Опасайтесь циркулирующих токов в конвертере с топологией SEPIC на связанных индуктивностях

Design How-To

Power Tip 32: Beware of circulating currents in a SEPIC coupled-inductor – Part 1

Power Tip 33: Beware of circulating currents in a SEPIC coupled-inductor – Part 2

Robert Kollman, Texas Instruments

https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278582

https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=183&doc_id=1278625

Совет по источникам питания 32. Опасайтесь циркулирующих токов в конвертере с топологией SEPIC на связанных индуктивностях. Часть 1.

В этом совете по источникам питания мы определяем требования к индуктивности рассеяния для связанных индуктивностей в топологии SEPIC. SEPIC является полезной топологией когда не требуется электрическая развязка между первичной и вторичной цепями и когда входное напряжение выше или ниже выходного напряжения. Она также может использоваться вместо повышающего преобразователя, когда требуется защита от короткого замыкания.

Особенностью преобразователя с топологией SEPIC является использование одного силового ключа и непрерывный входной ток, что в итоге приводит к небольшим электромагнитным помехам (EMI). Эта топология может использовать две отдельных индуктивности или, так как формы сигналов напряжения в индуктивностях сходны, можно использовать связанные индуктивности, как показано на Рисунке 1.

Рисунок 1: Преобразователь SEPIC использует один силовой ключ для понижения или повышения напряжения.

Связанные индуктивности привлекательны, поскольку их объём и стоимость меньше двух отдельных индуктивностей. Недостаток стандартных индуктивностей в том, что они не всегда оптимизированы для всего диапазона возможных применений.

Формы тока и напряжения в этой схеме аналогичны таковым в топологии обратного хода (Flyback) в режиме непрерывных токов (CCM). Когда Q1 включён, он прикладывает входное напряжение к первичной обмотке связанных индуктивностей для накопления энергии в цепи. Когда Q1 выключается, напряжение на индуктивности меняет полярность и становится подключенным к выходному напряжению.

Конденсатор C_AC - вот что отличает SEPIC от обратноходового преобразователя; когда Q1 включён, ток вторичной индуктивности течёт через него на землю. Когда Q1 выключен, ток первичной индуктивности течёт через C_AC, суммируясь с выходным током, протекающим через D1. Большим преимуществом этой топологии над обратноходовой является то, что напряжение как на полевом транзисторе, так и на диоде ограничиваются C_AC, и схема практически не "звенит". Это дает возможность выбирать более низковольтные и, следовательно, более эффективные силовые элементы.

Поскольку эта топология похожа на обратноходовую, многие считают, что требуются сильносвязанные обмотки. Однако, это не так. На Рисунке 2 показаны два состояния работы для SEPIC в режиме непрерывных токов, где трансформатор был смоделирован с помощью индуктивности рассеяния (LL), индуктивности намагничивания (LM) и идеального трансформатора (T).

2a) MOSFET включён: VLL = VC_AC - VIN = ?VC_AC (компонента постоянного тока опущена)

2b) MOSFET выключен: VLL = VIN + VOUT - VC_AC - VOUT = ?VC_AC (компонента постоянного тока опущена)

Рисунки 2a и 2b: Оба состояния работы SEPIC преобразователя. Напряжение переменного тока на индуктивности рассеяния равно напряжению на связывающем конденсаторе.

Оценка схемы показывает, что напряжение на индуктивности рассеяния равно напряжению на C_AC. Таким образом большое переменное напряжение при небольшом значении C_AC или небольшая индуктивность рассеяния создают большой циркулирующий ток. Большой циркулирующий ток ухудшает эффективность и увеличивает электромагнитные помехи от преобразователя, что нежелательно.

Одним из способов уменьшения большого циркулирующего тока является увеличение ёмкости связующего конденсатора (C_AC). Однако это увеличивает стоимость, размер и уменьшает надёжность. Более благоразумный подход заключается в увеличении индуктивности рассеяния, что легко сделать указанием использовать нужный магнитный компонент.

Интересно, что лишь немногие производители осознали этот факт, и многие выпустили индуктивности с малой индуктивностью рассеяния для применения в SEPIC. С другой стороны, Coilcraft предлагает MSD1260 47 мкГн с индуктивностью рассеяния около 0.5 мкГн и недавно разработанные альтернативные варианты с индуктивностью рассеяния более 10 мкГн.

Совет по источникам питания 33. Опасайтесь циркулирующих токов в конвертере с топологией SEPIC на связанных индуктивностях. Часть 2.

