана наименее членораздельная часть учебников и руководств, усложняющая в общем-то простые обыденные предметы и явления. Да, много неизвестных переменных, да, много тонкостей, которые надо знать, но как раз о них теория умалчивает, а популярная литература врет, предлагая эмпирические формулы для конкретных задач как решения на все случаи жизни. Например.
Миф первый. Чем больший процент площади окна сердечника заполнен медью – в идеале 100% - тем лучше. Неверно. Во многих конструкциях 100% заполнение, по сравнению со скажем 75% (то же число витков, разное сечение провода) приведет на ВЧ к бОльшим потерям. Нельзя слепо переносить методы расчета с 50 Гц на 500 кГц.
Миф второй. В оптимальном трансформаторе потери на сопротивлении обмотки и потери в сердечнике совпадают. Неверно. Часто одна цифра потерь отличается от другой на 1-2 порядка. Ну и что – это вовсе не главный критерий для конструктора. Этот подход также наследствие «пятидесяти Герц» - так обеспечивают температурное равновесие в массивных сетевых трансформаторах. А у нас вся обмотка – один или два слоя, и условия теплообмена намного упрощаются.
Миф третий. Индуктивность рассеивания должна составлять 1% от индуктивности намагничивания. Неверно. Она должна быть настолько низкой, насколько возможно – без существенного ухудшения других важных параметров. Сможете довести до 0.1% - прекрасно. А, бывает, и на 10% приходится остановиться.
Миф четвертый. Индуктивность рассеивания есть функция проницаемости сердечника. Неверно. Индуктивность рассеивания обмотки практически не зависит от того, есть ли в витке сердечник или нет. Точнее, вся разница укладывается в 10% (и это при мю в несколько тысяч!). Можете проверить.
Миф пятый. Оптимальная плотность тока в обмотках – 2А на кв.мм. Или 4А. Или 8А. А пёс с ним. Плотность тока не имеет значения. Имеет значение тепловыделение в проводе, и способность, или неспособность, конструкции в целом обеспечить тепловой баланс на допустимой температуре. В зависимости от эффективности охлаждения (от излучения в вакуум до охлаждения в кипящей фазе) – допустимая плотность тока изменяется на два порядка. Ridley cтроит трансформаторы 20 лет, но мы так и не узнали «оптимальную плотность тока» - для нас важна только температура трансформатора.
Миф шестой. В оптимальном трансформаторе потери в первичке и во вторичке равны. Неверно. А если не равны, тогда что? Главное, чтоб ни одна не перегревалась.
Миф седьмой. Если диаметр провода меньше глубины скин-эффекта, то существенных потерь на ВЧ нет. Очень вредное утверждение. В многослойных обмотках даже при очень тонком проводе – потери будут.
Миф восьмой. Резонансная частота трансформаторной цепи в отсутствии нагрузки должна существенно превышать частоту преобразования. Неверно. Она не играет значения. В идеальном трансформаторе – индуктивность стремится к бесконечности, стало быть резонансная частота на обрыв стремится к нулю … и что? А то, что важен резонанс не на обрыв, а на КЗ вторичной цепи. Вот этот резонанс должен отстоять от несущей частоты на два порядка вверх, не менее.
Измерения импеданса трансформатора
Вариант подключения прибора
В данной конфигурации анализатор отображает импеданс трансформатора от 10Гц до 15 МГц, для состояний короткорго замыкания нагрузки и обрыва нагрузки. Для импульсных трансформаторов с короткими обмотками необходимо обеспечить КЗ по кратчайшему пути с минимальными потерями. Ведь замыкающее полукольцо даже диаметром несколько сантиметров уже имеет индуктивность, сравнимую с индуктивностью рассеяния первички. Индуктивность рассеивания зависит от частоты! В качестве балласта Rsense R=0.1..1 Ом. Омическое сопротивление обмоток измеряйте только низкоомным мостом или омметром с генератором тока. Проведя цикл измерений, можно определить:
Индуктивность намагничивания – Сопротивление обмотки – Индуктивность рассеивания – Частоту и добротность резонанса на КЗ и на обрыв – Емкость обмотки (до 3 пФ на виток).
Потактное ограничение тока, правильно реализованное, позволяет создать неубиваемый ПН. Для этого датчик тока должен быть быстрым (задержка несколько наносекунд), и быть нагружен непосредственно на управляющий вход ИС контроллера.
Ложное срабатывание защиты от паразитных всплесков подавляется RC ФНЧ. Вот тут надо определиться с компромиссом скорость-помехоустойчивость, чтобы излишняя фильтрация не проморгала реальное превышение тока.
Контроллеры с отключением защиты на переднем фронте импульса также не панацея. Те 100 нс задержки (или около того), в течение которых защита слепа – также могут убить ПН. Поэтому бывает целесообразно принудительно ограничить скорость переключения транзистора (что также снижает уровень наводок и излучения как в датчик тока, так и в пространство).
Как протестировать токовую защиту?
Закоротите выход ПН – после выпрямителя и выходного фильтра. К сожалению, при КЗ в самом выпрямителе вашим транзисторам никакая токовая защита не поможет.
Подключите щуп к датчику тока. Постепенно повышайте питающее напряжение до момента, когда контроллер начинает генерировать несущую. На осциллографе вы должны наблюдать узкие пики – схема защиты должна быстро отключать открытые транзисторы. Амплитуда импульсов должна соответствовать порогу срабатывания защиты. Повышайте напряжение питания до максимума. Длительность импульсов должна сузится. Амплитуда может подрасти (за счет задержек распространения токовой ОС) но не существенно. А если растет пропорционально входному напряжению – стоп, ваша ОС слишком медленная.
Затем – это принципиально – цикл измерений следует повторить при минимальных и максимальных температурах воздуха
Вот это важно: параметры феррита, на котором намотан трансформатор тока, могут так уплыть с температурой, что мало не покажется.
Снаббер (snubber – успокоитель) – RC цепь, параллельная обмотке – для шунтирования ВЧ звона. Звон обязательно должен быть подавлен, иначе возможны отказы, излишние наводки и неустойчивость преобразователя. Как правило, RC шунт достаточен для успокоения непокорных обмоток, если частота звона превышает несущую примерно на два порядка или выше. А если нет – то надо искать обходные пути, ведь тогда в полосу пропускания шунта попадет и существенная доля несущей и ее ближайших гармоник.
Первое. Определить частоту паразитных колебаний. Для начала запустить схему на малом токе нагрузки. Пробник осциллографа – чтобы не вносить изменения в контур – должен иметь минимальную собственную емкость. Если нет, попробуйте поднести щуп к звенящему контуру без электрического контакта. Учтите – частота звона плавает вместе с напряжением первичной цепи.
Второе. Рассчитайте эквивалентный RLC контур под частоту и добротность колебаний. Со стороны первички, известна (должна быть известна!) индуктивность рассеивания. Со стороны вторички – известны емкости диодов.
Характеристическое сопротивление Z = 2 * Pi * f * L (для известной L), Z = 1 / (2 * Pi * f * C) для известной С
Третье. Для начала, попробуем только R-шунт, R=Z. Посчитаем тепловые потери на шунте. Если они неприлично высоки, дополняем звено емкостью С=1 / (Pi * f * R). Увеличение емкости бесполезно – потери растут, подавление звона не улучшается (емкость на ВЧ полностью проводит).
Четвертое. Пересчитаем мощность потерь на R : P = 2* C * V * Fнесушая – это потери только несущей без выделения тепла на звоне. Проверяем в реальной схеме. Первое приближение – как правило – сразу подходит для большинства случаев.
Расположение компонентов и разводка трасс рядом с ИС принципиально важны! Это повторяют в каждом даташите, но не мешает и снова повторить.
Прежде всего – частотозадающая емкость генератора. Разместите ее у самой ноги ИС. Не в пяти миллиметрах, а чем ближе – тем лучше. Иначе, возможны необъяснимые явление – например, схема, рассчитанная на 100 кГц, загенерит на мегаГерцах, из Яузы вылезет русалка и т.п. Причем на прототипе она может и не выплыть, а в серийной плате – проявится во всей красе.
Во-вторых – емкости в цепях питания – также распаять как можно ближе к ногам ИС.
Выход пилы генератора (там, где он доступен извне) не любит когда его нагружают (как и я). Поэтому при отборе сигнала с этого выхода будьте осторожны – даже 100 кОм нагрузка может изменить форму пилы. Правильнее всего генерить пилу параллельно, не подключаясь к первичной цепи генератора.
ИС 3842, 3843 позволяют устанавливать паузу между импульсами от 5% до 30% периода. 3844, 3845 – до 70%. Если необходимо удлинить паузу, можно обойти эти ограничения, изменив времязадающите R, C. Затем добавьие еще один резистор с вывода RTCT на плюс питания – это ускорит заряд и замедлит разряд, удлиняя доступное время паузы.
ИС UC3825 – минимальное время паузы (абсолютное, в миллисекундах) жестко задается емкостью Сt, смотри документацию. Но возможно поступать и так, как описано выше – подключая резистор к Сt. Вот только время это будет плавать всесте с питающим напряжением.
Выходные драйверы ИС не любят индуктивные нагрузки – например, изолирующие трансформаторы – что приводит к дребезгу сигнала на затворе. Причем если оно не проявляется в лаборатории, то в реальной жизни обязательно выплывет в самый неподходящий момент. Ведь параметры трансформатора плавают… Поэтому рекомендуется защищать затвор диодами, а параллельно первичке транчформатора – резистором.
Контроллеры первого поколения, особенно старых лет выпуска, бывают исключительно нестабильны как по опорным напряжениям (с этим можно жить), так и по временным параметрам, вплоть до неверной последовательности срабатывания триггеров и чрезмерного дрейфа несущей частоты (зависит от стабильности опорных уровней). Если хотите – используйте ИС либо недавнего года выпуска, либо с суффиксами, указывающими на «улучшенные» варианты. Т.е. TL594 а не TL494 и т.д.
Например, недокументированная особенность брянских ИС КР1156ЕУ2 (аналог 3825) – при 12В питании, правильной разводке, при запрещающем уровне на входе ILIM выход 14 в низком уровне (норма) а на выход 11 пролезают короткие, примерно 100нс пики – «недорезанные» фронты несущей амплитудой до 9В. Где-то триггер не работает как надо. А ведь этих обрезков достаточно, чтоб открыть затвор и (а вдруг) убить схему.
Об измерении коэффициента усиления ПН с замкнутой петей ОС – лучше всего измерять ее так, как изложено в следующем разделе, используя анализатор спектра (генератора не достаточно).
Для прямоходных и обратноходных ПН при управлении по напряжению – частота среза должна быть не более четверти частоты нуля передаточной функции на правой половине комплексной плоскости. Если выполнение этого условия не позволяет надежно стабилизировать выход – значит, надо переделывать выходной фильтр.
Для всех ПН – частота среза не должгна превышать1/8 несущей частоты.
Повышение частоты среза ограничено неизбежными шумами, звонами и прочими паразитными явлениями в ПН уровнем порядка 15 кГц. Если по какой-либо причине вам надо ее понять, неизбежно усложнение схемы – ввод внешнего, скоростного усилителя ошибки в петле ОС.
Самое главное – частота среза ОС не самоцель. Важно выходное сопротивление в диапазоне частот, требуемых нагрузкой, подавление нестабильности входного напряжения, и подавление входных шумов.
Обязательно измерьте поведение петли ОС прежде чем запустить прибор в эксплуатацию.
Прибор, о котором говорится далее – вводит в разрыв цепи ОС (точки 1-2) источник напряжения (свип-генератор). Затем записываются спектры сигнала в двух любых точках схемы и выводится АЧХ отношения этих спектров. Отношение выходного спектра к входному и есть передаточная характеристика (по амплитуде). Можно повторить устройство качественно, используя генератор с трансформаторным выходом и стабилизацией напряжения на вторичной обмотке, и осциллограф.
Измерение параметров петли анализатором спектра АР102В – ПН с оптронной развязкой
Точки подключения щупов каналов А и В позволяют измерить различные передаточные функции
Измерение параметров петли – ПН без гальванической развязки
Всегда заземляйте измеряемую схему. Если ее первичная цепь гальванически связана с сетью, включите измерительные приборы в сеть через изолирующий 1:1 трансформатор (но не ЛАТР). Если же заземлить невозможно – изолируйте входы анализатора. Лучше не просто емкостью (она может вылететь) но через специальный развязывающий усилитель.
На низших частотах используйте максимальный выходной сигнал генератора, а при переходе через частоту среза ОС его стоит снизить, при этом удостоверьтесь, что схема не вошла в перевозбуждение. Выше 30 кГц измерения мало надежны изза проблем с заземлением и наводками. В любом случае, сигнал генератора должен впрыскиваться в ту часть схемы, в которой мало переменных составляющих как от несущей частоты ПН, так и от сетевой частоты.
Пример АЧХ устройства
Очень неприятные явления. Многие компоненты импульсного ПН работают на пределе области безопасной работы, и когда летит один элемент, за ним гибнут и другие, уничтожая саму причину, по которой произошел отказ. И искать ее в потьмах – невесело. Вот краткий перечень основных причин, известных профессионалам (которые, тем не менее, молчат…).
А. Перегрузка ключа по току – или гибнет кристалл транзистора, или сгорает проволочка между кристаллом и ногой. Поэтому необходима оперативная защита по току, независимо от мощности. Отсутствие токовой защиты часто сокращает жизнь устройства.
