Революционный источник питания
Импульсный трансформатор — многофункциональное устройство: кроме гальванической развязки в импульсных источниках питания он обеспечивает перенос энергии от импульсного преобразователя в выходные цепи и решает задачу установления требуемых напряжений и токов. Вместе с тем, импульсный трансформатор является чаще всего самой дорогой деталью импульсного блока питания, т.к. на нём происходят существенные потери энергии и он плохо поддаётся миниатюризации. Исключение трансформатора из схемотехники импульсных источников питания существенно снижает их себестоимость и габариты.
Российская компания Good Luck представила импульсный источник питания с индуктивно-ёмкостной гальванической развязкой на выставке «Интерсвет 2011». На стенде компании демонстрировался открытый светодиодный светильник с бестрансформаторным источником питания, имеющим гальваническую развязку с сетью. Принципиальная электрическая схема этого источника питания показана на рисунке 1.
Этот прибор был произведён в небольшом количестве специально для выставки как демо-версия со следующими параметрами: диапазон мощностей: 1...10 Вт; источник тока: 0,12 А; КПД: около 90% (при нагрузке 10 Вт); коэффициент мощности: более 0,9; коэффициент пульсаций по всему диапазону: не более 3%; рабочая частота контроллера TNY378: 264 кГц. Ток утечки — около 0,005 А. Кроме высокого тока утечки, данный источник питания имеет ещё один существенный конструктивный недостаток — для развязки в нём используются высоковольтные керамические конденсаторы, которые при пробое могут замкнуть выходную цепь с сетью, поэтому, несмотря на простоту и надёжность, представленный образец был изготовлен только для выставки.
Принцип действия индуктивно-ёмкостной гальванической развязки основан на зависимости реактивных сопротивлений конденсатора и индуктивности от частоты. К примеру, сопротивление разделительного конденсатора ёмкостью 50 нФ при токах промышленной частоты составляет около 64000 Ом, а при токах собственной частоты 100-кГц импульсного преобразователя — всего 32 Ом. Такой конденсатор может быть использован для перекачки энергии от импульсного преобразователя в выходную цепь на частоте импульсного преобразователя и одновременно — для подавления токов промышленной частоты.
На рисунке 2 показано ограничение токов промышленной частоты разделительными конденсаторами (красным цветом) и токов собственных частот импульсного преобразователя индуктивностями (синим цветом).
Конденсаторы для развязки должны обладать рядом определенных свойств, т.к. именно они определяют безопасность источника питания и ряд других его параметров. В первую очередь, конденсаторы развязки должны иметь высокое напряжение пробоя, а если пробой и произойдёт, то он не должен привести к замыканию их выводов. Таким требованиям соответствуют Y-конденсаторы, предназначенные для устранения возможности пробоя, который может привести к поражению электрическим током. При номинальном рабочем напряжении 350...400 В напряжение пробоя для них составляет 3-8 кВ. В большинстве современных импульсных источников питания первичные и вторичные обмотки импульсных трансформаторов (или «горячие» и «холодные» земли) замкнуты по высокой частоте Y-конденсаторами ёмкостью около 2,2 нФ. Конденсаторы развязки должны не только характеризоваться надёжностью, но и малыми потерями на частотах импульсного преобразователя и ограниченной ёмкостью для предотвращения протекания через них токов промышленной частоты выше определённых. При этом ёмкость должна быть достаточной для перекачки энергии через конденсаторы в выходную цепь.
Максимальная величина ёмкости конденсаторов развязки определяется максимальным током утечки, который для приборов класса 0, 01 и 3 согласно ГОСТ Р МЭК 335-1-94 не должен превышать 0,5 мА, а для приборов класса 1 ...3,5 мА. Таким образом, суммарная величина ёмкости конденсаторов развязки для источников питания, используемых в приборах классов 0, 01 и 3, не должна превышать 7 (по 3,5 нФ на каждый конденсатор), а для приборов класса 1 величина каждого конденсатора не должна превышать 25 нФ.
Работа выходной цепи обратноходового преобразователя с индуктивно-ёмкостной развязкой показана на рисунке 3. Красными линиями показаны токи, протекающие при замыкании ключа, синими — во время обратного хода. При замыкании ключа происходит заряд конденсаторов и накопление энергии в индуктивностях. При обратном ходе энергия из индуктивностей поступает в нагрузку, и происходит разряд конденсаторов.
Конденсаторы ограничивают накопление энергии в индуктивности L2 во время прямого хода и поступление энергии из индуктивности L1 в нагрузку во время обратного хода до энергии их заряда. Количество энергии W, поступающей в нагрузку за один цикл работы импульсного преобразователя, для этой схемы составляет:
При этом знак равенства справедлив только для идеальных элементов схемы без потерь.
Максимальная мощность, которую можно получить в нагрузке, составляет:
где F — частота работы ключа.
Ограничение ёмкостей конденсаторов величинами 3,5 нФ для приборов классов 0, 01 и 3 и 25 нФ для приборов класса 1 накладывает ограничения на выходную мощность конкретной схемы. Например, при частоте переключения импульсного преобразователя 100 кГц, напряжении питания ключевого каскада 300 В и емкости конденсаторов развязки 3,5 нФ максимальная расчётная мощность составляет 15,75 Вт (реальная мощность с учётом потерь — не более 10 Вт). Увеличить выходную мощность можно путем повышения напряжения питания ключевого каскада или частоты переключения.
На рисунке 4 показана схема источника питания мощностью 10...40 Вт для приборов класса 1 на контроллере PKS604. КПД источника при выходной мощности 40 Вт составляет 91—95%.
Кроме обратноходовых преобразователей, индуктивно-ёмкостная гальваническая развязка может применяться с мостовыми, полумостовыми и прямоходовыми схемами.
На рисунке 5 показана схема драйвера светодиодов на полумостовом контроллере IRS2530 (с сайта производителя). Для гальванической развязки выходной цепи в штатную схему достаточно добавить разделительный конденсатор Ср (выделен красным цветом) ёмкостью 10 нФ и увеличить ёмкость &es с 4,7 до 10 нФ. Оба конденсатора должны относиться к типу Y1 или Y2.
На рисунке 6 представлена схема импульсного источника питания на основе контроллера для обратноходовых преобразователей NCP1200. Как и в схеме с трансформаторным выходом, рекомендуемой производителем контроллера, он работает в режиме «старт-стоп», а стабилизация выходного напряжения осуществляется благодаря обратной связи на оптопаре. Несмотря на обратноходовой контроллер, схема работает как прямоходовой преобразователь. Работу элементов схемы иллюстрирует рисунок 7.
Красными линиями показаны токи при замкнутом состоянии ключа, синими — при разомкнутом.
На рисунке 8 показана развязка в импульсных преобразователях, применяемых в качестве электронного балласта в энергосберегающих лампах.
Очевидно, что в качестве драйверов для светодиодных ламп можно использовать отработанные схемы электронных балластов, что может существенно снизить их себестоимость.
Индуктивно-ёмкостная гальваническая развязка является интеллектуальной собственностью компании Good Luck, которая получила патент на полезную модель и подала заявку на изобретение. В настоящее время эта развязка — первая альтернатива импульсному трансформатору, которая не имеет аналогов в мире. По оценки независимых экспертов, в ближайшие несколько лет индуктивно-ёмкостная гальваническая развязка вытеснит трансформаторную, в первую очередь, в малогабаритных импульсных источниках питания.
Благодаря отсутствию импульсного трансформатора импульсный блок питания с индуктивно-ёмкостной развязкой мощностью до 10 Вт может уместиться буквально в сетевой вилке. Безопасность блоков питания с индуктивно-ёмкостной гальванической развязкой выше, чем у трансформаторных, т.к. и у тех, и у других выходные и высоковольтные цепи соединены через Y-конденсаторы, но у трансформаторных существует дополнительный риск межобмоточного замыкания.
Все схемы, иллюстрирующие данную статью, в той или иной мере протестированы специалистами компании Good Luck. Результаты тестирования подтверждают более высокий КПД импульсных источников питания с индуктивно-ёмкостной развязкой по сравнению с трансформаторной. Приведённые в статье формулы дают лишь приблизительную оценку, т.к. они не учитывают ряд процессов в импульсном преобразователе, например, индуктивный выброс на ключевом элементе или высокочастотный звон. В ближайшее время компания Good Luck приступит к серийному выпуску источников питания с бестрансформаторной гальванической развязкой, которые составят серьезную альтернативу существующим источникам питания.
Статья опубликована в журнале Современная светотехника (№1, 2012). Авторы статьи - Дмитрий Тарасов и Сергей Титков - ведущие специалисты компании «Good Luck».