Требования к индуктивности рассеяния для этой топологии конверторов постоянного тока

В этом совете продолжим обсуждение начатое в предыдущей части о требованиях к индуктивности рассеяния связанных индуктивностей в топологии SEPIC. Ранее мы обсудили тот факт, что переменное напряжение конденсатора связи прикладывается к индуктивности рассеяния связанных индуктивностей. Напряжение, приложенное к индуктивности рассеяния может вызвать большие циркулирующие токи в источнике питания. В части 2 мы покажем результаты измерений источника питания, собранного на слабосвязанных и сильносвязанных индуктивностях.

Схема, изображенная на Рисунке 1, была собрана и промерена. Эта схема может найти применение на автомобильном рынке. Она имеет большой диапазон входного напряжения, от 8 до 36 вольт, которое может быть выше или ниже 12 вольт регулируемого выхода.

Рисунок 3. Конвертер с топологией SEPIC может повышать или уменьшать напряжение с помощью одного силового ключа. (Щёлкните для просмотра увеличенного изображения)

Автомобильный рынок предпочитает керамические конденсаторы благодаря их широкому диапазону температур, длительному сроку службы, способности выдерживать большие токи пульсаций и высокой надёжности. Следовательно, конденсатор связи (С6) керамический. Это означает, что на нём будет более высокое напряжение переменного тока по сравнению с электролитическим конденсатором, и схема будет более чувствительной к низкому значению индуктивности рассеяния.

В этой схеме были проверены две индуктивности Coilcraft 47 мкГн: MSD1260 с очень низкой индуктивностью рассеяния (0.5 мкГн) и MSC1278 с высокой индуктивностью рассеяния (14 мкГн). На Рис. 4a и Рис. 4b показаны формы тока в первичной обмотке этих двух катушек индуктивности.

Рисунок 4a: Слабосвязанные (Щёлкните для просмотра увеличенного изображения)

Рисунок 4b: Сильносвязанные (Щёлкните для просмотра увеличенного изображения)

Малая индуктивность рассеяния (нижний рисунок) приводит к сильным циркулирующим токам в связанных индуктивностях.

Рассматривая форму верхней волны (Рис. 4a) видим входной ток (втекающий в контакт 1 L1) с индуктивностью MSC1278, на Рис. 4b - входной ток с индуктивностью MSD1260. Ток на верхнем рисунке - это то, что обычно ожидается. Ток в основном постоянный, с треугольной компонентой переменного тока.

Форма нижней волны (Рис. 4b) - это то, что получается с высоким напряжением переменного тока на конденсаторе связи при низком значении индуктивности рассеяния. Пиковый ток почти в два раза превышает входной постоянный ток, а среднеквадратичный ток на 50% больше, чем в случае с большой индуктивностью рассеяния. Очевидно, что фильтрация электромагнитных помех (EMI) такого источника питания с сильносвязанными индуктивностями будет более проблематичной. Соотношение входных переменных токов этих двух вариантов составляет почти пять к одному, что означает будет требоваться ещё одно ослабление на 14 дБ.

Второе, на что влияет такой высокий ток циркуляции - это эффективность преобразователя. При на 50% большем среднеквадратичном токе в таком источнике питания потери на проводку будут более чем в два раза больше. На Рисунке 5 сравнивается эффективность двух разных катушек индуктивности без других изменений в схеме.

Рисунок 3: Большая индуктивность рассеяния (MSC1278) даёт лучшую эффективность благодаря меньшим токам. (Щёлкните для просмотра увеличенного изображения)

Оба результата подходят примерно для 90% преобразователей 12В-в-12В. Тем не менее слабосвязанные индуктивности дают на 1-2% лучшую эффективность во всём диапазоне нагрузок, хотя они имеют такое же сопротивление постоянному току, как и сильносвязанные.

Подводя итог, связанные индуктивности в SEPIC конвертере могут уменьшить размер и стоимость источника питания. Индуктивности не должны быть сильносвязанными. Фактически, сильная связь будет увеличивать токи внутри источника питания, усложняя фильтрацию на входе и снижая эффективность.

Самый простой способ выбрать приемлемую величину индуктивности рассеяния это симуляция. Однако, можно также оценить напряжение на конденсаторе связи, установить допустимый ток пульсации, а затем рассчитать минимальную индуктивность рассеяния.

Для получения дополнительной информации об этом и других решениях для источников питания посетите www.ti.com/power-ca.

Ссылки:

Betten, John; “SEPIC Converter Benefits from Leakage Inductance”, PowerPulse.net, http://www.powerpulse.net/techPaper.php?paperID=153

Coilcraft Catalog, MSD1260 Data sheet, also contact for parts with higher leakage inductances, http://www.coilcraft.com/forms/question.cfm

Betten, John; “SEPIC Converter Benefits from Leakage Inductance,” PowerPulse.net, May 2011.