magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 56 reszA mindennapjainkban lépten-nyomon találkozhatunk kapcsolóüzemű tápegységekkel. Ezek valódi tömegcikkek, nemritkán valamilyen készülék filléres tartozékának szerepét játsszák. Éppen a széles körű elterjedtség és a hatalmas példányszám indokolja ezeknek az egyszerű áramköröknek az optimalizálását, amelyre Robert cikke mutat egyszerű példát.

 

 

 

Többféle megközelítésben válaszolhatunk arra a kérdésre, hogyan lehet a legjobban kézben tartani egy aszimmetrikus flyback-feszültségátalakító (1. ábra) primeroldali kapcsolójának feszültségterhelését. A megoldáshoz több műszaki szempontot kell egyszerre szem előtt tartanunk, miközben nem feledkezünk meg a megoldás költségvonatkozásairól sem. Eszerint

  • elfogadható szintre kell korlátozni a MOSFET-kapcsoló feszültség-igénybevételét,

  • a jó hatásfok érdekében nagyon gyorsan ki kell sütni a szórt induktivitásban tárolt energiát (lásd a „Teljesítményelektronikai ötletek – 16” cikket[1]),

  • egy csillapító áramkör beépítésével minimalizálni kell az áramköri veszteséget,

  • és mindezt úgy, hogy közben elkerüljük a tápegység dinamikai viselkedésének lerontását.

Fig1

1. ábra Ez a fet feszültségét korlátozó áramkör kis terhelésnél is jó hatásfokot eredményez

 

A felsorolt problémák megoldásának legolcsóbb módját a cikksorozat 16. részének 1. ábrája mutatja. Ez egy szokásos vágó-diódát, egy kapacitást és egy terhelőellenállást tartalmaz. Az áramkör működésének lényege, hogy a transzformátor szórt mágneses terében tárolt energiát egy kapacitás veszi át, majd a kapcsolási periódus további részében ez az energia disszipálódik, hővé alakul. Sajnos, ez a megoldás mindig azzal jár, hogy állandó energiaveszteség keletkezik, amely a csillapító (snubber) áramkör ellenállásán alakul hővé – tekintet nélkül a kimeneten leadott teljesítmény nagyságára. Minden kapcsolási ciklusban a kondenzátor újratöltődik – legalább a kimenőfeszültségnek a feszültségáttétellel a primer körre átszámított értékére. Ez csökkenti a hatásfokot, különösen a kis terheléseknél.
A jelen cikk 1. ábrája egy alternatív áramköri megoldást mutat, amely az ellenállásból és kondenzátorból álló csillapítót egy ellenállást (R1) és zenerdiódát (D1) tartalmazó áramkörrel helyettesíti. Amikor a fet kikapcsol, nyelőelektródájának feszültsége eléri azt a szintet, ahol a diódák vezetni kezdenek, hogy kisüssék a transzformátor szórt induktivitásában tárolt energiát. Az áram csökkenésének sebessége a transzformátor primer tekercsére átszámított kimeneti feszültség és a megfogódiódák vágási feszültségszintjének különbségétől függ. Vegyük észre, hogy a legjobb hatásfok érdekében – amint arra a sorozat 16. része is rámutatott – a szórt induktivitásban tárolt energiát olyan gyorsan ki kell sütni, ahogy csak lehetséges. Az alkatrészértékek megválasztásánál először is vegyük figyelembe a MOSFET megengedett maximális feszültségét. (Legyünk arra is tekintettel, hogy ezt az értéket a katalógus egy referencia-hőmérsékleten – pl. +25 °C-on – adja meg, tehát számítsuk át a teljes üzemi hőmérséklet-tartomány legkedvezőtlenebb – rendszerint maximális – értékére). Ezzel meghatározhatjuk azt a maximális feszültség-igénybevételt, amit a MOSFET-en megengedhetünk. Válasszuk meg a zener-feszültséget úgy, hogy haladja meg a kimeneti feszütségnek a primer körre visszaszámított értékét, és így ne vezessen tovább, ha a szórt induktivitásban tárolt energia már felemésztődött. Ezután méretezzük az ellenállásból és zenerdiódából álló áramkört úgy, hogy a feszültsége ne haladja meg a MOSFET megengedett maximális feszültségét a hálózati feszültség maximális értékénél és a maximális terhelőáramnál sem. Most határozzuk meg, mekkora lengést engedhetünk meg – az áramkör hatásfokát nem veszélyeztetve.