Зная построение ПН автомобильных усилителей, как правило не имеющих потактной токовой защиты (ИС TL494), читатель вправе возмутиться! Собака, как мне кажется, вот где порылась. С одной стороны, ПН с токовой защитой предъявляет более высокие требования к точности и согласованию всех компонентов тракта, а выполнить их в автомобильном температурном диапазоне – приведет к удорожанию усилителя. А с другой – при 12В первичного питания и реальном (кратковременном) пределе МДП по току порядка 50…250А на плечо (1...4 хороших транзисторов) ток – с учетом всех сопротивлений цепи – просто не способен достичь разрушительных значений (другой вопрос – долговременная работа на КЗ, которая и приведет к фатальному перегреву). Сравните это с сетевым БП, где на первичке 300В, а предел по току (при тех же мощностях в нагрузку) – 5…25А.
Б. Перегрузка по напряжению затвор-сток. МДП-транзисторы из хороших домов – IR, Motorola (добавим в список SGS-Thomson и Infineon) убить не так-то просто. Они держат перегрузки по току и напряжению сток-исток, но перегрузки на затворе и их погубят. Драйвер затвора должен гарантированно удерживать напряжение в безопасной зоне, если надо – ставьте стабилитроны. Мы не рекомендуем использовать интегральные драйверы верхнего плеча в высоковольтные схемы. Лучше – трансформаторы, они и к помехам более устойчивы.
В. Чаще всего схема гибнет при включении. Ведь при включении выходная емкость разряжена – схема «видит» КЗ. Ваша токовая защита должна достаточно быстро сработать даже при предельно большом входном напряжении. «Мягкий запуск» контроллера не спасает от этой напасти!
Г. Встроенный «антипараллельный» диод МДП ключа – источник проблем. Он медленный. Пусть этот диод проводит ток, это не смертельно, но во время проводимости диода недопустимо быстрое изменение напряжения на обратное, если в момент изменения на затвор не подается отпирающее напряжение. Подобный отказ часто происходит в полномостовой схеме. По завершении проводящего состояния, индкуктивность рассеивания порождает дребезг, и на первом его пике напряжение истока может превысить напряжение питания – диод откроется. Ну и ладно, сейчас этим транзисторам так и так открываться. Но вот если на втором – отрицательном – пике дребезга – и на противоположном плече диоды также откроются, не миновать пробоя. Решение – ставьте снабберы.
Д. Проверьте – правильно ли работает защита контроллера от недостаточного напряжения питания при включении. В ИС контроллеров она достаточно надежна. А в остальных компонентах (комараторы, драйверы и т.п.) – неизвестно. Требование простое – при включении питания контроллер в целом должен установиться в дежурное состояние, на затворах всех силовых ключей – строго запирающий уровень.
Е. Отказы высоковольтных емкостей при высоких температурах.
Ж. Отказ диодов Шотки изза избыточного обратного напряжения (при условии достаточного теплоотвода). Понижающий коэффициент 80% по напряжению – полезная подстраховка.
Поясняю. Особенность ДШ - экспоненциальный рост обратного тока с температурой.Во многих применениях мощность рассеяния на обратном токе сопоставима с потерями на прямом токе (до 20%)! Далее идет цепной разогрев и диод умирает. Поэтому силовые ДШ более критичны к теплоотводу чем обычные диоды.
З. Пользуйтесь правильным инструментом. Необходим скоростной запоминающий осциллограф, фиксирующий одиночные импульсы. Ведь МДП ключ может разрушиться за 10 наносекунд, и это надо уметь увидеть. Важно правильно подключить и землю осциллографа.
Если в схеме пара транзисторов, транс и выпрямитель, почему бы не взять и не промоделировать ее в лоб? Уж не сложнее чем промоделировать БИСину на миллион транзисторов. Хороший вопрос, нельзя и все – просто нет подходящего софта, а данные для расчета моделей трансформаторов все равно придется снимать вручную.
Из известного науке и практике лучше всего для наших целей подойдет аналоговый компьютер, который придется построить самому – Макетная Плата. И ничего с ним не сравнится. Во-первых, никакое моделирование не учтет множество критических для ПН параметров, особенно выходящих за границы реальных проводов и компонентов (теплообменные процессы, ЭМ излучение). Ведь многие из этих факторов определяются расположением компонентов и трасс на плате – их нельзя учесть, не построив ее. То же сопротивление и индуктивность провода от ключа до обмотки – критический компонент любого БП. А, во-вторых, модели внутри традиционного САПРа не предназначены для корректной отработки импульсов большой амплитуды, и нередко просто не сходятся к решению.
Роль моделирования в цикле проектирования. Стоит тогда вообще с моделированием связываться? Стоит, только всегда надо помнить (и знать, конечно) ограничения САПРовских моделей. Вот как рекомендуется ими пользоваться
Благодарности, ссылки, примечания