Teljesítményelektronikai ötletek – 33

Robert ebben a hónapban arra mutat egy megoldást, hogyan lehet kis terhelhetőségű, de a bemenettől galvanikusan elválasztott tápegységet készíteni az ipari elektronika számos területén szükséges földfüggetlen segédtápfeszültségek előállítására.

Egyszerű, szigetelt segédtápegység tervezése

Találkozott már olyan igénnyel, hogy galvanikusan leválasztott egyenfeszültséget kellett előállítani például egy teljesítményelektronikai rendszer kapcsolótranzisztorának kapumeghajtója, egy szenzor- vagy kommunikációs áramkör számára? Ebben a folytatásban röviden bemutatunk egy olyan áramkört, amely ezt minimális alkatrészmennyiséggel, bonyolultsággal és költséggel képes megvalósítani. Ez az áramkör mindenütt alkalmazható, ahol alacsony a bemenőfeszültség, és a meghajtott áramkör megenged egy bizonyos (kb. 5%-nyi) tápfeszültség-bizonytalanságot.

1. ábra Szinkron-feszültség­csökkentő szabályozóból kialakított szigetelt tápegység kapcsolási rajza

Az 1. ábrán ennek megvalósítására láthatunk egy módszert. A pél­dában egy olyan integrált áramkört alkalmazunk, amelyet kimondottan e célra fejlesztettek, de bármilyen szinkron feszültségcsökkentő áramkör megfelel erre. Ez az áramkör ugyan aszimmetrikus, félhidas flyback (néha flybuck) megoldásként ismert, ám valójában sokkal inkább egy szinkron feszültségcsökkentő áramkör működésére emlékeztet. A bemeneti feszültség ellenütemű, fetes kapcsolóra csatlakozik, amely egy induktivitásból és kapacitásból álló szűrőt hajt meg. A szűrő kimeneti feszültségét egy feszültségosztón keresztül egy hibajel-erősítő invertáló bemenetére vezetjük. A hibajel-erősítő a fetes ellenütemű kapcsoló kitöltési tényezőjét vezérli annak érdekében, hogy az érzékelési pontot állandó egyenfeszültségen tartsa.
A C10-kondenzátor feszültsége közelítőleg a bemeneti feszültség és a kitöltési tényező szorzata. A feszültségcsökkentő teljesítménykapcsolókhoz hasonlóan az induktivitás fluxusa zérussal egyenlő. Ebben az áramkörben viszont az induktivitáson egy második csatolt tekercs is szerepel, amelynek a feszültségét (amely az alsó oldali fet vezető állapotában indukálódik benne) egy dióda egyen­irányítja. Mivel az induktivitás feszültsége ez esetben maga a kimeneti feszültség, az ideális az, ha az áramkör kimeneti feszültségét szabályozzuk. Következésképpen a primer és a szekunder tekercseken eső feszültségek különbsége az, ami rontja a szabályozás minőségét. Ebben az áramkörben a terhelt áramkör feszültségstabilitására lényeges hatással van a D1 dióda nyitóirányú feszültségesése. A dióda viszont fettel is helyettesíthető a terhelésváltozás hatásának csökkentése érdekében.
Éppen úgy, mint azt a csatolt tekerccsel megvalósított SEPIC-konverternél is láttuk (cikksorozatunk 32. és 31. része), ennek a kapcsolásnak a minőségét is befolyásolják a parazita hatások. Bekapcsolt állapotban az áramkör eléggé „jóindulatúan” viselkedik, és az áram legnagyobb része a T1 csatolt tekercs primer körén folyik át, és tölti a C10 kondenzátort. A terhelés áramát a C5-ben tárolt töltés szolgáltatja. Kikapcsolt állapotban viszont a két kondenzátor az induktivitás csatolt teker­csein keresztül párhuzamosan kapcsolódik. Ezeknek a kondenzátoroknak a feszültsége különböző, és a két kondenzátor között folyó kiegyenlítő áramot egyedül a hurok parazita tulajdonságai korlátozzák. Ezek közé tartozik a két kondenzátor ekvivalens soros ellenállása, a csatolt tekercsek egyenáramú ellenállása, az alsó oldali MOSFET vezető állapotú csatorna-ellenállása, a dióda ekvivalens soros ellenállása és a csatolt tekercsek szórt induktivitása.

2. ábra A kis értékű, szórt induktivitás növeli az áramot

A 2. ábra mutatja az áramok szimulált időfüggvényét a szórt induktivitás különböző értékeinél. A felső áramjelalakok a T1 primer áramát, az alsók pedig a D1 diódaáramát ábrázolják. A szórt induktivitást a nagyon szoros csatoláshoz tartozó 10 nH-től a nagyon laza csatolás 1 μH értékéig változtattuk. A nagyon szorosan csatolt esetben az áram csúcsértéke igen magas, és azt lényegében csak az áramkör ellenállásai korlátozzák.
A laza csatolású tekercsnél a csúcsáramértékek sokkal alacsonyabbak. A nagyobb értékű szórt induktivitás azzal segít hozzá a tápegység hatásfokának növeléséhez, hogy csökkenti az áramok effektív (RMS) értékét. Az összehasonlítás a 2. ábrán látható. A lazán csatolt induktivitásnál közel a felére csökken az áram értéke, amely néhány alkatrészben akár 75%-kal is csökkentheti a veszteséget. A laza csatolás hátulütője a kimeneti feszültség szabályozási jóságának csökkenése.

3. ábra A flyback terhelésszabályozása „elég jó” sok esetben

A 3. ábra a terhelésváltozás szabályozási minőségét mutatja egy, az 1. ábrán bemutatotthoz nagyon hasonló áramkör esetén. Ha a terhelőáram változása korlátozott, ez a szabályozó sok esetben elfogadható szabályozási minőséget produkál. A dióda rétegfeszültségének változásai – éppúgy, mint az áramkör lengő tranzienseinek hatása kis terhelésnél jól látható. Egy minimális előterhelésre vagy egy zenerdiódás stabilizálásra lehet szükség ahhoz, hogy mérsékelje ezeket a kis terhelésnél jelentkező kedvezőtlen hatásokat. Nagy terhelésnél viszont a parazita hatások erősen rontják a szabályozás minőségét. Következésképpen a parazita hatások csökkentése javítja az eredményt. Ha például a diódát szinkron kapcsolóval helyettesítjük, az jelentősen javítja a terhelésszabályozás minőségét.
Összefoglalva: ha olcsó, egyszerű, szigetelt tápegységre van szükség, a flybuck-konverter vonzó topológia, feltéve, hogy a meghajtott áramkör megenged némi kimenőfeszültség-változást (5…10%-ot). A hatásfok (5 V-os kimenetnél mérve) diódás egyenirányítóval is elegendően jó (80%) lehet, amely tovább javítható egy szinkron-egyenirányító használatával.

Kövesse sorozatunkat a következő számunkban is, amelyben megvizsgáljuk, hogyan lehet csökkenteni egy transzformátor szórt kapacitásának hatását. Erről és más teljesítményelektronikai megoldásokról a www.ti.com/power-ca webhelyen is talál információt az olvasó.

REFERENCIA

Chen and Chen;  „Small-Signal Modeling of Assymetrical Half-Bridge Flyback Converter”, IPEMC 2006.

Címkék: DC/DC átalakító | konverter | transzformátor | kapacitás