Синхронное выпрямление. Без математики и формул, но с картинками

23.05.2022

Эта статья была мной ранее (27 ноября 2020 года) опубликована на канале Разумный мир в Яндекс.Дзен. Однако, последние изменения в Дзен привели к необходимости переноса статей на другие ресурсы. Статья публикуется с небольшими изменениями и дополнениями.

Идея написания данной статьи появилась по результатам одной дискуссии к статье "DC-DC преобразователи в до-полупроводниковую эпоху. Вибропреобразователи и синхронное выпрямление". Эта дискуссия касалась синхронного выпрямления. Мой оппонент завил, что синхронные выпрямители в простых схемах не работают. При попытке разобраться, почему он так считает, чего то конкретного добиться не удалось. Но стало понятно, что он тесно связывает синхронное выпрямление с DC-DC преобразователями. Напрямую.

В конечном итоге, оппонент привел ссылку на статью "IR1167 – легкий путь к увеличению эффективности AC/DC-преобразователя" и повторил в своем ответе, дословно, часть текста из этой статьи. Но это, опять таки, жестко связано с преобразователями, современными. Именно его мнения, собственного, добиться, увы, так и не получилось. Я не скажу, что мой оппонент не прав в общем и целом. Но эта дискуссия еще раз показывает, что нередко люди, за современными терминами и понятиями, не видят лежащих в их основах процессов. Они оперируют шаблонными понятиями и стандартными решениями, которые видят в учебниках, документации на микросхемы, книгах и статьях в интернете.

Поэтому я решил попробовать объяснить суть синхронного выпрямления, буквально на пальцах, без формул, расчетов, математики. В статье не будет анализа эффективности. Но будет описание процессов, с наглядной иллюстрацией.

Основное заблуждение моего оппонента заключалось именно в том, что он не рассматривал синхронные выпрямителя именно как выпрямители, в отрыве от преобразователей. Поэтому старая схема блока питания с вибропреобразователем, еще 1947 года, которая действительно реализовывала принцип синхронного выпрямления, пусть и крайне упрощенный, вызвала у него неприятие. Как минимум, терминологическое.

В сегодняшней статье я не буду вообще говорить о преобразователях, ни о прямоходовых, ни обратноходовых, ни двухтактных. Только о выпрямителях. Идея синхронного выпрямления, пусть и не в таком явном виде, родилась довольно давно. Задолго до появления DC-DC преобразователей, с которыми сегодня синхронные выпрямители почти всегда связывают. По самой простой и прагматичной причине - необходимость повышения эффективности выпрямителей.

Классический выпрямитель на диодах

Темы выпрямителей я уже немного касался в статье "Выпрямитель, что может быть проще? Часть первая, описательно теоретическая". Поэтому сегодня рассмотрю, более подробно, только некоторые моменты, которые нам нужны. На реальных диодах, не важно, полупроводниковых или ламповых, падает некоторое не нулевое напряжение при протекании прямого тока. А это ведет к рассеиванию на них тем большей мощности, чем больше ток нагрузки. При прочих равных условиях. Давайте посмотрим на двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, который сегодня будет у нас основным подопытным.

Исследуемая модель двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

В данном случае, для моделирования будет использовать MPLAB Mindi в режиме SIMPLIS (режим SIMETRIX не подойдет). Просто нам потребуются некоторые специальные возможности этой программы.

Не обращайте внимания на такое странное изображение первичной обмотки трансформатора. Так выглядит модель трансформатора в Mindi.

Probe_Vout это дифференциальный вольтметр/осциллограф, который позволяет измерять разность потенциалов меду двумя точками без явной привязки нулевого уровня. Я сразу задал частоту входного напряжения 400 Гц, что бы все было ближе к тому, что и стало причиной написания статьи. Вот результат моделирования

Результат моделирования выпрямителя

Зеленым цветом показано напряжение на половине вторичной обмотки, а красным напряжение на выходе выпрямителя. В данном случае амплитуда напряжения на обмотке 9 В, а напряжение на выходе 8.1 В. То есть, падение напряжения на диоде 0.9 В. Для мостового выпрямителя падение напряжения на диодах будет в два раза больше. Еще больше потери будут для выпрямителя на кенотроне, или для селенового. И именно во времена таких выпрямителей и возникла идея синхронного выпрямления.

Диод это ключ

Что легло в основу идеи? Диод, но идеальный. А идеальный диод может находиться в двух состояниях. Если к диоду приложить прямое напряжение (плюс к аноду, минус к катоду), то диод будет открыт, причем падение напряжения на нем отсутствует. Для напряжения обратной полярности диод будет закрыт. Не правда ли, очень похоже на обычный ключ, который может быть замкнут или разомкнут? И это первая часть идеи, привлекательная тем, что падение напряжения на замкнутом ключе равно нулю.

Диод как электронный ключ

Но диод автоматически переключается между закрытым и открытым состоянием в зависимости от приложенного напряжения. А вот ключами надо как то управлять. И это вторая часть идеи, которая на практике оказалась не так проста. Собственно говоря, это и есть синхронный выпрямитель в своем первозданном, чистом виде. И он не имеет никакого отношения к современным DC-DC преобразователям. Кстати, сама идея синхронного выпрямления навеяна еще и работой генератора постоянного тока с коллекторным узлом. В этом генераторе нет диодов, а щетки и коллектор коммутируют расположенные на роторе обмотки.

Идея проста, реализация сложна

В чем же заключается сложность управления ключами? Что бы понять это нам нужно еще раз вернуться к результатам моделирования.

Моменты открывания/закрывания диодов

Здесь я выделил очень важные моменты, которые часто упускают из вида при рассмотрении работы выпрямителей. Диоды выпрямителя открыты не весь соответствующий полупериод, а лишь его часть. Что бы диод открылся, мгновенное значение напряжения на вторичной обмотке должно превысить мгновенное значение напряжения на конденсаторе фильтра на величину падения напряжения на открытом диоде. А что бы диод закрылся, мгновенное значение напряжения на обмотке должно стать меньше напряжения на конденсаторе фильтра плюс падение напряжения на открытом диоде. Вот это время открытого состояния диода и является довольно сложной частью расчета выпрямителя. И оно зависит от многих факторов, среди которых не только изменение тока нагрузки или входного напряжения, но и форма напряжения, и температура.

Давайте дополним результат моделирования токами через диоды.

Результат моделирования с графиками тока через диоды

Вертикальные зеленые линии соответствуют моменту перехода входного напряжения через 0. Вертикальные красные - моменту открывания диодов. Вертикальные синие - моменту закрывания диодов. Собственно говоря, эта иллюстрация просто наглядно показывает то, о чем я говорил выше. И именно на этом застопорилось практическое воплощение идеи синхронного выпрямления. Схемотехника и элементная база тех времен не позволяли строить мощные управляемые ключи и схемы управления этими ключами. Но исключения все таки были. О них чуть позже.

Почему не работает самое простое решение?

Первым, и простейшим, вариантом управления было переключение с частотой питающей сети. Причем каждый ключ замкнут только свою половину периода. То есть, это практический полная аналогия работы коллекторного узла генератора постоянного тока. Такой вариант казался вполне работоспособным, но ровно до того момента, когда на выходе выпрямителя появляется конденсатор фильтра. Причина возникающих проблем заключается именно в том, что диоды в классическом выпрямителе открыты не весь полупериод. Но все ли так страшно? Давайте посмотрим. Теперь будем использовать такую модель