Fig2

 

2. ábra A nagyfeszültségű zener megfogódióda gyorsan kisüti a szórt induktivitásban tárolt energiát, és ezzel növeli a hatásfokot


A 2. ábrán az R1-ellenállás rövidre van zárva úgy, hogy egyedül a zenerdióda korlátozza a MOSFET feszültség-igénybevételét. Kikapcsoláskor a nyelőfeszültség ugrásszerűen megnövekszik, és a szórt induktivitás árama állandó feszültséggel csökken. Ez garantálja a leggyorsabb kisütést és a legjobb hatásfokot. Ha viszont a szórt induktivitás már kisült, a MOSFET nyelő-
elektródája lengeni kezd a primer körre visszaszámított kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség összege körül. Ez jó néhány problémát generál. Az első – magától értetődően – az elektromágneses zavar (EMI), mivel ez a 4 MHz-es lengés közös módusú áramot kelt a teljesítménytranszformátorban, és növeli a hálózati bemenet felé irányuló szűrés követelményeit. A második probléma a vezérlő integrált áramkör kiválasztásával kapcsolatos. Létezik jó néhány típus, amely feleslegessé teszi a kimeneti feszültség szekunder oldali mérését, megelégszik azzal, hogy a primeroldali előfeszültség-előállító tekercsnek a menetszámaránnyal áttranszformált feszültségét a kimeneti feszültség reprezentatív mintájaként használja. Az ilyen vezérlőáramkör-típusoknál a lengés a kimeneti feszültség pontatlan szabályozását eredményezi.
Ha a lengés problémát okoz, csökkentsük a zenerfeszültséget annyira, hogy közelítőleg a primer oldalra visszatranszformált kimeneti feszültség értékének feleljen meg, és kapcsoljunk sorba a nyelőelektródával egy ellenállást, hogy megnöveljük a nyelőelektróda csúcsfeszültségét. Az 1. ábrán látható áramkörben mérhető hullámformákat a 3. ábra mutatja. A sárga vonal a nyelőelektródán, a piros pedig a D3 és R1 közös pontján mérhető feszültségét ábrázolja. A két feszültség közötti különbség a szórt induktivitás áramával arányos. A nyelőelektróda feszültsége egy magas értékről indul, és a különbségi feszültséget, és – ezzel a szórt induktivitás áramát is – nullára csökkenti. Ezzel tehát, ha a dióda kikapcsol, kicsi lesz a különbség a nyelő-elektróda feszültsége és a bemeneti oldalra visszatranszformált kimeneti feszültség között; következésképpen kis lengéseket kapunk. Sajnos ezért az eredményért a hatásfok romlásával kell fizetni. Ebben az esetben ez a csökkenés kb. 2%. Amint azt a „Teljesítményelektronikai ötletek” sorozat 16. cikkében megmutattuk: minél tovább tart a szórt induktivitás kisütése, annál rosszabb a hatásfok. A 2. ábra áramköre a szórt induktivitást 70 ns, a 3. ábra szerinti változat viszont 160 ns idő alatt süti ki.

Fig3

 

3. ábra A soros ellenállás csökkenti az elektromágneses interferenciát (EMI)


Összegezve: az RCD-vágóáramkörök jelentik a legegyszerűbb módszert egy flyback-áramkör csillapítására. Ugyanakkor az RCD-csillapítással a kis terhelésnél mérhető veszteségek aránylag nagyobbak az állandó teljesítményfelvétel miatt. Ha a kis terhelésnél mérhető terhelés problémát jelent, érdemes megvizsgálni egy zenerdiódás csillapító áramkört, amely csak akkor disszipál veszteségi teljesítményt, amikor az elkerülhetetlen. Egy éles letörésű zenerdióda adja a legjobb hatásfokot, de ez egyben elfogadhatatlan lengéseket is kelthet. A legjobb kompromisszumot egy aránylag kisebb feszültségű zenerdióda és egy soros ellenállás adja.
Sorozatunk következő részében megvizsgálunk néhány „klasszikus” hibát, amit a tápegységek alkatrész-elrendezésében el lehet követni.


[1] Kollman, Robert: Teljesítményelektronikai ötletek – 16 Magyar Elektronika Szakfolyóirat, 2010.7-8. szám, p. 56.

 

Robert Kollman ‑ Texas Instruments

www.ti.com/power-ca

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

50. rész

51. rész

52. rész

53. rész

54. rész

55. rész

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.

 

 
 
 

 

   
Advertisement
--!>