magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 26 resz

Robert sorozatának most következő folytatása a nagyáramú tápegységek egyik kézenfekvő megoldására, a tápegységek párhuzamos kapcsolására mutat egyszerű és hatékony módszert.

.

 

 

 

Tápegységek párhuzamos kapcsolása feszültségeséses módszerrel

 

Sorozatunk jelen folytatásában egyszerű módszert mutatunk be a tápegységek párhuzamos kapcsolására. Néhány fontos követelményünk ezzel kapcsolatban:

  • az alkalmazott áramkör ne jelentsen járulékos hibaforrásokat,

  • az előző pontból következően ne legyen vezető–alárendelt (master–slave) szereposztás a párhuzamosan kapcsolt tápegységek között,

  • minimális többlethuzalozást igényeljen,

  • ne hasson kedvezőtlenül a hatásfokra,

  • jó feszültségszabályozást tegyen lehetővé, és végül

  • tartsa meg a gyors terhelésváltozásokra való gyors reagálás képességét.

A feszültségeséses[1] (droop) módszer egyszerű eszközökkel teszi lehetővé, hogy a fenti követelmények nagyobb részének eleget tehessünk. A módszer működése azon alapul, hogy a tápegység kimeneti feszültsége csökken a növekvő terhelőárammal. Amint az 1. ábrán is látható, a párhuzamosan kapcsolt tápegységek – a kimeneti feszültség–terhelőáram karakterisztikájuk miatt – hajlamosak arra, hogy kimeneti áramaik egyenlő értékre álljanak be. Az ábra három tápegység kimeneti feszültségét tünteti fel a terhelőáram függvényében. Az alkatrész-toleranciák következtében a három tápegység kimenőfeszültség–terhelőáram karakterisztikája kismértékben eltér. Egy adott terhelőáramnál a vízszintes vonal jelzi a három párhuzamosan kapcsolt tápegység közös kimenőfeszültségét. Karakterisztikáiknak a közös kimenőfeszültség vonalával alkotott metszetei mutatják az egyes tápegységek kimeneti áramait a névleges áramterhelésre vonatkoztatott relatív értékben.
A módszer magától értetődően csökkenti az egész rendszerre vonatkoztatott feszültségszabályozás minőségét.
Létezik egy kompromisszum arra nézve, hogy mennyire jó az árammegosztás, illetve a feszültségszabályozás mértéke. Az első lépés ennek megtalálásához az, hogy meg kell határoznunk a tápegységek toleranciáit, azaz azt az értéket, hogy milyen messze esik a legrosszabb esetre vonatkozó kalkuláció a névlegestől[2]. Ennek fontos összetevői a referenciafesztültség hőmérsékletfüggése és a feszültségosztó toleranciája [1]. Ez egyfelől  hatást gyakorol annak pontosságára,  hogy mennyire jól tudjuk megközelíteni a kimeneti feszültség beálllításával a névleges értéket, másfelől viszont nem befolyásolja az árameloszlást a tápegységek között.  Ezért aztán kiválaszthatja bármelyik tápegység görbéjét vagy a névlegestől való megengedett eltérés nagyságát, a többi ennek alapján számítható. Feltéve, hogy a kimeneti feszültségnek a terheléstől való függése nagyjából állandó, az összefüggést nagyon egyszerű képlet írja le:

 

egyszerű képlet


ahol:

  • FBP az egyes tápegységek kimeneti feszültségének beállítási pontossága a névleges értékhez viszonyítva, százalékban

  • FE     a kimeneti feszültség esése a terheletlen állapottól a maximális terhelésig, százalékban

  • TM terhelési maximum, azaz annak kifejezése, hány százalékig van maximálisan terhelve a tápegység

A számítást elvégezve láthatóvá válik e módszer gyenge pontja: extrém nagy pontosságot igényel a kimeneti feszültség beállításánál, ugyanakkor jelentős feszültségcsökkenésnek kell teljesülnie a terhelés hatására ahhoz, hogy megfelelő árameloszlás jöhessen létre. Például, ahogy az 1. ábrán is látható, 3,5% feszültségbeállítási tolerancia és 20%-os feszültségesés kell ahhoz, hogy 35%-on belül legyen az eltérés a tápegységek áramai között. Ekkora feszültségesés elfogadható a nagyfeszültségű rendszerekben, de a kisfeszültségű tápegységekben semmiképpen sem.

 

1.ábra A párhuzamosan kapcsolt tápegységek terhelés hatására csökkenő kimenőfeszültsége lehetővé teszi a terhelőáram megosztását

1.ábra A párhuzamosan kapcsolt tápegységek terhelés hatására csökkenő kimenőfeszültsége lehetővé teszi a terhelőáram megosztását


Az első gondolatunk az lehet, hogy a megfelelő mértékű feszültségesést a kimenetekkel sorosan kapcsolt, nagy értékű ellenállásokkal növeljük meg a szükséges értékre. Ez viszont csak addig tűnik jó ötletnek, amíg a kimeneti feszültség toleranciáját és a beiktatott soros ellenállásokon keletkező veszteséget nem vesszük figyelembe. Az előző példánkban a kimeneti teljesítmény 20%-át veszítenénk el az ellenállások miatt – ezt az ötletet tehát elvethetjük. A következő gondolat az lehetne, hogy mérjük a tápegységek kimeneti áramait, erősítsük fel az így keletkezett jelet, és használjuk arra, hogy a szükséges mértékben megváltoztassuk vele a kimeneti feszültséget beállító áramkört. Ez az ötlet működik is, ha feszültség-üzemmódú tápegységeket használunk, de áramüzem­módban még ennél is sokkal egyszerűbb megoldás adódik. A szabályozóhurok DC-erősítésének korlátozásával egy „virtuális ellenállást” hozunk létre. A függelék bemutatja azt az egyszerű számítást, amely a 2. ábrán látható rendszer kimeneti impedanciáját határozza meg. Az eredmény: a rendszer kimeneti impedanciája a kompenzálóhálózat és a teljesítményfokozat erősítése szorzatának negatív reciproka.

2.ábra A párhuzamos kapcsoláshoz szükséges feszültségesés  könnyen megvalósítható áram üzemmódú szabályozással ren­delkező tápegységeknel

2.ábra A párhuzamos kapcsoláshoz szükséges feszültségesés könnyen megvalósítható áram üzemmódú szabályozással ren­delkező tápegységeknél

 

Függelék: A kimeneti feszültségesés  levezetése áram-üzemmódban  (lásd. 2. ábra)

Függelék: A kimeneti feszültségesés levezetése áram-üzemmódban (lásd. 2. ábra)


A legtöbb tápegység kompenzálóhálózata tartalmaz egy integrátort, amely miatt annak DC-erősítése nagyon nagy értékű. Ha ezt a DC-erősítést egy jól meghatározott értékre korlátozzuk, a kívánt feszültségesés értéke megvalósítható. Ezt rendkívül egyszerű kivitelezni: csak egy ellenállást kell a hibaerősítő be- és kimenete közé kapcsolni.

Következő folytatásunkban a tápegységek üzem közbeni cseréjét, vezérlő áramkörök működését vizsgáljuk.

 

Hivatkozás

 

Kollman, R.: Teljesítményelektronikai ötletek – 17. A feszültségszabályozó kimenőfeszültsége pontosabb, mint gondolhatnánk. Magyar Elektronika 2012/9. 64. oldal.

 
 


[1]

Az eredeti szöveg a „droop” kifejezést alkalmazza, amely arra utal, hogy a terhelés növekedésével csökken a tápegység kimeneti feszültsége (pozitív a kimeneti ellenállása). A „droop” szó szakszerű magyar fordítására nem találtam irodalmi példát, a „feszültségesés” szóval fordítottam, tekintettel arra, hogy a mértéke pontosan egyenlő a tápegység kimenetének Thėvenin-helyettesítőképében található soros generátor-ellenálláson a terhelőáram hatására eső feszültséggel. A „droop” szó jelentése a szöveg további részéből egyébként világosan kiderül. – A ford. megj.


[2]

A szerző nem jelenti ki nyíltan, hogy a párhuzamosan kapcsolt tápegységek azonos műszaki felépítésűek. Ez elvileg nem is feltétele a további megfontolások értelmezésének, de egyszerűbb „beleélni magunkat” egy olyan szituációba, ha három egyforma tápegységet és ezek között bizonyos alkatrész eredetű szórást tételezünk fel. – A szerk. megj.
 
 
 
 

 

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

 

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.