Cинхронный выпрямитель с ключами вместо диодов и ошибочной коммутацией

Основное отличие от ранее рассмотренной модели - диоды заменены управляемыми ключами (S1 и S2). В данном случае, ключи (модели ключей) управляются напряжением на вторичных обмотках. При этом каждый ключ открыт в течении всего своего полупериода. Резистор сопротивлением 10 Ом в первичной цепи имитирует внутреннее сопротивление обмотки. Без этого, для идеального трансформатора, токи коммутации получаются слишком большими.Теперь к модели подключены два дифференциальных вольтметра и два датчика тока, I(S1-N) и I(S2-N), которые измеряют ток через ключи. А вот результат моделирования. И он, прямо скажем, ужасен

Моделирование синхронного выпрямителя с ошибочным управлением ключами

Выходное напряжение здесь показано на нижней кривой (красного цвета). Обратите внимание, насколько форма выходного напряжение отличается от классического выпрямителя. И насколько изменилась форма токов (две средние кривые). Результат явно не удовлетворительный. Дело в том, что преждевременное замыкания ключа приводит к тому, что напряжение на обмотке будет меньше напряжения на конденсаторе фильтра. А значит, конденсатор будет не заряжаться, а разряжаться. То же самое касается позднего размыкания ключа, когда напряжение на обмотке уже стало меньше напряжения на конденсаторе фильтра.

Обратите внимание, что ток через ключи течет в обоих направлениях, чего быть не должно (и нет в выпрямителе с диодами). Поэтому форма выходного напряжения такая же, как для двухполупериодного выпрямителя без конденсатора фильтра. Не тот результат, который нам нужен. Кстати, именно по этой причине оказываются неработоспособными простейшие схемы с претензией на синхронное выпрямление, которые легко найти в интернете, и которые периодически обсуждают на форумах. Но об этом позже.

Решение - контроллер синхронного выпрямителя

Из описанного выше понятно, что нужно как то автоматически определять моменты коммутации ключей. В простейшем случае это можно сделать с помощью компаратора, который будет сравнивать напряжение на обмотке и напряжение на конденсаторе фильтра (мгновенные значения). То есть, будет фактически оценивать приложенное к ключу напряжение, что сделает его поведение идентичным поведению диода. Вот модель

Синхронный выпрямителья с управлением компараторами

Поскольку модели контроллера синхронного двухполупериодного выпрямителя нет, я имитировал его работу изменив подключение управляющих выводов ключей. Кроме того, теперь для входов задан порог и гистерезис. Они выполняют функцию компаратора оценивающего приложенное к ключам напряжение. Именно этим и занимаются простейшие контроллеры синхронных выпрямителей. Да, это довольно грубая имитация. Но она отражает суть процессов, что нам и требуется. А вот результат моделирования

Результат моделирования

Результат мало отличается от того, который был с классическим выпрямителем на диодах. Но если посмотреть внимательнее, то можно заметить, что выходное напряжение стало больше. Теперь нет падения напряжения на диодах. А это и является целью синхронного выпрямления. Но схема стала значительно сложнее, использующее синхронный выпрямитель устройство будет дороже. Поэтому замена обычного выпрямителя на синхронный оправдана далеко не всегда.

Особый случай

Так что, без контроллера, пусть и простейшего, управляющего синхронным выпрямителем никак не обойтись? Если говорить очень строго, то да, не обойтись. Но иногда все таки можно. И именно это сделано в той схеме, из-за которой весь сыр-бор и разгорелся. Я повторю эту старую схему, что бы было понятнее, о чем идет речь

Блок питания с вибропреобразователем

Но давайте сначала внимательнее посмотрим на форму напряжения на конденсаторе фильтра, для синусоидального входного напряжения

Напряжение на конденсаторе фильтра

Да, это всем известно и очень банально. Но тут есть интересные моменты. Длительность фазы заряда конденсатора фильтра зависит не только от начального и конечного напряжения, но и от сопротивления источника, которое во многом и определяет ток заряда. Но это время зависит и от формы входного напряжения. А вот это часто упускают из вида. Но и длительность фазы разряда зависит не только от тока нагрузки и начального и конечного напряжений. Это время зависит и от формы входного напряжения тоже, хоть это и кажется парадоксальным. Форма входного напряжения оказывает влияние до того момента, пока входное напряжение (напряжение на вторичной обмотке) больше напряжения на конденсаторе. А если входное напряжение будет не синусоидальным, а прямоугольным? Для большей наглядности я приведу иллюстрацию для однополупериодного выпрямителя

