Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку. Часть 1

В технической документации на микросхемы контроллеров импульсных преобразователей можно найти целые разделы, посвященные режиму «легкой» нагрузки (Light Load), при котором выходной ток значительно меньше номинального или вообще отсутствует (Low Output Current Conditions). Современные контроллеры при легкой нагрузке могут работать в режиме пропуска импульсов (Pulse Skipping Mode), пакетном режиме (Burst Mode), режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode), режиме принудительной непрерывной проводимости (Forced Continuous Conduction Mode) и других менее распространенных режимах. Некоторые микросхемы поддерживают несколько режимов работы, что позволяет оптимизировать характеристики преобразователя в зависимости от конкретной ситуации.

Наличие многих вариантов показывает, что работа при легкой нагрузке имеет свои особенности. Пытаясь разобраться в этом вопросе с помощью специализированной литературы, можно заметить, что все авторы выделяют два режима работы силовой части, в зависимости от характера тока (или магнитного потока) силового дросселя (Рисунок 1). В безразрывном режиме (режим непрерывной проводимости, Continuous Conduction Mode – CCM) ток в дросселе на протяжении всего периода преобразования непрерывен, в отличие от разрывного режима (прерывистого, Discontinuous Conduction Mode – DCM), при котором ток в дросселе отсутствует в течение некоторого времени. И если с анализом электрических процессов в безразрывном режиме проблем не возникает – полученные результаты совпадают у авторов всех континентов, национальностей и вероисповеданий, – то с анализом безразрывного режима, наступающего при легкой нагрузке, все непросто. Авторы единодушны в том, что процессы в этом режиме гораздо сложнее, и поэтому либо не рассматривают этот вопрос, либо приводят сложные и малопонятные объяснения того, что происходит в силовой части схемы.

Рисунок 1.	Магнитный поток дросселя при безразрывном и разрывном режимах работы.

Так в чем же особенность легкой нагрузки? Ведь если при преобразовании 100% мощности проблем не возникает, то почему они появляются при преобразовании 1%? В реальном мире обычно так не бывает. Если сумка не рвется, когда в ней находится 10 кг содержимого, то она точно не порвется от груза весом 100 г. Аналогично, если автомобиль грузоподъемностью 3 т загрузить мешком весом 30 кг, то никаких проблем в поездке возникнуть не должно.

Но к импульсным преобразователям это не относится. Для этих схем процессы при преобразовании 1% мощности значительно отличаются от процессов при полной загрузке. И, возможно, этот вопрос не требовал бы столь подробного внимания, если бы в последнее время не появились приложения, требующие двунаправленного преобразования энергии, реализация которого невозможна без детального понимания особенностей режима легкой нагрузки. В числе таких приложений преобразователи переменного напряжения (AC/AC конвертеры), ведомые сетью инверторы для солнечных и ветряных электростанций, контроллеры питания устройств, работающих от аккумуляторов и другие.

В этой статье рассмотрены особенности работы импульсных преобразователей во всех возможных, с точки зрения направления передачи энергии, режимах:

• передачи – когда энергия передается с входа преобразователя на его выход,
• холостого хода – когда энергия не передается,
• рекуперации – когда энергия передается в обратном направлении – с выхода на вход.

Детальный анализ рассматриваемых процессов приведен в работах [1, 2]. При желании более фундаментально изучить этот вопрос, читатель может самостоятельно ознакомиться с предложенными материалами. Некоторые моменты, например, почему рассматривается обратноходовой преобразователь, также будут более понятны, если ознакомиться со статьями, уже опубликованными в журнале РадиоЛоцман [3 – 5].

Режим передачи электрической энергии

Рассмотрим работу идеализированного (собранного на элементах с идеальными характеристиками и отсутствием каких-либо потерь) обратноходового преобразователя. В самом распространенном режиме, назовем его режимом передачи, электрическая энергия передается в одном направлении: с входа преобразователя на его выход.

В этом режиме энергия из источника питания в нагрузку поступает порциями (импульсами) величиной W_ИМП. Пусть за секунду через преобразователь проходит N_ИМП порций энергии. Каждая порция преобразуется в два этапа (Рисунок 2). На первом этапе энергия величиной W_ИМП через замкнутый ключ S1 передается из электрического поля конденсатора С1 в магнитное поле дросселя L1, а на втором – из магнитного поля дросселя L1 через замкнутый ключ S2 в электрическое поле конденсатора С2.

Рисунок 2.	Режим передачи.

Нагрузка, подключенная к выходу преобразователя, потребляет энергию из конденсатора С2 со скоростью Р_Н. Количество энергии в конденсаторе W_C2 и напряжение на его обкладках связаны:

(1)

где

U_ВЫХ – напряжение на конденсаторе С2, равное выходному напряжению преобразователя;
С_С2 – емкость конденсатора С2.

Большинство преобразователей стабилизируют выходное напряжение, поддерживая его, а, следовательно, и количество энергии в конденсаторе С2, постоянным. Очевидно, что для этого должно соблюдаться условие:

(2)

Если условие (2) не выполняется, тогда количество энергии в конденсаторе С2 будет либо постоянно увеличиваться (если Р_Н < W_ИМПN_ИМП), либо уменьшаться (если Р_Н > W_ИМПN_ИМП) до тех пор пока или не установится новый баланс мощности (вплоть до Р_Н = W_ИМПN_ИМП = 0), или что-нибудь не сломается, ведь постоянное увеличение напряжения на конденсаторе рано или поздно приведет к пробою диэлектрика.

При легкой нагрузке мощность Р_Н стремится к нулю, поэтому контроллеру для предотвращения увеличения напряжения на выходе необходимо уменьшить либо N_ИМП, либо W_ИМП, либо и то и другое сразу.

Контроллеру проще всего изменить N_ИМП. В этом случае при нормальной нагрузке количество импульсов соответствует частоте преобразования (N_ИМП = f_ПР), а при легкой нагрузке часть циклов пропускается (N_ИМП < f_ПР). Этот режим называют режимом пропуска импульсов. Однако если не уменьшить W_ИМП, на выходе может увеличиться уровень низкочастотных пульсаций (Рисунок 3), что в ряде случаев неприемлемо. Таким образом, при легкой нагрузке желательно также уменьшать и количество энергии W_ИМП, преобразуемое за один цикл.

Рисунок 3.	Режим пропуска импульсов.

Рассмотрим, что влияет на величину W_ИМП. Поступление энергии в дроссель L1 происходит при подключении его ключом S1 к конденсатору C1. Пусть в момент замыкания ключа S1 в дросселе после предыдущего цикла преобразования осталось некоторое количество энергии W_НАЧ:

(3)

где

Ф_НАЧ– магнитный поток магнитопровода в момент замыкания ключа S1;
A_L – конструктивный параметр магнитопровода, обычно используемый для расчета индуктивности L его обмоток (L = N²A_L, где N – количество витков).

Рисунок 4.	Параметры магнитного потока дросселя.

Ключ S1 замыкается на некоторое время t₁, на протяжении которого к обмотке W1 дросселя L1 приложено входное напряжение U_ВХ, под действием которого, согласно закону Фарадея, магнитный поток в дросселе изменяется на величину ΔФ (Рисунок 4):

(4)

где N₁ – количество витков обмотки W1.

Таким образом, к моменту размыкания ключа S1 магнитный поток в дросселе достигнет величины Ф_КОН:

(5)

которому соответствует энергия W_КОН:

(6)

Вычитая из (6) энергию дросселя в момент замыкания ключа S1 (3), получим количество энергии, переданное в дроссель из конденсатора C1:

(7)

где Ф_СР – среднее значение магнитного потока на интервале t₁:

(8)

Из формулы (7) видно, что мощность, потребляемая нагрузкой, влияет на параметры магнитного потока в дросселе. Для того чтобы при легкой нагрузке уменьшить W_ИМП, необходимо уменьшать либо постоянную Ф_СР, либо переменную ΔF составляющие магнитного потока.

Величина ΔФ определяется (4). Из всех компонентов этой формулы контроллер может изменить только длительность t₁, ведь практически во всех преобразователях ключ S1 управляемый. Однако от t₁ зависит также и выходное напряжение, которое для обратноходового преобразователя определяется формулой:

(9)

где

N₂ – количество витков обмотки W2;
t₂ – длительность замкнутого состояния ключа S2.

Поэтому, для того чтобы выходное напряжение не изменилось, вместе с t₁ необходимо изменять и t₂ так, чтобы соотношение t₁/t₂ оставалось одинаковым (Рисунок 5). Но при использовании в качестве ключа S2 неуправляемого полупроводникового диода возможность управления длительностью t₂ отсутствует. И пусть даже t₂ уменьшается автоматически, и контроллер может обеспечить нужное соотношение t₁/t₂, все равно, уменьшать t₁, даже вместе с t₂, можно только до определенных пределов. Рано или поздно наступит такой момент, когда или t₁, или t₂ станут меньше чем время, необходимое для переключения ключей, ведь на практике они не идеальны.

Рисунок 5.	Магнитный поток дросселя в разрывном режиме.

Вот и получается, что в разрывном режиме, в котором используется этот метод регулирования, преобразователь в принципе не может стабилизировать напряжение без нагрузки, когда Р_Н = 0, t₁= 0 и t₂ = 0. Если контроллер дополнительно не поддерживает режим пропуска импульсов, то силовая часть должна обязательно иметь некоторую минимальную нагрузку, при которой еще можно как-то поддерживать выходное напряжение в требуемых пределах, иначе оно будет неуправляемым. Для этого на выходе обычно устанавливают создающий дополнительные потери резистор.

Список источников