Практически подход и схема за подобряване на ефективността на линейни задвижващи устройства с висока честота на превключване в захранващи устройства за бързо зареждане

С бързото развитие на потребителската електроника и електрическите превозни средства търсенето на захранващи устройства за бързо зареждане непрекъснато расте. Хората не само търсят по-висока скорост на зареждане, но обръщат все по-голямо внимание и на ефективността, стабилността и безопасността при зареждане. Линейните драйвери с висока честота на превключване, като ключов компонент на захранващите устройства за бързо зареждане, играят решаваща роля за подобряване на скоростта на зареждане и намаляване на енергийните загуби. В отличие от традиционните импулсни драйвери, линейните драйвери притежават предимствата на нисък шум, проста конструкция и висока точност на управление, което ги прави широко използвани в сценарии за бързо зареждане с малка и средна мощност. Обаче, когато честотата на превключване се увеличава, за да се задоволи нуждата от бързо зареждане, линейните драйвери се сблъскват с проблеми като повишени загуби на мощност, намалена ефективност и лоша термична стабилност, които ограничават по-нататъшното им приложение. Следователно проучването на практическия опит при използването на линейни драйвери с висока честота на превключване в захранващи устройства за бързо зареждане и разработването на ефективни схеми за подобряване на ефективността имат важно практическо значение за насърчаване на развитието на технологиите за бързо зареждане.

В практическото приложение на бързозареждащи захранващи устройства линейните драйвери с висока честота на превключване срещат три основни предизвикателства. Първото е проблемът с мощностните загуби. Когато честотата на превключване се повиши, загубите при превключване и загубите при провеждане на драйвера значително нарастват. Загубите при превключване възникват по време на процеса на включване и изключване на ключа, а по-високата честота означава по-кратко време за превключване и по-големи загуби. Загубите при провеждане са свързани с включеното съпротивление на ключа и работния ток; при работа с висока честота включеното съпротивление косвено нараства, което води до увеличение на загубите при провеждане. Второто предизвикателство е термичното управление. Големите мощностни загуби предизвикват интензивно нагряване на чипа на драйвера, а ако топлината не се отвежда навреме, температурата на чипа рязко се повишава, което не само намалява ефективността на драйвера, но и влияе на неговия срок на служба, а в крайна сметка може да доведе до повреждане на чипа. Третото предизвикателство е електромагнитната интерференция. Високата честота на превключване поражда силно електромагнитно излъчване, което може да наруши нормалната работа на други компоненти в зарядното захранващо устройство и да повлияе на общата стабилност и надеждност на системата.

За решаване на горепосочените предизвикателства и пълно използване на предимствата на линейните драйвери с висока честота на превключване са необходими практически мерки за приложение. От гледна точка на проектирането на веригата трябва да се избере подходяща топология на драйвера. Често използваните топологии на линейни драйвери включват серийни линейни стабилизатори и стабилизатори с ниско падане на напрежението (LDO). За сценарии с висока честота на превключване по-подходящи са стабилизатори с ниско падане на напрежението, които имат висока скорост на отклик и ниско енергопотребление. Едновременно с това оптимизирането на параметрите на веригата на драйвера — например чрез настройка на напрежението и тока на управление на затвора — може да намали загубите при превключване и да подобри скоростта на превключване. От гледна точка на избора на компоненти трябва да се използват високопроизводителни силови устройства, като например устройства на базата на галий-нитрид и кремний-карбид. Тези устройства притежават характеристики като ниско съпротивление в провеждащо състояние, бърза скорост на превключване и висока топлопроводимост, което позволява ефективно намаляване на мощностните загуби и подобряване на термичната стабилност на драйвера. Освен това добавянето на филтрираща верига към входните и изходните краища на драйвера може да потисне електромагнитните смущения и да подобри устойчивостта на системата към смущения.

Въз основа на практически приложими мерки, формулирането на насочена схема за подобряване на ефективността може допълнително да подобри работата на линейните драйвери с висока честота на превключване. Първата схема е оптимизиране на стратегията за превключване. Чрез прилагане на технология за меко превключване комутационните загуби могат значително да се намалят. Технологията за меко превключване осъществява превключване при нулево напрежение или превключване при нулев ток чрез добавяне на помощни вериги, което намалява напрежението и тока по време на процеса на превключване и следователно намалява загубите. Втората схема е подобряване на системата за термично управление. Трябва да се проектира разумна конструкция за отвеждане на топлината, например чрез добавяне на радиатори, топлоотводни тръби или използване на технология за охлаждане с течност, за да се повиши способността за отвеждане на топлината. Едновременно с това могат да се добавят вериги за термичен мониторинг и защита, за да се следи в реално време температурата на чипа и да се коригира работното състояние на драйвера при прекомерно висока температура, за да се предотврати прегряването. Третата схема е интегриране на интелигентни контролни технологии. Чрез използване на микроконтролери може да се осъществи интелигентна настройка на параметрите на драйвера, например чрез автоматично регулиране в реално време на честотата на превключване и изходното напрежение според състоянието на зареждане, което подобрява ефективността на драйвера. Освен това оптимизирането на разположението на печатната платка за намаляване на паразитната индуктивност и капацитет също може да намали загубите на мощност и електромагнитните смущения.

За проверка на ефективността на практическите мерки за приложение и схемата за подобряване на ефективността беше създадена тестова платформа. В теста се използва бързо зареждащо захранване с мощност 65 W като носител, а линейният драйвер с висока честота на превключване използва устройство от галий-нитрид с честота на превключване 1 MHz. Резултатите от теста показват, че след прилагането на горепосочените мерки и схеми загубата на мощност на драйвера намалява с 25 % спрямо традиционната схема, ефективността на бързо зареждащото захранване се повишава от 88 % до 92 %, а температурата на чипа намалява с 15 °C по време на непрекъснато функциониране. Едновременно с това електромагнитните смущения на системата са значително намалени, а стабилността и безопасността на зареждането са ефективно подобрени. Резултатите от теста потвърждават, че практическите мерки за приложение и схемата за подобряване на ефективността, предложени в настоящата статия, са осъществими и ефективни и могат ефективно да решат проблемите, с които се сблъскват линейните драйвери с висока честота на превключване в бързо зареждащи захранвания.

Линейните драйвери с висока честота на превключване играят важна роля в захранващите устройства за бързо зареждане, но в практическото приложение все още съществуват проблеми като високи загуби на мощност, лоша термична стабилност и силни електромагнитни смущения. Чрез разумно проектиране на веригата, избор на компоненти и мерки за термичен мениджмънт, комбинирани с технологии за меко превключване и интелигентни контролни технологии, ефективността и стабилността на драйвера могат значително да се подобрят. С непрекъснатото развитие на технологиите в областта на електрониката за преобразуване на енергия бъдещите линейни драйвери с висока честота на превключване ще се развиват към по-високи честоти, по-висока ефективност и по-малки размери. Интеграцията на полупроводникови материали с широка забранена зона и интелигентни контролни алгоритми ще стане ключево направление в развитието, което ще допринесе още повече за модернизацията и развитието на технологиите за бързо зареждане и по-добре ще задоволи растящия спрос за бързо зареждане в различни области.