magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 60 resz

Ebben a hónapban bemutatjuk, mit javasol Robert a feszültségnövelő átalakítók veszteségeinek „kordában tartására”.

 

 

 

 

 

 


Előfordult már, hogy alacsony bemeneti feszültségből magasabb kimenőfeszültséget kellett előállítania szigeteletlen tápegységgel? A probléma hagyományos megoldása a feszültségnövelő (boost) kapcsolás. Ennek tervezésekor azonban figyelemmel kell lenni a vezérlő integrált áramkör korlátozásaira. A tervezést meghatározó szempontok sokfélék lehetnek az ártól a NyÁK-területen át addig a szándékig, hogy a kapcsolási frekvenciát olyan magas értékre választhassunk, amennyire csak lehetséges. Ez utóbbinál viszont figyelemmel kell lenni arra, hogy a hatásfokra és a vezérlő áramkörre vonatkozó megfontolások korlátozzák, meddig mehetünk el a kapcsolási frekvencia megválasztásában.

1abra

1. ábra A nagy konverziós arányú feszültségnövelő kapcsolások nagy kitöltési tényezőknél kihívások elé állítják a vezérlő áramkört


Ahogy a feszültségcsökkentő feszültségátalakítóknál van egy minimális bekapcsolási idő, amely még jól kézben tartható, éppen úgy a feszültségnövelő kapcsolásoknál is van egy minimális kikapcsolási idő, amit még kontrollálni tudunk. Azok a feszültségnövelő áramkörök[1], amelyeknél a konverziós arány nagy értékű, problémát okozhat, ha ez utóbbi korlátozásába ütközünk. Tekintsük az 1. ábrán látható feszültségnövelő áramkört, amely folytonos vezetési üzemmódban működik. Ennek kitöltési tényezője

1egyenlet(1. egyenlet) .

Végezzünk el néhány helyettesítést, és oldjuk meg az így keletkezett egyenletet a minimális kontrollálható kikapcsolási időre (2. egyenlet).

2egyenlet

3egyenlet(2. egyenlet).


Vegyünk példának egy olyan átalakítót, amely 24 V-os bemeneti feszültségből 140 V-ot állít elő. Ehhez 83%-os kitöltési tényező és 17%-os kikapcsolási időarány szükséges. A példában felhasznált LM5122 feszültségnövelő átalakító vezérlő áramkör minimális, kézben tartható kikapcsolási ideje 750 ns, amihez a biztonság kedvéért adjunk még hozzá 250 ns-ot.

4egyenlet

 

 

 


A számítások után az adódik, hogy a kapcsolási frekvencia legfeljebb 170 kHz lehet.
A 2. ábra egy olyan feszültségnövelő egyenfeszültség-átalakító kapcsolási rajza, amely a 24 V-os bemeneti feszültségből 140 V-ot állít elő 2 A terhelhetőséggel. Ez az áramkör „átlapoltan” működik, ami azt jelenti, hogy két teljesítménykapcsoló-fokozatot tartalmaz, amelyek ellenfázisú jellel vannak vezérelve. A két fokozat közötti áramegyensúlyról a felső (master) vezérlő gondoskodik azáltal, hogy mindkét fokozat bemeneti áramát – az induktivitások áramát érzékelő ellenállásokon eső feszültség alapján – ez állítja be. A master vezérlő áramkör vezérli egyben mindkét fokozat órajelének fázisát és frekvenciáját éppúgy, mint a lágyindítási funkciót és a hibakezeléseket is.

2abra

2. ábra A feszültségnövelő átlapolt megoldása növeli a kimenőteljesítmény maximális értékét


A feszültségnövelő kapcsolások 180°-os fázistolású (ellenütemű) vezérlésének több előnye is van. 280 W kimenőteljesítménynél és 90° feletti hatásfoknál a teljesítményveszteség 18 W. A kétfázisú vezérlés lehetőséget ad arra, hogy pontosan szabályozzuk az áramokat, és ezzel a félvezetőkön és az induktivitásokon hővé alakuló veszteségi teljesítményt. Ezzel a hőveszteséget is „igazságosan” lehet elosztani a két teljesítményfokozat között, ami megkönnyíti a hűtőrendszer feladatát. Mivel a két fokozat fázisa 180°-kal tér el egymástól, ez lehetővé teszi, hogy kiegyenlítődjön az áram hullámossága mind a bemeneti, mind a kimeneti oldalon. Ezzel a kondenzátorokon folyó áram csúcs- és effektívértéke (RMS) is csökken. A két fokozat fáziseltérésének köszönhetően az áram hullámosságának frekvenciája a kétszerese az egyes fázisok kapcsolási frekvenciájának. Ezzel végeredményben megkétszereztük a tápegység kapcsolási frekvenciáját anélkül, hogy ez a hatásfokot rontaná.
A 3. ábra mutatja a tápegység hatásfokát a terhelőáram függvényében. A hatásfokgörbe három szakaszra osztható. A kisebb áramok tartományában a vezérlés saját vesztesége és a kapumeghajtók vesztesége határozza meg a hatásfokot. Az áram növekedésével ezek egyre kevésbé jelentenek számottevő részt a teljesítményveszteségben, és egyre nő a kapcsolási veszteségek szerepe. Még nagyobb áramoknál a hatásfok csökken, amit a fetek és az induktivitások ellenállásán hővé alakuló teljesítmény okoz. Kisebb ellenállású alkatrészeket választva a hatásfok maximális értéke jobb felé, a nagyobb áramok irányába tolható el.

3abra

3. ábra A 24 V-ról 140 V-ra növelő, 2 A terhelhetőségű átalakító hatásfoka a terhelő áram függvényében

Összegzés

A feszültségnövelő áramkörökkel elérhető konverziós arányt a vezérlő minimális kikapcsolási ideje és a kapcsolási frekvencia korlátozza. Ennek a korlátozásnak a figyelembevétele igen fontos, mert túllépése miatt impulzuskimaradás következhet be, amely növeli a kimeneti feszültség hullámosságát, és a kimeneti zaj spektrumában alacsonyabb frekvenciájú (nehezebben szűrhető) összetevők is megjelennek. Megfelelő áramköri megoldásokkal azonban igen magas konverziós arány is elérhető, mint azt a cikkben bemutatott, 6:1 konverziós arányú átalakító példáján is bemutattuk.

A sorozat következő cikkében bemutatjuk, hogyan lehet előállítani igen magas konverziós arányú feszültségnövelő átalakítókat.

További részleteket és más teljesítményelektronikai ötleteket itt talál az olvasó:
www.ti.com/power-ca

 


[1] Konverziós arány: a kimeneti és a bemeneti feszültség hányadosa – A szerk. megj.

 

Robert Kollman – Texas Instruments

www.ti.com/power-ca és www.ti.com/powerhouse-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

56. rész

57. rész

58. rész

59. 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.