Для согласования и развязки мощного выходного каскада от маломощных цепей управления служит согласующий каскад.
Практические схемы построения согласующего каскада в различных ИБП можно разделить на два основных варианта:
• транзисторный вариант, где в качестве ключей используются внешние транзисторы в дискретном исполнении;
• бестранзисторный вариант, где в качестве ключей используются выходные транзисторы самой управляющей микросхемы VT1, VT2 (в интегральном исполнении).
Кроме того, еще одним признаком, по которому можно классифицировать согласующие каскады, является способ управления силовыми транзисторами полумостового инвертора. По этому признаку все согласующие каскады можно разделить на:
• каскады с общим управлением, где управление обоими силовыми транзисторами производится с помощью одного общего для них управляющего трансформатора, который имеет одну первичную и две вторичные обмотки;
• каскады с раздельным управлением, где управление каждым из силовых транзисторов производится с помощью отдельного трансформатора, т.е. в согласующем каскаде имеется два управляющих трансформатора.
Исходя из обеих классификаций согласующий каскад может быть выполнен одним из четырех
способов:
• транзисторный с общим управлением;
• транзисторный с раздельным управлением;
• бестранзисторный с общим управлением;
• бестранзисторный с раздельным управлением.
Транзисторные каскады с раздельным управлением применяются редко, либо вообще не применяются. Авторам не довелось столкнуться с таким вариантом исполнения согласующего каскада. Остальные три варианта встречаются более или менее часто.
Во всех вариантах связь с силовым каскадом осуществляется трансформаторным способом.
При этом трансформатор выполняет две основные функции: усиления управляющего сигнала по току (за счет ослабления по напряжению) и гальванической развязки. Гальваническая развязка необходима потому, что управляющая микросхема и согласующий каскад находятся на вторичной стороне, а силовой каскад - на первичной стороне ИБП.
Рассмотрим работу каждого из упомянутых вариантов согласующего каскада на конкретных примерах.
В транзисторной схеме с общим управлением в качестве согласующего каскада используется двухтактный трансформаторный предварительный усилитель мощности на транзисторах Q3 и О4
(рис.17).
Оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером и работают в ключевом режиме.
Рис.17. Согласующий каскад ИБП KYP-150W (транзисторная схема с общим управлением).
Коллекторными нагрузками транзисторов являются первичные полуобмотки импульсного управляющего трансформатора DT и резистор общей нагрузки R19, который задает максимальную величину тока через транзисторы (около 20мА).
Напряжение питания Upom подается в среднюю точку первичной обмотки через R19 и диод развязки D8. Транзисторы по отношению к питающему напряжению включены параллельно.
На базы транзисторов Q3, Q4 поступают последовательности прямоугольных импульсов положительной полярности с отрицательными передними фронтами, сдвинутые по фазе друг относительно друга на половину периода. Из этого следует, что в промежутках между импульсами транзисторы Q3, Q4 открыты, т.к. к их управляющим переходам приложено открывающее напряжение. Под воздействием управляющих импульсов транзисторы поочередно закрываются.
На эмиттерах Q3, Q4 поддерживается напряжение примерно равное +1.6В за счет цепочки D10, D11, С13. Это напряжение позволяет осуществлять активное попеременное закрывание обоих транзисторов. Действительно, когда на базе закрываемого транзистора действует выходной импульс микросхемы, то напряжение на базе близко к 0 (около +0.6В). Напряжение же на эмиттере за счет цепочки D10, D11, С13 постоянно поддерживается на уровне +1.6В. Поэтому к управляющему переходу база-эмиттер на время действия выходного импульса микросхемы оказывается приложенным в запирающей полярности напряжение около 1В. Фронты коллекторных импульсов в результате получаются крутыми.
Диоды D7, D9 предназначены для гашения паразитных колебательных процессов, которые возникают при запирании транзисторов Q3, Q4, в паразитном контуре, образованном первичной обмоткой DT и ее распределенной межвитковой емкостью.
Рис. 18. Реальная форма импульсов на коллекторах
При этом гашение (демпфирование) происходит по истечении первого полупериода паразитного колебания, когда полярность напряжения на паразитном контуре меняется. Ток демпфирования при запирании транзистора Q4 протекает по цепи: 3 DT- к-э Q3 -D7 - 1 DT. При запирании транзистора Q3 -по цепи: 1DT- к-э Q4-D9-3 DT.
Первый полупериод этих паразитных высокочастотных колебании выглядит как начальный выброс напряжения на коллекторе транзистора при его запирании (рис.18).
Токи через диоды D7 и D9, протекающие под воздействием магнитной энергии, запасенной в сердечнике DT, имеют вид спадающей экспоненты. В сердечнике DT во время протекания токов через диоды D7 и D9 действует изменяющийся (спадающий) магнитный поток, что и обуславливает появление импульсов ЭДС на его вторичных обмотках.
