Двухчастотный режим работы в преобразователях класса E

Мир преобразователей огромен, и каждый тип предлагает уникальную методику работы. Среди них выделяется повышающий преобразователь класса E, отличающийся наличием двухчастотного привода сигнала.

Этот преобразователь регулирует выходную мощность в зависимости от изменяющейся нагрузки, сохраняя при этом высокую эффективность в любых условиях. В отличие от традиционных преобразователей, конструкция класса E обеспечивает более высокое выходное постоянное напряжение по сравнению с входным, что позволяет достичь максимальной эффективности.

Управление постоянными и переменными нагрузками в классе E

Преобразователи класса E, рассчитанные на определенную, фиксированную нагрузку, лишены гибкости в настройке выходных параметров, что приводит к неизменным характеристикам выходного сигнала, который стабильно работает в одинаковых условиях. Напротив, для работы с переменной нагрузкой требуются сложные механизмы управления для точной настройки выходного сигнала.

Изменение выходного сопротивления приводит к изменению режимов работы схемы и формы сигнала. Следовательно, эффективность колеблется в зависимости от типа нагрузки, не оставаясь постоянной.

Одной из определяющих особенностей преобразователей класса E является их способность создавать формы сигналов, которые перед переключением переходят к нулю, что позволяет минимизировать потери на переключение. Это свойство позволяет значительно увеличить частоту переключения — до пятидесяти раз по сравнению с традиционными преобразователями — что способствует высокой эффективности и позволяет уменьшить размеры схемы. Такое уменьшение размеров приводит к снижению веса, занимаемой площади и общей стоимости.

Кроме того, преобразователи класса E значительно снижают уровень электромагнитных помех. Традиционные методы коммутации, которые резко прерывают протекание тока, создают значительную нагрузку на электронные компоненты. Эти компоненты должны выдерживать одновременно высокие напряжения и токи, что приводит к значительному рассеиванию мощности и напряжению, которые, в свою очередь, вызывают потери мощности и снижение эффективности.

Адаптация с двойной частотой управления

Как правило, преобразователи класса E рассчитаны на работу с одной нагрузкой и имеют максимальную эффективность в одной оптимальной точке. Изменение нагрузки нарушает форму сигнала в цепи, нарушая оптимальный режим работы и приводя к значительному снижению эффективности системы.

Чтобы преодолеть это ограничение, модуляция выходного тока с помощью двойной частоты управления обеспечивает поддержание оптимальной рабочей точки, тем самым сохраняя высокую эффективность системы.

В таких преобразователях индукторы являются критически важными компонентами. Однако при использовании двух различных частот переключения нет необходимости в замене этих компонентов. Вместо этого достигается оптимальная рабочая точка, хотя для успешной реализации двухчастотного повышающего преобразователя класса E необходимы особые соображения.

В этом инновационном подходе к преобразователям класса E, использующим двухчастотный режим работы, те же самые индукторы остаются в эксплуатации без необходимости замены. Ключ к достижению оптимальной рабочей точки на обеих частотах лежит в регулировке значений конденсаторов, подключенных параллельно электронным переключателям. Эта регулировка обеспечивает максимальную эффективность, зависящую от поддержания постоянного выходного тока и частоты переключения транзистора.

Этот метод развился из концепции одночастотного усиления, в которой электронные переключатели не используются для поочередного подключения и отключения дополнительной пары конденсаторов. Становится очевидным, что когда эти переключающие устройства активны, они позволяют интегрировать дополнительные конденсаторы параллельно, тем самым увеличивая емкость, уже имеющуюся в цепи.

Детальная работа двухчастотной схемы

В отличие от одночастотной схемы, двухчастотный повышающий преобразователь класса E включает в себя два переключателя, включенных последовательно с конденсаторами, обозначенными на рисунке как Cinv1 и Crec1. Такая конфигурация позволяет модулировать общую емкость. Включение этих переключателей увеличивает емкость Cinv1 и Crec1 по сравнению с емкостью Cinv2 и Crec2, что, в свою очередь, настраивает преобразователь на работу на более низкой частоте.

И наоборот, отключение дополнительных емкостей переводит преобразователь в режим работы на более высокой частоте. Дополнительные переключатели состоят из двух МОП-транзисторов, один из которых, сопряженный с Cinv2, является N-канальным, а другой, сопряженный с Crec2, — P-канальным. Частота переключения преобразователя зависит от входного напряжения и нагрузки.

При высоком входном напряжении или небольшой нагрузке частота переключения повышается, чтобы минимизировать потери на переход ON-OFF и потери на проводимость резонансного индуктора. В сценариях с низким напряжением или низкоимпедансной нагрузкой частота переключения снижается.

