Топологии силовых каскадов

 

Петр Захаревич, инженер

 

В статье перечислены силовые каскады преобразователей. Приведены предпочтительные области их применения и основные особенности.

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №6-2025

Введение

В специальной литературе имеется множество подробных описаний AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Несколько меньшее внимание уделяется детальному рассмотрению силовых каскадов. И достаточно пальцев одной руки, чтобы пересчитать материалы, в которых были бы сведены воедино с указанием основных параметров разные топологии силовых каскадов.

Исходя из этого обстоятельства, можно предположить, что читателей журнала наверняка заинтересует справочный материал [1], где приведены сведения о значительной части используемых каскадов с небольшими добавлениями и сокращениями. В таблице перечислены топологии силовых каскадов и рекомендуемые приложения. Далее мы сохраним формат документа [1] и списком перечислим параметры каждой топологии.

 

Таблица. Топологии силовых каскадов и рекомендованные приложения для них

Область применения	AC/DC-преобразователи	DC/DC-преобразователи	DC/AC-инверторы
промышленные источники питания	повышающий; тотемная топология; Венский выпрямитель	мостовой LLC; полумостовой LC; мостовой с ZSV
зарядные устройство для электромобилей	Венский выпрямитель; B6; ANPC*	мостовой LLC; DAB; CLLC;
солнечные электростанции		DAB; CLLC; понижающий; повышающе-понижающий	HERIC**; ANPC; циклоконвертор; обратноходовой***
бытовая техника	повышающий; тотемная топология; Венский выпрямитель; повышающий; повышающий с чередованием; обратноходовой		B6
роботы			B6
освещение	повышающий; повышающий с чередованием; обратноходовой	понижающий; гибридный; обратноходовой; LLC

* ANPC – аббревиатура от Active Neutral Point Clamped (активная фиксация нейтральной точки).

** HERIC – аббревиатура от Highly Efficient and Reliable Inverter Concept (Н-мостовой преобразователь с байпасной цепью на АС-выходе).

*** PS FB – аббревиатура от Phase-Shift Full Bridge (полный мост с фазовым сдвигом между полумостами).

 

 

Промышленные источники питания

На рис. 1 показан повышающий AC/DC-преобразователь, корректор коэффициента мощности (ККМ), работающий в режиме постоянной проводимости и в режиме критической проводимости.

Рис. 1. Повышающий AC/DC-преобразователь, корректор коэффициента мощности

 

В этой и во всех приведенных ниже топологиях могут использоваться силовые ключи MOSFET, SiCFET и GaNFET. Они выделяются цветом, как показано на рис. 1. Основные особенности каскада:

• малое число активных компонентов;
• мощность на одну фазу: до 3 кВт;
• плотность мощности: не более 20 Вт/дюйм³;
• КПД: до 98%;
• суммарная мощность параллельного включения трех фаз: свыше 7 кВт;
• требуется согласование 3-фазного включения со входом DC/DC-преобразователя;
• диапазон рабочего напряжения: 650–800 В;
• допускается аналоговое управление.

На рис. 2 показан Венский выпрямитель для ККМ.

Рис. 2. Венский выпрямитель

 

Его основные особенности:

• мощность: 7–15 кВт;
• КПД: до 97,5%;
• двунаправленный ключ с GaNFET, заменяющий два стандартных MOSFET;
• альтернативная топология – B6.

Тотемный AC/DC-каскад ККМ, работающий в режиме непрерывной проводимости, показан на рис. 3.

Рис. 3. Тотемный каскад ККМ

 

Перечислим его ключевые особенности:

• мощность: 1–7 кВт;
• плотность мощности: до 80 Вт/дюйм³;
• КПД: до 99%;
• диапазон рабочего напряжения: 600–750 В;
• для увеличения рабочей частоты применяются SiCFET и GaNFET.

Полумостовой LLС DC/DC-преобразователь представлен на рис. 4.

Рис. 4. Полумостовой LLС DC/DC-преобразователь

 

Его главные особенности:

• хорошо подходит для переменной нагрузки;
• мягкая коммутация;
• высокий КПД;
• высокая плотность мощности;
• диапазон рабочего напряжения: 600–700 В на первичной стороне и 60–100 В на вторичной.

На рис. 5 показан мостовой LLС PS (со сдвигом фаз) DC/DC-преобразователь.

Рис. 5. Мостовой LLС DC/DC-преобразователь со сдвигом фаз

 

Основные особенности этого каскада:

• хорошо подходит для мало изменяющейся нагрузки;
• мягкая коммутация;
• дли увеличения рабочей частоты и плотности мощности лучше использовать GaNFET;
• диапазон рабочего напряжения: 600–700 В на первичной стороне и 60–100 В на вторичной.

Мостовой LLС DC/DC-преобразователь показан на рис. 6.

Рис. 6. Мостовой LLС DC/DC-преобразователь

 

Его главные особенности:

• вдвое большая нагрузка по сравнению с LLС PS DC/DC-преобразователем;
• размер трансформатора меньше;
• распределение тепловых потерь лучше;
• диапазон рабочего напряжения: 600–700 В на первичной стороне и 60–100 В на вторичной.

 

Зарядные устройства электромобилей

Силовой AC/DC-каскад ANPC с активной нейтралью показан на рис. 7.

Рис. 7. Силовой каскад ANPC

 

Его главные особенности:

• максимальный КПД: 99%;
• высокая плотность мощности и высокая надежность;
• низкая температура перехода силовых ключей;
• легко конфигурируется под трехфазный или однофазный вход.

Трехфазная AC/DC-топология В6 показана на рис. 8.

Рис. 8. Трехфазная топология В6

 

Ее основные особенности:

• КПД: до 97,5%;
• высокая плотность мощности;
• малое число используемых компонентов;
• простое управление.

Кроме перечисленных выше топологий для зарядного устройства электромобиля так же, как и для промышленных источников питания, может применяться Венский выпрямитель. Его основные особенности приведены в комментариях к рис. 2.

На рис. 9–10 представлены мостовой LLС DC/DC-каскад и LLС DC/DC-каскад с двойным активным мостом, соответственно.

Рис. 9. LLС DC/DC-каскад

Рис. 10. LLС DC/DC-каскад с двойным активным мостом

 

Ключевые особенности этих преобразователей:

• многовариантность схем силовых каскадов;
• довольно легко обеспечить высокую плотность мощности и КПД;
• широкий диапазон выходных напряжений благодаря комбинации методов ШИМ и ЧИМ для управления;
• широкий диапазон выходного напряжения поддерживает батарейные системы питания;
• гибкие варианты конструкции с разными резонансными контурами;
• мягкая коммутация ZVS при любой нагрузке.

Двунаправленный СLLС DC/DC-каскад показан на рис. 11.

Рис. 11. Двунаправленный СLLС DC/DC-каскад

 

Он характеризуется следующими свойствами:

• высокий КПД благодаря мягкой коммутации с нулевым напряжением (ZVS) во всем диапазоне напряжений;
• высокая плотность мощности;
• возможно использование силовых ключей SiCFET и GaNFET;
• низкий уровень электромагнитных помех;
• возможность тиражирования в разных изделиях.

 

Солнечные электростанции

Инверторный DC/AC-каскад HERIC показан на рис. 12.

Рис. 12. DC/AC-инверторный каскад HERIC

 

Его отличают:

• низкий уровень излучаемых радиопомех;
• низкий уровень кондуктивных синфазных электромагнитных помех;
• масштабируемость для использования в многоуровневых каскадах.

Однофазный инверторный DC/AC-каскад ANPC показан на рис. 13.

Рис. 13. Однофазный инверторный DC/AC-каскад ANPC

 

Основные свойства каскада:

• максимальный КПД: свыше 99%;
• высокая плотность мощности и высокая надежность благодаря низкой температуре перехода силовых ключей;
• простое конфигурирование для одно- и трехфазного выхода.

Оба каскада (рис. 12–13) можно построить на обычных IGBT, но тогда их рабочая частота не превысит 60 кГц.

На рис. 14 показан повышающе-понижающий DC/DC-каскад.

Рис. 14. Повышающе-понижающий DC/DC-каскад

 

Его характеризуют следующие особенности:

• напряжение: 250–470т В;
• хорошее соотношение цена/качество;
• простая система управления.

Топологию DC/DC-каскада MPPT (Maximum Power Point Tracking), показанную на рис. 15, отличает малое число используемых компонентов.

Рис. 15. DC/DC-каскад MPPT

 

Не вдаваясь в подробности, напомним, что метод MPPT подразумевает мониторинг параметров солнечных батарей и накопительных аккумуляторов. На основе этих данных выбирается режим работы с максимально допустимой мощностью. Метод МРРТ позволяет практически исключить потери в аккумуляторных батареях, повысить эффективность солнечных батарей и продлить срок их службы.

На рис. 16–18 представлены DC/AC-микроинверторы с оптимальным регулированием (экстремальные регуляторы). Эти топологии силовых каскадов используются с целью максимально повысить КПД установки.

Рис. 16. Сложный обратноходовой преобразователь

Рис. 17. Силовой каскад циклоконвертора

Рис. 18. Мостовой преобразователь со сдвигом фаз

 

К основным особенностям сложного обратноходового преобразователя (рис. 16) относятся:

• простота использования;
• несложная система управления;
• из-за значительной величины энергии, запасаемой на низкой стороне, требуется большая емкость входного конденсатора;
• незначительное потребление реактивной мощности.

Основные свойства силового каскада циклоконвертора (рис. 17):

• мягкая коммутация ZCS и ZVS при нулевом токе и нулевом напряжении;
• высокая плотность мощности;
• малое число используемых компонентов;
• возможно использование двунаправленных силовых ключей GaNFET, что существенно сокращает габариты преобразователя.

Мостовой преобразователь со сдвигом фаз, показанный на рис. 18, характеризуется следующими свойствами:

• КПД: свыше 99%;
• высокая плотность мощности;
• высокая надежность;
• простое конфигурирование для одно- или трехфазного выхода.

Для уменьшения потерь в DC/DC-тракте солнечных электростанций используются простой понижающий (рис. 19) и повышающе-понижающий (рис. 20) силовой каскад.

Рис. 19. Понижающий DC/DC-каскад

Рис. 20. Повышающе-понижающий DC/DC-каскад

 

Оба каскада имеют высокую плотность мощности, а их КПД превышает 99%.

 

Освещение

В качестве ККМ используется повышающий каскад, показанный на рис. 1, и каскад с чередованием (рис. 21).

Рис. 21. Повышающий каскад с чередованием

 

Его основные особенности:

• отлично подходит для приложений с большой мощностью;
• КПД выше, чем у однокаскадных ККМ;
• низкие пульсации входного тока.

В DC/DC-тракте используется либо простой понижающий каскад, либо гибридный обратноходовой преобразователь (рис. 22).

Рис. 22. Гибридный обратноходовой преобразователь

 

Его основные свойства:

• высокий КПД;
• высокая мощность;
• простая система управления.

 

Циклоконверторы

Этот вид преобразователей нечасто встречается в низковольтных (менее 1000 В АС) приложениях, поэтому предоставим небольшую историческую справку о нем. Изначально циклоконвертор предназначался для высоковольтного промышленного оборудования, например для управления высоковольтным электроприводом (рис. 23).

Рис. 23. Управление высоковольтным электроприводом с помощью циклоконвертора

 

Как видно из рисунка, в каждую из трех фаз включен реверсивный трехфазный тиристорный мост. Основной особенностью приведенного решения является прямое АС/АС-преобразование без промежуточной шины постоянного тока и, следовательно, без накопителей энергии.

Нетрудно заметить, что циклоконверторы обеспечивают четыре вида АС/АС-преобразования:

• однофазное напряжение в однофазное;
• однофазное напряжение в трехфазное;
• трехфазное напряжение в трехфазное (рис. 23);
• трехфазное напряжение в однофазное.

К недостаткам тиристорного циклоконвертора можно отнести сложную систему импульсного фазового управления, в том числе создание надежного датчика нулевого тока, по сигналам которого происходит переключение реверсивного моста.

Спецпредложение по рекламе в журнале «Электронные Компоненты» 2026

Типовое коммерческое предложение по рекламе в журнале «Электронные Компоненты» 2026

Размещение статей и рекламы: anton.denisov@ecomp.ru

Литература

1. Power System Topology Selection. Selection Guide // https://www.infineon.com.