Диод D8 устраняет влияние согласующего каскада на управляющую микросхему через общую шину питания
.
Другая разновидность транзисторного согласующего каскада с общим управлением используется в ИБП ESAN ESP-1003R (рис.19). Первой особенностью этого варианта является то, что выходные транзисторы VT1, VT2 микросхемы включены как эмиттерные повторители. Выходные сигналы снимаются с выводов 9, 10 микросхемы. Резисторы R17, R16 и R15, R14 являются эмиттерными нагрузками транзисторов VT1 и VT2 соответственно. Эти же резисторы образуют базовые делители для транзисторов Q3, Q4, которые работают в ключевом режиме. Емкости С13 и С12 являются форсирующими и способствуют ускорению процессов переключения транзисторов Q3, Q4.
Второй характерной особенностью этого каскада является то, что первичная обмотка управляющего трансформатора DT не имеет вывода от средней точки и подключена между коллекторами транзисторов Q3, Q4. Когда выходной транзистор VT1 управляющей микросхемы открывается, то оказывается запитан напряжением Upom базовый для транзистора Q3 делитель R17, R16. Поэтому через управляющий переход Q3 протекает ток
, и он открывается. Ускорению этого процесса способствует форсирующая емкость С13, которая обеспечивает подачу в базу Q3 отпирающего тока, в 2-2,5 раза превышающего установившееся значение. Результатом открывания Q3 является то, что первичная обмотка 1-2 DT своим выводом 1 оказывается подключена к корпусу. Так как второй транзистор Q4 заперт, то через первичную обмотку DT начинает протекать нарастающий ток по цепи: Upom - R11 - 2-1 DT - к-э Q3 - корпус.
На вторичных обмотках 3-4 и 5-6 DT появляются импульсы ЭДС прямоугольной формы. Направление намотки вторичных обмоток DT разное. Поэтому один из силовых транзисторов (на схеме не показано) получит открывающий базовый импульс, а другой - закрывающий. Когда VT1 управляющей микросхемы резко закрывается, то вслед за ним также резко закрывается и Q3.
Рис.19. Согласующий каскад ИБП ESP-1003R ESAN ELECTRONIC CO., LTD (транзисторная схема с общим управлением).
Ускорению процесса закрывания способствует форсирующая емкость С13, напряжение с которой прикладывается к переходу база-эмиттер Q3 в закрывающей полярности. Далее длится "мертвая зона", когда оба выходных транзистора микросхемы закрыты. Далее открывается выходной транзистор VT2, а значит оказывается запитанным напряжением Upom базовый для второго транзистора Q4 делитель R15, R14. Поэтому Q4 открывается и первичная обмотка 1 -2 DT оказывается подключена к корпусу другим своим концом (выводом 2), поэтому через нее начинает протекать нарастающий ток противоположного
предыдущему случаю направления по цепи: Upom - R10 -1-2 DT- к-э Q4 - "корпус".
Рис.20. Согласующий каскад ИБП PS-200B (бестранзисторная схема с общим управлением).
Поэтому полярность импульсов на вторичных обмотках DT меняется, и открывающий импульс получит второй силовой транзистор, а на базе первого будет действовать импульс закрывающей полярности. Когда VT2 управляющей микросхемы резко закрывается, то вслед за ним также резко закрывается Q4 (с помощью форсирующей емкости С12). Далее опять длится "мертвая зона", после чего процессы повторяются.
Таким образом, основная идея, заложенная в работу этого каскада, заключается в том, что переменный магнитный поток в сердечнике DT удается получить благодаря тому, что первичная обмотка DT подключается к корпусу то одним, то другим своим концом. Поэтому через нее протекает переменный ток без постоянной составляющей при однополярном питании.
В бестранзисторных вариантах согласующих каскадов ИБП в качестве транзисторов согласующего каскада, как это было отмечено ранее, используются выходные транзисторы VT1, VT2 управляющей микросхемы. В этом случае дискретные транзисторы согласующего каскада отсутствуют.
Бестранзисторная схема с общим управлением используется, например, в схеме ИБП PS-200В. Выходные транзисторы микросхемы VT1, VT2 нагружаются по коллекторам первичными полуобмотками трансформатора DT (рис.20). Питание подается в среднюю точку первичной обмотки DT.
Когда открывается транзистор VT1, то нарастающий ток протекает через этот транзистор и полуобмотку 1-2 управляющего трансформатора DT. На вторичных обмотках DT появляются управляющие импульсы, имеющие такую полярность, что один из силовых транзисторов инвертора открывается, а другой закрывается. По окончании импульса VT1 резко закрывается, ток через полуобмотку 1-2 DT перестает протекать, поэтому исчезает ЭДС на вторичных обмотках DT, что приводит к закрыванию силовых транзисторов.
Далее длится "мертвая зона", когда оба выходных транзистора VT1, VT2 микросхемы закрыты, и ток через первичную обмотку DT не протекает. Далее открывается транзистор VT2, и ток, нарастая во времени, протекает через этот транзистор и полуобмотку 2-3 DT. Магнитный поток, создаваемый этим током в сердечнике DT, имеет противоположное предыдущему случаю направление.
Поэтому на вторичных обмотках DT наводятся ЭДС противоположной предыдущему случаю полярности. В результате открывается второй транзистор полумостового инвертора, а на базе первого импульс имеет закрывающую его полярность. Когда VT2 управляющей микросхемы закрывается, ток через него и первичную обмотку DT прекращается. Поэтому исчезают ЭДС на вторичных обмотках DT, и силовые транзисторы инвертора вновь оказываются закрыты. Далее опять длится "мертвая зона", после чего процессы повторяются.
Основная идея построения этого каскада заключается в том, что переменный магнитный поток в сердечнике управляющего трансформатора удается получить благодаря подаче питания в среднюю точку первичной обмотки этого трансформатора. Поэтому токи протекают через полуобмотки с одинаковым числом витков в разных направлениях. Когда оба выходных транзистора микросхемы закрыты ("мертвые зоны"), магнитный поток в сердечнике DT равен 0. Поочередное открывание транзисторов вызывает поочередное появление магнитного потока то одной, то другой полуобмотки. Результирующий магнитный поток в сердечнике получается переменным.
Последняя из указанных разновидностей (бестранзисторная схема с раздельным управлением) используется, например, в ИБП компьютера Appis (Перу). В этой схеме имеется два управляющих трансформатора DT1, DT2, первичные полуобмотки которых являются коллекторными нагрузками для выходных транзисторов микросхемы (рис.21). В этой схеме управление каждым из двух силовых ключей осуществляется через отдельный трансформатор. Питание подается на коллекторы
выходных транзисторов микросхемы с общей шины Upom через средние точки первичных обмоток управляющих трансформаторов DT1, DT2.
Диоды D9, D10 с соответствующими частями первичных обмоток DT1, DT2 образуют схемы размагничивания сердечников. Остановимся на этом вопросе подробнее.
Рис.21. Согласующий каскад ИБП "Appis" (бестранзисторная схема с раздельным управлением).
Согласующий каскад (рис.21) по сути
, представляет собой два независимых однотактных прямоходовых преобразователя, т.к. открывающий ток протекает в базу силового транзистора во время открытого состояния согласующего транзистора, т.е. согласующий и связанный с ним через трансформатор силовой транзистор открыты одновременно.
При этом оба импульсных трансформатора DT1, DT2 работают с постоянной составляющей тока первичной обмотки, т.е. с вынужденным подмагничиванием.
Если не предусмотреть специальных мер по размагничиванию сердечников, то они войдут в магнитное насыщение за несколько периодов работы преобразователя, что приведет к значительному уменьшению индуктивности первичных обмоток и выходу из строя переключающих транзисторов VT1, VT2. Рассмотрим процессы, протекающие в преобразователе на транзисторе VT1 и трансформаторе DT1. Когда транзистор VT1 открывается, через него и первичную обмотку 1-2 DT1 протекает линейно нарастающий ток по цепи: Upom -2-1 DT1 - к-э VT1 - "корпус".
Когда отпирающий импульс на базе VT1 заканчивается, он резко закрывается. Ток через обмотку 1-2 DT1 прекращается. Однако ЭДС на размагничивающей обмотке 2-3 DT1 при этом меняет полярность, и через эту обмотку и диод D10 протекает размагничивающий сердечник DT1 ток по цепи: 2 DT1 - Upom -С9- "корпус" -D10-3 DT1.
Ток этот - линейно спадающий, т.е. производная магнитного потока через сердечник DT1 меняет знак, и сердечник размагничивается. Таким образом во время этого обратного такта происходит возврат избыточной энергии, запасенной в сердечнике DT1 за время открытого состояния транзистора
VT1, в источник (подзаряжается накопительный конденсатор С9 шины Upom).
Однако такой вариант реализации согласующего каскада наименее предпочтителен, т.к. оба трансформатора DT1, DT2 работают с недоиспользованием по индукции и с постоянной составляющей тока первичной обмотки. Перемагничивание сердечников DT1, DT2 происходит по частному циклу, охватывающему только положительные значения индукции. Магнитные потоки в сердечниках из-за этого получаются пульсирующими, т.е. содержат постоянную составляющую. Это приводит к завышенным массогабаритным показателям трансформаторов DT1, DT2 и, кроме того, по сравнению с другими вариантами согласующего каскада, здесь требуется два трансформатора вместо одного.
