Использование технологии "мягкого переключения" в импульсных источниках питания Xantrex

Компания Xantrex стала первой, кто разработал, стал производить и поставлять на рынок программируемые источники питания постоянного тока, в которых применялась технология "мягкого переключения". Приборы серий XDC, XHR, XFR и XPD используют эту более продвинутую технологию режимов переключения транзисторов, уменьшая тем самым уровень высокочастотных паразитных шумов, повышая одновременно с этим эффективность и надежность.

"Жесткое" переключение

Традиционно высокочастотные импульсные источники питания, принцип работы которых основан на генерации переменного напряжения частотой от 100 до 200 кГц для питания силового импульсного трансформатора, используют мощные транзисторы для "жесткого переключения", не регулируя подаваемое на их истоки напряжение. Это означает, что в момент открывания транзистора на его электродах присутствует полный необработанный потенциал, обычно это 350 Вольт. В этот период времени (в период актуального периода перехода) длительностью менее чем 0,5 микросекунды транзистор начинает проводить ток, напряжение на паре Исток-Сток начинает спадать, а ток через переход расти. Такое одновременное присутствие напряжения на транзисторе и тока через него приводит к тому, что часть мощности рассеивается внутри него. Аналогичное событие наступает и в момент начала запирания транзисторного перехода, когда ток через переход Исток-Сток изменяет свое значение от максимума до нуля.

Рисунок 1. Показаны пики потери мощности при каждом цикле переключения состояний транзистора при методе "жесткого переключения"

Разработчики источников питания, применяя топологию "жесткого переключения" изначально ставят себя в заведомо невыигрышную ситуацию, когда они пытаются уменьшить потери мощности за счет уменьшения периода переключения транзистора, но встречаются с ограничениями, оговоренными директивами EMC (Электромагнитная совместимость). Уменьшая период переключения, они тем самым снижают время нарастания и спадения тока в транзисторе, что вызывает генерацию более высокочастотной энергии, которая в свою очередь порождает электромагнитное излучение и создавая вне источника недопустимые радиочастотные помехи. Увеличение же периода переключения приводит к уменьшение генерации радиопомех до уровней, допустимых директивами EMC, но ведет к увеличенной потере мощности в моменты переключения транзисторов и повышению выделения тепла, о чем и было сказано выше.

Таким образом, использование метода "жесткого переключения" - это нахождение компромиса между эффективностью преобразования источника питания и его способностью отвечать требованиям по электромагнитной совместимости с другими приборами.

"Мягкое" переключение

Не так давно была разработан новый метод переключения ключевых транзисторов, изначальной целью которого было уменьшение рассеивания мощности в моменты смены состояний транзисторных переходов и одновременно с этим снижение высокочастотных радиопомех. Этот метод, обычно называемый "Нуль-Вольтовое переключение" или "Мягкое" переключение, использует паразитную электрическую емкость транзисторного перехода (коей обладают применяемые в источниках MOSFET-транзисторы) и паразитную индуктивность первичной обмотки силового трансформатора, как некую резонансную цепь. Используя данный резонансный контур, выходную индуктивность, дополнительный Сток-Исток диод в MOSFET-транзисторе и специально подобранную последовательность переключений позволяет сделать так, что в момент напряжение на переходе в момент, предшествующий его открытию, стремиться к нулю. И аналогичное событие наступает при приближении момента запирания перехода.

В такой схеме ток начинает течь через переход только, когда переход открыт полностью или близок к этому состоянию. На схеме 2 видны пики потерь мощности, они существенно ниже, чем при обычном методе "жесткого" переключения.

Рисунок 2. Пики мгновенных значений мощности, рассеиваемой транзистором при "мягком" переключении составляют как максимум четверть от значений, наблюдаемых при методе "жесткого" переключения

Неожиданные всплески напряжения и тока, происходимые в моменты смены состояний транзисторного перехода, которые и отвественны за возникновение радиочастотных излучений, значительно уменьшены.

Применение техники "мягкого" переключения не только уменьшает потери мощности, но довольно часто ведет и к возрастанию эффективности преобразования источника питания на 2 и более процента. Казалось бы это не так значительно, но не секрет, что 20 Ватт (2 % от 1000 Ватт) рассеиваются именно в мостовых транзисторах - наиболее уязвимых деталей любого импульсного источника питания. Исключение рассеивания этих 20 Ватт на транзисторе уменьшает температуру транзисторного перехода, удаляя её от критической и расширяет рабочий температурный диапазон источника питания в целом. Использование метода "мягкого" переключения не только существенно снижает электрические шумы, с помощью него достигается увеличение КПД, срока нарабоки на отказ и большая совместимость источников с другим оборудованием, располагаемым вблизи него.

Практически все источники питания марки Xantrex, а также источники постоянного тока марок Sorensen и PowerTen базируются на использовании технологии "мягкого" переключения.