magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 12 resz

Robert Kollman cikksorozatában ezúttal az egyik korábbi folytatásban ismertetett módszert, a Taylor-sorfejtést alkalmazza ismét egy tápegység hatásfokának maximalizálása érdekében.

.

 

 

 

 

Tápegység hatásfokának a terhelőáramtól függő maximalizálása

 

A sorozat 10. részében (2011/12. lapszám) azt tárgyaltuk, hogyan lehet a Taylor-sorfejtés módszerét alkalmazni arra, hogy egy tápegység különféle eredetű veszteségeit elkülönítetten kezeljük. Ez segített hozzá, hogy az egyes veszteségforrásokat lehetőség szerint alacsony értéken tarthassuk. A jelen cikkben azt vizsgáljuk meg, hogyan használhatjuk fel ugyanezt a módszert arra, hogy egy tápegység hatásfokát adott terhelőáramnál a lehető legjobban megnöveljük.

A 10. folytatásban azt használtuk fel, hogy a teljesítményveszteség (Pveszt) a kimeneti terhelőáram (it) függvényében az alábbiak szerint fejezhető ki:

 

texas_powertips_12_me_2012_3_keplet_1

 

A következő lépésben helyettesítsük be ezt az egyszerű kifejezést a hatásfok képletébe, ahol uki a kimeneti feszültség:

 

texas_powertips_12_me_2012_3_keplet_2

 

Ezek után a hatásfok maximumát szélsőérték számítással lehet megkeresni a kimeneti áram függvényében. A részletek kidolgozását az olvasóra bízzuk. Az optimalizálás érdekes eredményt ad. Akkor maximális a hatásfok, ha a terhelőáram egyenlő az alábbi kifejezéssel:

 

texas_powertips_12_me_2012_3_keplet_3

 

Az első dolog, amit észrevehetünk, az a tény, hogy az a1 együttható nem befolyásolja azt, hogy mekkora áramnál adódik a maximális hatásfok. Ennek az az oka, hogy az a1 együttható azokat a veszteségeket fejezi ki, amelyek arányosak a kimeneti árammal (mint például a diódák nyitóirányú előfeszítésekor a pn-átmeneten keletkező veszteség). A kimeneti áram növekedésével a veszteségeknek ez a típusa és a kimeneti teljesítmény is arányosan növekszik, következésképpen ezek nem befolyásolják a hatásfokot. Másodszor, megfigyelhetjük, hogy a maximális hatásfok abban a pontban adódik, ahol a kimeneti áramtól független, valamint az áramvezetésből adódó veszteségek egyenlők. Ebből az következik, hogy lehetséges a hatásfokot optimalizálni, mert a tervezőnek lehetősége van azokat az alkatrészértékeket megválasztani, amelyek a0 és a2 értékét befolyásolják. Ezután már csak arra kell törekedni, hogy az a1 értéke minimális legyen. Mivel azonban az a1 együttható egyenlő bármilyen terhelőáram esetén a másik két együtthatóval ellentétben, nem lehet optimálisan megválasztani. Az a1 együtthatót úgy kell minimalizálni, hogy annak költségeit is figyelembe vegyük.

Az 1. táblázatban láthatók a tápegység veszteségeinek különböző összetevői és a hozzájuk kapcsolódó veszteségi együtthatók. Ez ötletet ad azokhoz a kompromisszumokhoz, amelyeket a tápegység hatásfokának maximalizálásánál figyelembe kell vennünk. Például a teljesítménykapcsoló MOSFET bekapcsolási ellenállása hatással van a kapuelektróda meghajtási követelményeire és a kimeneti kapacitásból adódó veszteségekre – ám potenciálisan a feszültségváltozás sebességét korlátozó csillapító- (snubber-) áramkör veszteségére is. Az alacsonyabb bekapcsolási ellenálláshoz a kapumeghajtó jel amplitúdójának növelésére van szükség, és ezzel együtt növekszenek a kimeneti kapacitás és
a csillapító áramkör veszteségei is. Ezeket a tényezőket is lényeges tehát figyelembe venni a kapcsoló MOSFET típusának megválasztásakor. A lehetséges optimalizálási szempontokra az 1. táblázat hívja fel a figyelmet.

 

texas_powertips_12_me_2012_3_tablazat

1. táblázat A veszteségi együtthatók és a megfelelő veszteségi teljesítmények

 

Még egy kis algebra: helyettesítsük vissza az optimális terhelőáramot a hatásfok képletébe, és fejezzük ki belőle a maximális hatásfokot, amely a következő:

 

texas_powertips_12_me_2012_3_keplet_4

 

A maximális hatásfok érdekében a nevező két utolsó tagját kell minimalizálni. Az a1 taggal egyszerű a dolgunk: minimalizálni kell. Az utolsó tag azonban lehetőséget ad arra, hogy optimalizáljunk. Ha feltételezzük, hogy a MOSFET kimeneti kapacitásának áttöltéséből adódó teljesítményveszteség és a kapuelektródáját meghajtó teljesítmény egyenesen, a bekapcsolási ellenállás pedig fordítottan arányos a csipfelülettel, találhatunk olyan csipfelületű kapcsoló MOSFET-et, amely optimális hatásfokot eredményez. Az 1. ábra mutatja a csipfelület optimalizálásának eredményét. Kis felületű MOSFET-eknél a hatásfok korlá­tozásá­ban a bekapcsolási ellenállás értéke a döntő. Növekvő csipfelület­nél a kapumeghajtásból és a kimeneti kapacitás áttöltődéséből adódó teljesítményveszteség eléri azt a pontot, ahol már jobban rontja a hatásfokot, mint a csa­tornaellenállás. A teljesítményveszteség elég széles tartományban közel minimális, amely bizonyos „mozgási szabadságot” enged a tervezőnek a MOSFET megválasztásában, hogy a hatásfok opti­malizálásán kívül a végtermék árára is tekintettel lehessen. A minimális veszteség annál a csipfelületnél adódik, ahol a meghajtás és a csatorna­ellenállás veszteségei egyenlők.

 

texas_powertips_12_me_2012_3_abra_1

1. ábra A MOSFET csipfelületének megválasztásával minimalizálható a teljes terhelésnél jelentkező teljesítményveszteség

 

A 2. ábra három lehetséges tervezési változat hatásfokának optimum környéki viselkedését mutatja. Háromféle csipfelület hatását hasonlítottuk össze. A nagyobb csipfelületű MOSFET-tel a nagyobb meghajtóteljesítmény miatt kis terhelésnél romlik a hatásfok, míg a kisebb csipfelületű kapcsolóeszköz hatásfoka nagy terhelésnél csökken le a nagyobb vezetési veszteség miatt. Fontos megjegyezni, hogy a görbék háromszoros csipfelület- és ártartományt fednek le. Az egységnyi normalizált csipfelület alig kisebb hatásfokú teljes terhelésnél, mint a nagyobb felületű MOSFET-tel megvalósított változatok, de magasabb a hatásfoka az olyan kis terhelésnél, amilyen esetleg a kész áramkör használatánál aránylag gyakrabban fordul elő.

 

texas_powertips_12_me_2012_3_abra_2

2. ábra A legnagyobb hatásfok a névleges legnagyobb terhelőáramnál kisebb terhelésnél adódik

 

A következő folytatásban azt vizsgáljuk meg, mi korlátozza az induktív alkatrészek méretcsökkentését a növekvő kapcsolási frekvenciák esetén.

 

www.power.ti.com

http://www.ti.com/ww/hu/cikkek-szakirodalom.html

 

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

 

 

 

 

 

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
--!>