Построение силового каскада производится в подавляющем большинстве случаев по двухтактной полумостовой схеме и мало отличается в разных вариантах схем ИБП. Основное различие здесь заключается в схемотехнических решениях построения базовых цепей силовых ключевых транзисторов. Конфигурация этих цепей выбирается такой, чтобы обеспечить оптимальный для применяемых транзисторов режим переключения. При этом главным показателем эффективности переключения являются минимальные динамические потери мощности на ключевых транзисторах. При построении базовых цепей силового каскада учитываются следующие факторы:
• величина коэффициента усиления по току применяемых транзисторов;
• обеспечение оптимальной скорости нарастания и спада тока базы при переключении;
• время рассасывания избыточных носителей в базе при запирании транзисторов (инерционность).
Необходимо отметить, что конфигурация базовых цепей определяется еще и типом схемы запуска. Если в данном ИБП использована схема с самовозбуждением, то базовый для силовых транзисторов делитель обязательно имеет связь с шиной Uep (+310В), чтобы через него мог протекать начальный ток, являющийся первопричиной развития лавинообразного процесса открывания одного из транзисторов. ЭДС на вторичных обмотках управляющего трансформатора в первый момент после включения еще отсутствует.
Рис.22. Конфигурация базовых цепей силовых транзисторов в ИБП GT-200W (а), SMPS 5624-ISM (б), GT-150W (в) с самовозбуждением.
Поэтому, чтобы низкоомное сопротивление обмоток не шунтировало бы управляющие переходы база-эмиттер силовых ключей, приходится включать развязывающие диоды. Как видно из рис. 22, любая конфигурация базовых цепей при схеме запуска с самовозбуждением включает в себя эти диоды. На рис. 22,а - это D3, D4; на рис. 22,6 - это D4, D5; на рис. 22,в -
это D7, D8. Если в ИБП используется схема запуска с принудительным возбуждением, то связи базовых цепей с шиной Uep нет, и развязывающие диоды отсутствуют (рис. 23).
Рассмотрим один период работы силового каскада, построенного по двухтактной полумостовой схеме на примере ИБП KYP-150W (Тайвань) (рис. 24). На этом рисунке показан весь преобразовательный тракт, что позволяет получить более полное представление о работе силового каскада. Эпюры напряжений и токов, поясняющие работу преобразовательного тракта, приведены на рис. 25.
Силовые транзисторы Q1 и Q2 открываются поочередно. При этом управляющее напряжение, подаваемое на базы Q1, Q2 сформировано таким образом, что всегда имеется "мертвая зона", когда оба транзистора закрыты (рис. 25, диаграммы 6,7).
Рис.23. Конфигурация базовых цепей силовых транзисторов в ИБП PS-200B (a), ESP 1003R (б), Appis (в), PS-6220C (г) с принудительным возбуждением.
Этим предотвращается режим сквозного тока через Q1 и Q2, который приводит к выходу их из строя.
Когда транзистор Q4 согласующего каскада закрывается (момент t0), на выводе 4 управляющего трансформатора Т2 возникает (+)
ЭДС относительно вывода 5, и в базу силового транзистора Q1 начинает протекать ток по цепи: 4 Т2 - D4 -R11 - R12 - R7 - б-э Q1 - 5 72.
Этим током Q1 открывается до насыщения и через первичную обмотку 1-2 силового импульсного трансформатора Т4 протекает нарастающий ток по цепям: Uep - к-э Q1 - 5-6 Т2 -1-2 Т4 - СЮ - 2-1 ТЗ -
При этом сердечник трансформатора намагничивается, С5 частично разряжается, а С6 подзаряжается.
Одновременно (в тот же момент t0) на выводе 7 Т2 возникает (-)
ЭДС относительно вывода 8. Этим отрицательным потенциалом надежно запирается и поддерживается в этом состоянии второй силовой транзистор (Q2).
Далее запирающий импульс на базе транзистора Q4 согласующего каскада заканчивается, и он резко открывается (момент t1). Это приводит к такому же резкому закрыванию силового Q1. Потенциал его эмиттера скачком уменьшается. Однако такое резкое прерывание тока через первичную обмотку силового трансформатора Т4 вызывает на ней выброс ЭДС самоиндукции, положительным потенциалом на выводе 2 относительно вывода 1.
На этом этапе происходит частичный возврат энергии, запасенной в индуктивности рассеяния трансформатора в питающий источник (рекуперация). Диод D2 предназначен для создания пути протекания тока рекуперации, который замыкается по цепи: 2 74 - СЮ - 2-1 ТЗ - С6 - "общий провод" - D2 -5-6 72 -1 74.
При этом конденсатор С6 подзаряжается. Кроме того, если не предусмотреть включение диода D2, то при запирании транзистора Q1 транзистор Q2 оказывается в инверсном режиме, что нежелательно, т.к. параметры транзистора в этом режиме не соответствут техническим условиям на него.
Далее длится "мертвая зона" (М2), когда оба силовых транзистора Q1, Q2 заперты, и ток через первичную обмотку силового трансформатора не протекает.
В момент t2 резко закрывается транзистор Q3 согласующего каскада. Это приводит к появлению положительного полюса ЭДС взаимоиндукции на выводе 7 управляющего трансформатора Т2 относительно вывода 8, и в базу транзистора Q2 начинает протекать ток по цепи: 7 T2 - D3 - R10 -R8 - б-э Q2 - "общий провод" - 8 T2.
Этим током Q2 резко открывается до насыщения и через первичную обмотку 1-2 силового трансформатора Т4 начинает протекать нарастающий ток, противоположного предыдущему случаю направления по цепям:
При этом сердечник трансформатора намагничивается в противоположном направлении (область отрицательных значений индукции), конденсатор С6 частично разряжается, а С5 подзаряжается.
Одновременно (в тот же момент t2) на выводе 4 Т2 возникает отрицательный полюс ЭДС взаимоиндукции, относительно вывода 5.
Этим отрицательным потенциалом надежно запирается и поддерживается в этом состоянии силовой транзистор Q1.
В момент t3 запирающий импульс на базе транзистора Q3 согласующего каскада заканчивается, и он резко открывается.
Это приводит к такому же резкому закрыванию силового транзистора Q2. Однако такое резкое прерывание тока через первичную обмотку 2-1 силового трансформатора Т4 вызывает выброс ЭДС самоиндукции на ней. На этом этапе вновь происходит рекуперация запасенной в индуктивности рассеяния Т4 энергии. Однако ток рекуперации замыкается теперь через диод D1 по цепи: 1 Т4 - 6-5 Т2 - D1 - "шина" Uep -С5 - 1- 2 ТЗ - С10 - 2 Т4.
При этом конденсатор С5 подзаряжается. Далее опять длится "мертвая зона" (t3 -t4), когда оба силовых транзистора Q1, Q2 закрыты, и ток через первичную обмотку 1-2 Т4 не протекает. В момент t4 вновь резко закрывается транзистор Q4 согласующего каскада, и процессы повторяются.
Конденсатор СЮ ликвидирует асимметрию схемы из-за разности потенциалов средних точек транзисторной и емкостной "стоек", возникновение которой возможно по целому ряду причин. Это приводит к несимметрии полуволн напряжений на обмотках ИВТ. Если эта несимметрия достаточно велика, то ИВТ может работать с магнитным насыщением сердечника, что приведет к увеличению импульсов коллекторного тока одно-то из транзисторов и возрастанию динамических потерь на нем с возможным последующим выходом транзистора из строя.
Поэтому конденсатор СЮ, устраняя возможную постоянную составляющую тока через первичную обмотку ИВТ, является элементом, предотвращающим подмагничивание его сердечника.
Цепочка C7/R9, включенная параллельно первичной обмотке Т4, демпфирует паразитные высокочастотные колебания, возникающие в паразитном колебательном контуре, состоящем из индуктивности рассеяния первичной обмотки Т4 и ее межвитковой емкости, в момент закрывания транзисторов Q1 и Q2. При этом С7 увеличивает общую емкость паразитного контура, снижая таким образом частоту паразитного колебательного процесса. R9 снижает добротность этого контура, способствуя быстрому затуханию колебаний (практически после первого полупериода). Такие цепочки называются успокаивающими или RC-поглотителями.
Рис. 25. Сквозные временные диаграммы, поясняющие работу преобразовательного тракта ИБП KYP-150W: 1), 2) - напряжения на выходах управляющей микросхемы TL494;
3), 4) - напряжения на коллекторах транзисторов согласующего каскада; 5) - напряжение в средней точке первичной обмотки управляющего трансформатора; 6), 7) - напряжения на вторичных обмотках управляющего трансформатора;
8) - напряжение в средней точке транзисторной стойки силового полумоста;
9) - ток через первичную обмотку силового импульсного трансформатора;
10), 12) - напряжения на вторичных обмотках силового импульсного трансформатора; 11) - выпрямленное напряжение в положительных каналах;
13) - выпрямленное напряжение в отрицательных каналах.
Конденсаторы С8, С9 выполняют функцию форсирующих емкостей и ускоряют процессы переключения силового транзистора. Это происходит следующим образом. При появлении открывающего импульса на обмотке 4-5 DT (положительный потенциал на выводе 4 относительно вывода 5) разряженный конденсатор С9 обеспечивает подачу в базу Q1 входного отпирающего тока с крутым фронтом, превышающим в 1,7-2,2 раза его установившееся значение. Поэтому начальный импульс базового тока, замыкаясь через С9, обеспечивает ускоренное отпирание Q1. С9 при этом заражается положительным потенциалом на левой (по схеме) обкладке. Когда С9 зарядится почти до уровня ЭДС, действующей на обмотке 4-5 DT, ток через него перестает протекать, и в дальнейшем базовый токО.1 замыкается через D4 и R11 (установившееся значение).
Рис. 26. Формирование управляющих напряжений на базах силовых транзисторов.
Как уже отмечалось ранее, особенность управляющего напряжения, подаваемого на базы силовых транзисторов, заключается в обязательном наличии "мертвой зоны". Поэтому когда открывающий импульс на базе транзистора Q1 заканчивается, то ЭДС на базовой обмотке 4-5 DT исчезает.
Если бы конденсаторы С8, С9 отсутствовали, то через общий базовый делитель обоих силовых транзисторов во время "мертвых зон" протекал бы ток с шины выпрямленного напряжения сети, который создавал бы на резисторах делителя падения напряжения, прямо смещающие эмиттерные переходы транзисторов Q1, Q2. Другими словами, полностью закрыть транзисторы на время "мертвой зоны" не удалось бы, а во время "мертвых зон" в схеме развивался бы процесс первоначального запуска (см. ранее). Однако в схеме имеются конденсаторы С8 и С9.
Конденсатор С9 за время открытого состояния транзистора Q1, как было отмечено, заряжается. Поэтому, когда ЭДС на обмотке 4-5 DT исчезает (на время "мертвой зоны"), напряжение с конденсатора С9 прикладывается к эмиттерному переходу транзистора Q1 в закрывающей полярности и, форсированно закрывая последний, надежно поддерживает его в закрытом состоянии до окончания "мертвой зоны", когда на обмотке 4-5 DT появится импульс ЭДС отрицательной полярности.
Эта ЭДС включена согласно с напряжением на конденсаторе С9 и надежно поддерживает транзистор Q1 в закрытом состоянии все время, пока открыт и проводит транзистор Q2. Когда открывающий импульс на базе транзистора Q2 заканчивается, то он закрывается и поддерживается в закрытом состоянии за счет напряжения на конденсаторе С8 в течение всей следующей за этим "мертвой зоны".
Отрицательный импульс ЭДС на обмотке 4-5 DT, поддерживающий транзистор Q1 в закрытом состоянии, исчезает одновременно с закрыванием транзистора Q2. Поэтому на протяжении "мертвой зоны", предшествующей открыванию транзистора Q1 (следующей за закрыванием транзистора Q2), он опять закрыт отрицательным напряжением с конденсатора С9. Далее вновь появляется открывающий импульс на базовой обмотке 4-5 DT, транзистор Q1 проводит ток, а конденсатор С9 подзаряжается. Транзистор Q2 поддерживается в закрытом состоянии за счет отрицательного импульса ЭДС, действующего на базовой обмотке 7-8 DT (отрицательный потенциал на выводе 7 относительно вывода 8) и напряжения на конденсаторе С8.
Когда открывающий импульс на базе транзистора Q1 заканчивается, то ЭДС на обеих базовых обмотках 4-5 и 7-8 DT исчезают, и на протяжении следующей за этим "мертвой зоны" транзистор Q2 закрыт за счет напряжения на конденсаторе С8, а транзистор Q1 -за счет напряжения на конденсаторе С9. Далее на базу транзистора Q2 вновь поступает открывающий импульс, и процессы повторяются. Т.о., каждый из силовых транзисторов за один период работы проходит следующий цикл состояний:
• активное закрытое состояние за счет отрицательного напряжения на форсирующей емкости (во время "мертвой зоны", которая следует непосредственно за закрыванием данного транзистора);
• активное закрытое состояние за счет управляющего импульса ЭДС отрицательной полярности и отрицательного напряжения на форсирующей емкости (во время проводящего состояния другого транзистора);
• активное закрытое состояние за счет отрицательного напряжения на форсирующей емкости (во время "мертвой зоны", предшествующей открыванию данного транзистора);
• состояние проводимости (за счет управляющего импульса ЭДС положительной полярности).
Таким образом, основное назначение конденсаторов С8, С9 в базовых цепях силовых транзисторов - форсированное закрывание и поддержание в этом состоянии последних на время "мертвых зон". Временные диаграммы, поясняющие процесс формирования управляющих напряжений на базах силовых транзисторов, приведены на рис.26.
На рис. 25 (временная диаграмма 9) показана форма тока через первичную обмотку силового трансформатора. Такая форма обусловлена индуктивным характером полного сопротивления первичной обмотки.
При подаче на индуктивность скачка напряжения, ток через нее, как известно, скачком измениться не может, а нарастает на начальном участке приблизительно линейно.
Поэтому ток через первичную обмотку имеет вид пилообразных импульсов с линейно нарастающими передними фронтами. Прекращение нарастания тока определяется моментом закрывания силового транзистора, т.к. при этом первичная
обмотка отключается от источника напряжения (шина Uep), и ток через нее протекать не может (кратковременно протекающий после запирания транзистора ток рекуперации в счет не идет).
С уменьшением токовой нагрузки на ИБП изменяется не только ширина токовых импульсов, но и их амплитуда. Это объясняется тем, что за более короткий, чем ранее, промежуток времени ток не успевает достичь той же амплитуды при неизменной скорости нарастания. Скорость же нарастания тока через первичную обмотку импульсного трансформатора определяется ее индуктивностью и уровнем Uep, которые не меняются.
