Сопротивление первичного источника питания (RS) может уменьшать КПД преобразователя постоянного напряжения более чем на 10%, а также влиять на показатели надёжности преобразователя. В компактных преобразователях постоянного напряжения в высокое напряжение специалисты должны обратить особое внимание на эту проблему, в связи с необходимостью использования малых значений ёмкостей для достижения небольших габаритов модулей. В статье с помощью наглядных измерений показано, как действовать при различных значениях RS и предложены рекомендации для обеспечения эффективной и надёжной работы устройств.
Уменьшение потерь эффективности
Высоковольтные преобразователи напряжения серии A представляют собой удобное решение для преобразования энергии в объёме менее чем 1,696 см3 с высотой корпуса всего 6,35 мм. В моделях этого форм-фактора входные напряжения 5, 12 и 24 В могут быть преобразованы в высокие напряжения от 100 до 6000 В при выходных мощностях 1 и 1,5 Вт. Внешний вид высоковольтных преобразователей напряжения XP EMCO серии A показан на рисунке 1. Подробно эти и другие низкопрофильные пропорциональные миниатюрные высоковольтные преобразователи напряжения описаны в статье [2].
Структурная схема высоковольтного преобразователя напряжения с трансформаторной развязкой показана на рисунке 2.
Конструкция включает в себя генератор, трансформатор, выпрямитель, а также входные и выходные конденсаторы. Входной конденсатор является развязывающим конденсатором, включённым параллельно входным и заземляющим клеммам DC/DC-преобразователя. Очевидно, что небольшие размеры преобразователя ограничивают и размеры входного конденсатора ёмкостью меньше 10 мкФ.
В случаях применений с входным сопротивлением первичного источника питания менее 5 Ом никаких проблем обычно не возникает. Однако при более высоких сопротивлениях первичного источника необходимы дополнительные измерения и анализ результатов.
На рисунке 3 показана измеренная форма сигнала входного тока для высоковольтного модуля при нулевом сопротивлении первичного источника питания. При более высоких значениях входного сопротивления первичного источника форма сигнала значительно изменяется, как показано на рисунке 4. При сопротивлении первичного источника питания 10 Ом становится сложно определить, в какие именно моменты преобразователь потребляет ток из внешнего источника.
В таблице представлены результаты измерений при RS = 0 Ом и RS = 10 Ом.
Из таблицы видно, что из-за рассеивания части мощности на сопротивлении источника происходит падение КПД примерно на 10%. Вследствие этого, для обеспечения одного и того же выходного напряжения при заданной мощности, потребуется повышать величину входного напряжения.
Обеспечение надёжности
Помимо влияния на КПД преобразователя, сопротивление первичного источника сказывается и на показателях его надёжности. Рассматриваемые преобразователи содержат внутренние входные развязывающие конденсаторы, через которые протекают импульсные токи, что является неизбежным при работе комбинации генератор-трансформатор. Сопротивление источника повышает частоту генератора тока, что приводит к дополнительной нагрузке на входной конденсатор.
Для определения допустимых значений сопротивления первичного источника и их влияния на надёжность преобразователя был проведён ряд измерений. Выбор правильных значений позволит ограничить частоту генератора тока на внутреннем развязывающем конденсаторе, что повысит долговременную надёжность преобразователя. Измерения тока, протекающего через развязывающий конденсатор, были проведены для различных значений сопротивлений первичного источника (от 0 до 55 Ом), с установленным внешним развязывающим конденсатором и без него. Значение основной гармоники тока сравнивалось со значением гармоники, приведённой в справочном листке преобразователя, включая защитную полосу частот для обеспечения минимального запаса по среднеквадратичному току (IRMS) на внутреннем конденсаторе. Измерения показали, что при высоких значениях сопротивления RS внешний развязывающий конденсатор с правильно подобранной ёмкостью заметно ограничивает величину тока на частоте основной гармоники, тем самым уменьшая нагрузку на внутренний конденсатор. Для повышения эффективности работы внешнего конденсатора предпочтительно использовать электролитические конденсаторы с очень низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).
Учитывая результаты проведённых измерений, при сопротивлении первичного источника более 5 Ом рекомендуется установка внешнего конденсатора ёмкостью от 1 до 20 мкФ, в зависимости от входного напряжения преобразователя.
Влияние сопротивления источника и входной ёмкости на работу преобразователей
Следующие результаты измерений демонстрируют работу DC/DC-преобра-
зователя при различных значениях сопротивления первичного источника и входной ёмкости. При нулевых значениях сопротивления источника и ёмкости внешнего конденсатора (Cext) наблюдается значительная составляющая на частоте генератора преобразователя (см. рис. 5).
При величине RS = 15 Ом и нулевой ёмкости внешнего конденсатора заметны повышенные токовые составляющие на частотах 3-й и 12-й гармоники генератора (см. рис. 6).
При значениях RS =10 Ом и Cext = 22 мкФ появляется значительная составляющая во второй гармонике, в то время как значение основной частоты не чувствительно к изменению величины RS (см. рис. 7).
Заключение
Подводя итог, можно заключить, что сопротивление первичного источника уменьшает КПД и создаёт дополнительную нагрузку на внутренний блокирующий конденсатор преобразователя, что снижает его долговременную надёжность. Влияние высокого (больше 5 Ом) сопротивления первичного источника питания на показатели надёжности может быть минимизировано размещением внешнего конденсатора с низким эквивалентным последовательным сопротивлением на входных выводах преобразователя.
Литература
- Minimizing the Impact of Source Resistance on High–Voltage DC to DC Converters. WP07–A01. 2017 XP EMCO.
- Жданкин В.К. Высоковольтные преобразователи напряжения в виде стандартных модулей: просто, компактно, экономно. Современная электроника. 2016. № 4.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