Напряжение на конденсаторе фыильтра

Поскольку у нас теперь фронт входного напряжения крутой, то длительность заряда сократилась. Именно за счет сокращения времени нарастания входного напряжения. Да, напряжение нарастает по экспоненте, но ведь сопротивление источника не нулевое. Небольшой спад вершины это влияние трансформатора. Точнее, индуктивности первичной обмотки. Но у нас теперь и спад входного напряжения крутой. Поэтому время разряда начинается сразу во спаду импульса. А форма кривой определяется только разрядом конденсатора фильтра на сопротивление нагрузки.

А значит, для примерно постоянного тока нагрузки, который был характерен для многих схем на лампах, мы можем не заниматься определением моментов замыкания/размыкания ключей, а вычислить их заранее. Для прямоугольного входного напряжения. И от контроллера потребуется только осуществлять коммутацию в заданные фиксированные моменты времени. И с этим вполне может справиться сам вибропреобразователь (вибратор).

Но что бы понять, как это происходит, нам нужно учесть одну особенность работы вибратора. Точнее, его контактных групп. Я повторю иллюстрацию

Устройство вибропреобразователя

У контактов вибратора есть своеобразное "мертвое время". Когда подвижный контакт пролетает от одного неподвижного контакта до другого он оказывается никуда не подключенным. Все контакты разомкнуты. Длительность замкнутого состояния контактов и длительность мертвого времени определяются конструкцией вибратора.

Мертвое время при переключении контактных групп вибратора

При этом, мертвое время может быть разным для разных контактных групп одного вибратора. Достичь этого очень легко, достаточно сделать разным расстояние, которое пролетает подвижный контакт при работе вибратора. Это мертвое время позволяет избежать сквозных токов через контакты. Но приводит к тому, что на обмотках трансформатора, который подключен через контакты вибратора, образуются большие выбросы напряжения. С этими выбросами надо что то делать. И именно по этой причине параллельно каждой обмотке (полуобмотке) подключен конденсатор. Грубо говоря, он выполняет роль простейшего снаббера.

А вот теперь мы можем перейти к моделированию блока питания с синхронным выпрямлением на базе вибропреобразователя. Модель получилась такая

Модель блока питания с вибропреобразователем

Здесь учтено мертвое время для контактов вибратора, но все контактные группы считаются идентичными. Резисторы в цепях обмоток имитируют их сопротивление. Генераторы импульсов V1 и V3 имитируют обратную связь между током в обмотке вибропреобразователя и контактами. Вот результат моделирования того самого блока питания из 1947 года

Результат моделирования

Хорошо видно, что напряжение на ключах, коммутирующих первичные обмотки, в два раза больше напряжения питания. Как и должно быть в такой схеме. Мертвое время можно увидеть в виде небольшой ступеньки, например на зеленом графике, на переднем фронте (внизу). Эта ступенька есть и на красном графике, но ее хуже видно. Наклонный участок на графиках напряжения показывает влияние нарастания тока через обмотки (катушка индуктивности, реальная, подключенная к источнику напряжения) и процессов в магнитопроводе. Выходное напряжение, синяя кривая, имеет небольшие пульсации, что показывает, что наш упрощенный синхронный выпрямитель работает. Упрощенный, так наш "контроллер", вибратор, лишь выполняет ранее рассчитанную схему коммутации.

Но ведь и при стрельбе не всегда нужен баллистический вычислитель именно при собственно стрельбе. Если цель движется всегда по одной и той же траектории, то можно заранее выполнить вычисления и потом просто стрелять. С уже известным упреждением. И это как раз тот самый случай.

От абстрактных ключей к реальным

Вибратор это электромеханическое устройство, а значит обладает не самой высокой надежностью и долговечностью. Значит нам нужны электронные ключи. Биполярные транзисторы не очень подходят, так как падение напряжения коллектор-эмиттер открытого транзистора сравнимо с падением напряжения на открытом диоде. А вот полевые транзисторы весьма интересны. У них сопротивление канала можно сделать очень малым. Но тут возникает одна проблема. Дело в том, что у полевых транзисторов кроме затвора есть внутренний паразитный диод. Именно паразитный, так как его не формируют специально, это технологическая особенность. При этом у современных полевых транзисторов параметры этого диода нормируются и его вполне можно использовать с пользой. Но дело в том, что этот диод при использовании полевого транзистора в качестве ключа и сам будет выполнять роль диода выпрямителя. Что бы диод не мешался, полевые транзисторы в синхронных выпрямителях включают "наоборот". То есть, для N-канального транзистора на сток подают не положительный потенциал (относительно истока), а отрицательный. При этом встроенный диод будет собственно выпрямительным диодом, а транзистор будет шунтировать его при открывании. Снижая тем самым потери в выпрямителе.

Почему не работают простые схемы из интернета?

В интернете много схем, очень простых, авторы которых пытаются реализовать синхронное выпрямление "малой кровью". Вот пример такой схемы, которая НЕ будет работать так, как предполагает ее автор

Эта схема не будет работать

В чем же причина? В схеме использованы N-канальные транзисторы, диоды которых включены так, что полярность выходного напряжение получается верной. Если собрать схему именно в таком виде, то при работе на чисто активную нагрузку она будет вполне работоспособной. Но ровно до того момента, пока не появится конденсатор фильтра. Точно так же, как я писал про простейший способ управления ключами. Дело в том, что в этой схеме транзисторы управляются напряжением обмоток. А значит, моменты открывания и закрывания никак не учитывают напряжение на конденсаторе фильтра. Даже с учетом порогового напряжения полевых транзисторов. Да, можно подобрать число витков вспомогательных обмоток так, что бы транзисторы открывались и шунтировали свои диоды только при превышении напряжения на вторичных обмотках на некоторое напряжение, с небольшим запасом. Но дело в том, что пороговое напряжение имеет большой разброс и зависит от температуры. Да и такое решение никак не учитывает изменения нагрузки выпрямителя. В результате, транзисторы будут открываться или слишком поздно, что снижает эффективность выпрямителя, но не так страшно, или слишком рано, что уже очень плохо, как мы видели. Да и колебания напряжения сети такое решение никак не учитывает.

По сути, это полный аналог блока питания с вибропреобразователем. Но там напряжение на первичной обмотке имело прямоугольную форму. А мы видели, что это имеет большое значение. Кроме того, нагрузка того блока питания была относительно стабильной, чего нельзя сказать о современных полупроводниковых устройствах.

Заключение

Я рассмотрел сам принцип синхронного выпрямления. То, что лежит в его основе. Без привязки к современным DC-DC преобразователям, так как такие выпрямители могут применяться во многих других случаях. Да, синхронное выпрямление гораздо сложнее обычного. Но в простейшем случае контроллером может быть обычный компаратор. Простая привязка моментов коммутации к фазам входного напряжения, без учета влияния конденсатора фильтра на процессы в выпрямителе, не будет работать. Но в некоторых особых случаях, а именно таким случаем является тот старый блок питания, можно обойтись без сложного контроллера. Просто выполняя коммутацию ключей в заранее рассчитанные моменты времени.

Прав ли был мой оппонент? В своей области, для универсальных синхронных выпрямителей DC-DC преобразователей, да, прав. А вот в общем и целом он несколько заблуждается. Просто по той причине, что вместо анализа реальной схемы он воспользовался шаблонным подходом выхватив из всего лишь термин "синхронный выпрямитель" и наложив на него самую распространенную на сегодня трактовку. А ведь я предлагал ему промоделировать схему и подумать...


Вы можете обсудить данную статью или задать вопросы автору на форуме