На этапе проектирования решающее значение имеет выбор входного и выходного рабочих напряжений для обеспечения функциональности преобразователя. Кроме того, проектировщик должен определить максимальную мощность, рассеиваемую нагрузкой на обеих частотах, чтобы облегчить расчет токов в ветвях INV и REC. Выбор индуктивных компонентов особенно важен в связи с необходимостью учета двух разных частот.

Изображенные на рисунке осциллограммы, показывающие напряжение на стоке и истоке электронного переключателя, а также напряжение на катоде и аноде диода, иллюстрируют динамическое поведение схемы при различных условиях работы. Эта визуализация помогает понять производительность и эффективность преобразователя при различных частотах и условиях нагрузки.

Чтобы добиться оптимальной работы на двух разных частотах в повышающем преобразователе класса E, необходим систематический подход.

Как правило, выбор одной частоты, вдвое превышающей другую, целесообразен по следующим причинам:

• Выбор начального напряжения. Начните с выбора входного и выходного напряжений для системы.
• Определение мощности. Определите максимальные мощности относительно двух рассматриваемых частот.
• Расчет тока. Рассчитайте токи, связанные с этими уровнями мощности.
• Выбор индуктора. Выберите подходящие индукторы и определите их добротность (Q) на обеих частотах.
• Оценка потерь при переключении. Вычислите потери, связанные с коммутацией.
• Настройка компонентов для оптимизации. Уточните значения компонентов, чтобы оптимизировать результаты.

Процесс определения размеров компонентов начинается на заданной частоте, а последующая настройка выполняется на частоте, вдвое превышающей исходную. После пересчета потерь на переключение проводится дальнейшая тонкая настройка для повышения эффективности системы.

Этот метод, хотя и сложный, имеет решающее значение для достижения высокой эффективности схемы, обеспечивая сохранение пиковых значений напряжения в пределах диапазона, приемлемого для большинства доступных на рынке устройств.

Средний выходной ток отражает среднее значение тока, что подчеркивает необходимость учета паразитных резистивных элементов в конструкции схемы, тем более что эти сопротивления имеют тенденцию колебаться при изменении частоты и становятся значительно более выраженными на высоких частотах.

Чтобы обеспечить работу на двух частотах в рамках одной схемы, необходимо интегрировать две взаимодополняющие конструкции в повышающий преобразователь класса E. Такая интеграция позволяет изменять частоту в зависимости от состояния электронных переключателей, установленных последовательно с конденсаторами: они открыты для работы на более высокой частоте и закрыты для более низкой.

Осциллограмма выявляет незначительный скачок напряжения в момент включения электронного устройства. Хотя полностью устранить эту ступеньку невозможно, она способствует незначительному увеличению рассеиваемой мощности при переключении, и такой компромисс считается приемлемым и несущественным в контексте общей конструкции схемы.

Такой тщательный подход к проектированию и оптимизации подчеркивает сложный баланс, необходимый для обеспечения эффективной работы двухчастотного повышающего преобразователя класса E на разных рабочих частотах.

Использование этого двухчастотного подхода позволяет значительно повысить эффективность преобразования, демонстрируя прирост эффективности не менее 6-7%. В сочетании с тщательным анализом и хорошо продуманным дизайном эти схемы работают точно по назначению, достигая поставленных целей.

Проницательным методом оценки эффективности системы является сравнение осциллограмм напряжения на выводах MOSFET и диода при работе на двух частотах переключения. Кроме того, анализ токов, проходящих через индукторы Linv и Lrec, позволяет получить ценные сведения о работе системы.

Осциллограммы на рисунке 4 дают наглядное представление об этих характеристиках. Первые две осциллограммы вверху показывают импульс активации электронного переключателя и два сигнала на клеммах двух полупроводниковых компонентов на базовой частоте соответственно. И наоборот, две осциллограммы внизу демонстрируют импульс активации электронного переключателя и два сигнала на клеммах двух полупроводниковых компонентов на удвоенной частоте, соответственно.

Во втором режиме работы схема использует удвоенную частоту и половинный ток на нагрузке по сравнению с первым режимом. Достижение таких высоких частот и эффективной работы обычно представляет собой сложную задачу при использовании традиционных решений.

Конвертеры класса E, несмотря на свою сложность и важность в проектировании и реализации, предоставляют значительные преимущества. Они позволяют управлять нагрузками с различными характеристиками и импедансом.

Путем использования специальных конфигураций, существенных модификаций схемы и значительного увеличения сложности системы становится возможным реализовать DC-DC преобразователь, который может адаптироваться к различным типам нагрузок. Эта способность к адаптации и универсальности делает конвертеры класса E ценными активами в ситуациях, где характеристики нагрузки могут значительно варьироваться.