Teljesítményelektronikai ötletek – 16

A sorozat előző folytatásában ötletet mutattunk be arra, hogyan lehet egyszerűen méretezni egy előreszabályozott feszültségátalakító tranzienseit csillapító áramkört. Ezúttal a szerző egy flyback-átalakító kapcsolófetjének kikapcsolásakor megjelenő tranziensek elnyomásához szükséges csillapító áramkör tervezésére mutat példát.

Flyback DC/DC-átalakító tranzienseinek csillapítása

Az 1. ábrán a flyback-konverter teljesítménykapcsoló-fokozata és a MOSFET-kapcsolón mérhető jelalak látható. Ez a konvertertípus úgy működik, hogy az energiát egy transzformátor primer tekercsének mágneses terében tárolja. Ez az energia akkor szabadul fel és kerül át a transzformátor szekunder körébe, amikor a MOSFET kikapcsol. Mivel a MOSFET kikapcsolásakor a transzformátor szórt induktivitása miatt a kapcsolótranzisztor nyelő (drain) elektródájának feszültsége meghaladja a reflektált kimeneti feszültséget (V_RESET), ennek korlátozására általában egy csillapító áramkörre van szükség. A szórt induktivitásban tárolt mágneses energia a MOSFET-kapcsoló lavinaletörését okozhatja, ezért egy feszültséghatároló (vágó) áramkörrel kell a teljesítménykapcsolót kiegészíteni, amely a D1, R24 és C6 elemekből áll. Ennek az áramkörnek a határolási feszültségét a szórt induktivitásban tárolt energia mennyiségének és az ellenálláson disszipálódó teljesítménynek a figyelembevételével kell megállapítani. Kisebb értékű ellenállásnál a vágási feszültség is kisebb, de növekszik az ellenállást melegítő teljesítményveszteség.

A 2. ábra a transzformátor primer és szekunder áramának hullámformáit mutatja. Bal oldalt látható a teljesítménykapcsolófokozat egyszerűsített rajza, miközben a MOSFET bekapcsolt állapotban van. A bemeneti áram lineárisan növekszik az L_S szórt és az L_K kölcsönös induktivitás soros eredőjén. A jobb oldali ábrán a kikapcsolt szakasz egyszerűsített képét mutatjuk be. Itt a feszültség iránya megfordul, a kimeneti és a feszültségvágó dióda nyitóirányú előfeszítést kap. A primer oldal felől látjuk a szekunder oldalról áttranszformált kimeneti kapacitást és a diódát is. A két induktivitás soros kapcsolásban van, rajtuk kezdetben ugyanaz az áram folyik, mint amikor a Q1-tranzisztor kikapcsolt. Ez azt jelenti, hogy a D2-diódán közvetlenül a kikapcsolást követő pillanatban nem folyik áram, a transzformátor teljes árama a D1-diódán folyik át. A szórt induktivitáson eső feszültség a V_CLAMP vágási- és a V_RESET resetfeszültség különbsége, és gyorsan csökken. Amint látható, viszonylag egyszerű számítással meg lehet határozni azt az energiát, amely a csillapító (snubber) áramkör felé terelődik. A számításból kiderül, hogy a csillapítóra terelt energia csökken, ha csökken az az idő, ami ahhoz kell, hogy a szórt induktivitásban tárolt energiát kiürítsük. Ezt azzal érhetjük el, hogy növekedni engedjük a vágási feszültséget.

2. ábra A szórt induktivitás ellopja a kimeneti energiát

Az érdekesség kedvéért kiszámíthatjuk a vágási feszültségnek és a csillapító áramkör teljesítményveszteségének optimumát. Amint a 2. ábrán látható, a vágó áramkörre jutó teljesítmény egyenlő a vágódióda átlagáramának és a vágási feszültségnek a szorzatával (feltéve, hogy az utóbbi állandó). A szorzótényezőket kissé átrendezve felismerhetjük az ½·f·L·I² szorzatot (f a frekvencia), amely a flyback konverter kimeneti teljesítménye. Az L induktivitás ez esetben a szórt induktivitás. A kifejezés annyiban kissé meglepő, hogy a teljesítményveszteség nem csak a szórt induktivitásban tárolt energiától függ, hanem a vágási feszültségtől függő mértékben mindig több ennél. A 3. ábra mutatja a kapcsolatot. A diagram a szórt induktivitás energiaveszteségére normalizált veszteséget mutatja a vágási és a reset feszültség arányának függvényében. Nagy értékű vágási feszültségnél a csillapító áramkörön veszteségként felemésztődő energia a szórt induktivitás energiájához tart. Ha a vágási feszültséget csökkentjük az ellenállásérték csökkentésével, az energia a kimenetről a csillapító áramkör felé terelődik, amelynek a vesztesége ilyenkor jelentősen megnövekszik. Ha a vágási és a reset feszültség V_CLAMP/ V_RESET aránya 1,5, a csillapító áramkört a szórt induktivitás energiájának nyolcszorosa terheli.

A szórt induktivitás értéke rendszerint a primer induktivitásnak nagyságrendileg 1%-a. Ez teszi még érdekesebbé a 3. ábrát, amely azt jelzi számunkra, hogy a vágási feszültség csökkentésével növelhetjük a hatásfokot. Ebben az értelemben a függőleges tengely a hatásfokot csökkentő veszteséget is mutatja. Eszerint a vágási feszültség arányának 2-ről 1,5-re csökkentése a hatásfok 1%-os javulását eredményezi.

3. ábra A vágási feszültség növelésével csökken a csillapító áramkör vesztesége

Összegezve: egy flyback konverter szórt induktivitása elfogadhatatlanul nagy feszültség-túlterhelést okozhat a teljesítménykapcsolón. Ezt a túlfeszültséget egy RCD-csillapító áramkörrel csökkenthetjük, amely azonban az áramkör teljes teljesítményveszteségét növeli. „Alkut” kell tehát kötnünk a vágási feszültség és a teljesítményveszteség között.

A következő számunkban egy feszültségosztó pontosságát vizsgáljuk meg.

www.power.ti.com

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

A cikksorozat korábbi részei: