Teljesítményelektronikai ötletek – 13

Egyetlen alkatrész jelenléte vagy hiánya alapvetően megváltoztathatja az áramkör működését. Ezúttal nem arra gondolunk, hogy „működik vagy nem működik”, hiszen a flyback- és a SEPIC-átakakító egyaránt működik, ám egyetlen kondenzátor lényeges minőségi különbségek okozója lehet.

A SEPIC-konverter mint jó hatásfokú előfeszültség-tápforrás

Próbált már az olvasó egy egytekercses primer körű induktivitással felépített (Single Ended Primary Inductor – SEPIC) kapcsolóüzemű feszültségátalakítót előfeszültség-tápegységként használni? Ha nincs szükség szigetelt kialakításra, ez értelmes megoldásnak tűnik. A SEPIC-feszültségátalakítóknak van néhány előnye, amely vonzóbbá teszi azokat a nem szigetelt flyback-konvertereknél. A MOSFET és a kimeneti egyenirányító túllövését és lengését könnyebb ellenőrzés alatt tartani, amely segít abban, hogy csökkentsük az elektromágneses zavart (Elec­tromagnetic Interference – EMI) és az alkatrészek feszültség-igénybevételét. Ennek következtében sok esetben használhatunk alacsonyabb feszültségtűrésű alkatrészeket, amelyek kevesebbe kerülnek és jobb hatásfokkal működtethetők. Ezenkívül a több­kimenetű SEPIC-átalakítók kimeneti szabályozása összefügg, ezért gyakran feleslegessé válhatnak a kimeneti feszültségek pontos értékét beállító, lineáris feszültségszabályozók.

Az 1. ábrán egy SEPIC-konverter kapcsolási vázlata látható, amely – a flyback-topológiához hasonlóan – minimális számú alkatrészből felépíthető. Látható, hogy ez az áramkör „majdnem egy fly­back”, hiszen a C1 kondenzátor eltávolításával valóban a flyback-topológia áll elő. Ennek a kondenzátornak az a szerepe, hogy „megfogja” a feszültséget azon a félvezetőn, ahova az előfeszültség kapcsolódik. Ha a MOSFET bekapcsolt állapotban van, a D1-re kapcsolódó, záró irányú feszültséget a kondenzátor rögzíti a MOSFET-en. Ha a tápfeszültség-kapcsolót kikapcsoljuk, a MOSFET nyelő (drain) elektródáján addig emelkedik a feszültség, amíg a D1 ki nem nyit. A kikapcsolás tartama alatt a MOSFET drain-feszültségét a C1 kondenzátor fogja meg a D1-en és C2-n keresztül.

Egy többkimenetű SEPIC-átalakító korlátozza a transzformátor áttételét. A szekunder tekercsek egyikének 1:1 arányban kell állnia a primer tekerccsel, és a C1-et ehhez kell csatlakoztatni. Az 1. ábrán látható minta áramkörben a 12 V-os tekercsnek van a primer tekerccsel azonos menetszáma, de az 5 V-os tekercset is választhatnánk ugyanerre a célra.

Az 1. ábrán bemutatott áramkört megépítettük és teszteltük. A C1 kondenzátor behelyezésével működőképes volt SEPIC-ként, de annak eltávolításával flyback-konverterként is használhatónak bizonyult. A 2. ábra mutatja a MOSFET feszültség-igénybevételét mindkét üzemmódban. Flyback-üzemmódban a MOSFET drain-feszültsége közel 40 V-ot ért el, míg ugyanez a feszültség SEPIC-üzemmódban csupán 25 V-ig növekedett. Ezért a flyback-áramkörbe 40 vagy 60 V-os MOSFET-et kell beépíteni, míg a SEPIC-üzemmódban elegendő 30 V-os típust választani. Ráadásul a nagyfrekvenciás (>5 MHz) lengés problémát okozhat az EMI-szűrés kialakításánál. A két kimenet közötti szabályozási összefüggés is lényegesen szorosabb a SEPIC-áramkör esetén. Mindkét áramkörnél az 5 V-os kimenetet 5,05 V-on tartottuk, a terhelést zérus és a teljes terhelés között változtattuk, a bemenet pedig 12 vagy 24 V volt. Ekkor a 12 V-os kimenet a SEPIC-áramkörnél belül maradt a 10%-os szabályozási tartományon, a flyback esetében viszont 12 V-ról 30 V-ra növekedett (legnagyobb bemeneti feszültségnél, terheletlen 12 V-os kimenetnél és teljes terhelésű 5 V-os kimenetnél mérve). A két áramkör hatásfoka azonosnak adódott, de mégis érdemesebb a SEPIC-et használni, ha az alkatrészeket az alacsonyabb feszültségterhelésnek megfelelően választjuk.

1. ábra Többkimenetű SEPIC-feszültségátalakító

2. ábra A SEPIC-el jelentősen kisebb az elektromágneses zavar és a félvezető feszültség-igénybevétele (fent: flyback – C1 nélkül, lent: SEPIC – C1 beépítésével) 

Összegzés

A SEPIC igen kedvező tulajdonságokkal rendelkező topológia a nem szigetelt kivitelű, kapcsolóüzemű feszültségátalakító alkalmazásokhoz. A bemeneti és kimeneti feszültség összegének megfelelő szinten korlátozza a MOSFET feszültség-igénybevételét és kiküszöböli a flyback-kapcsolásra jellemző elektromágneses zavarokat (EMI). A csökkentett feszültség-igénybevétel miatt a tervező alacsonyabb határfeszültségű alkatrészeket választhat, amelynek anyagköltsége kisebb, és nagyobb hatásfokú működést eredményez. A kisebb EMI egyszerűsíti a végtermék megfelelőségi vizsgálatait. Végül pedig, ha többkimenetű kivitelben valósítjuk meg, a kimeneti feszültségek szorosabb összefüggése miatt a SEPIC a flyback-nál pontosabban szabályozza a kimeneteket.

A következő folytatásban egy egyszerű és költséghatékony ledmeghajtó felépítését és tulajdonságait tanulmányozzuk.

Forrás: John Betten – Robert Kollman: No need to fear: SEPIC outperforms the flyback, Power Management DesignLine, January 25, 2006.

www.power.ti.com

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

A cikksorozat korábbi részei: