Teljesítményelektronikai ötletek – 20

Ritka az az áramkörtervező, aki elmondhatja magáról, hogy mindig és minden olyan alkatrész sorsát is „szívén viseli”, ami nem tartozik szorosan a lényegi működést leíró „mainstream”-hez. Pedig ezeknek a „mellékes” elemeknek a túlterhelődése is ugyanolyan következményekkel járó meghibásodáshoz vezethet, mint bármely más, „fontos” alkatrészé. Erre hívja fel a figyelmet Robert e havi cikke.

Nézz csak oda, micsoda váltóáram folyik azon a kondenzátoron!

A tápegységek alkatrészeit érő igénybevételek közt az egyik leggyakrabban figyelmen kívül hagyott jellemző a bemeneti kondenzátoron folyó áram effektív- (RMS) -értéke. Ha ennek természetét nem értékeljük helyesen, a túl nagy áramérték a kondenzátor túlmelegedésére és idő előtti meghibásodására vezethet. A feszültségcsökkentő (buck) DC-DC átalakítókban az RMS-áram egyszerűen számítható a kimeneti áramból (I_out) és a szabályozó kapcsolójának kitöltési tényezőjéből (D), az alábbi kifejezés szerint:

Az 1. ábra e kifejezés diagramját mutatja. Ez egy kör, amelynek maximuma 0,5 az 50%-os kitöltési tényezőnél, és amelynek két nullátmenete van, a kitöltési tényező 0% és 100% értékeinél. A görbe szimmetrikus az 50%-os kitöltési tényezőhöz képest. 20 és 80% között az effektív áram nagyobb a kimeneti áram 80%-ánál. Az ebben a tartományban valószínűsíthető kitöltésitényező-ér­tékekkel számolva az effektív áram értéke a kimeneti áram maximális értékének nagyjából a fele. Ezen a tartományon kívül pedig el kell végezni a számítást a fenti képlet szerint.

1.ábra A feszültségcsökkentő konverter bemeneti kondenzátorán folyó áram effektív értéke a kimeneti áramérték teljes tartományának felénél „tetőzik”

A gyártók az elmúlt néhány év folyamán jelentős javulást értek el a kerámiakondenzátorok térfogati hatékonysága és ára terén. Ennek következtében a kerámiakondenzátorokat most előnyben részesítik a tápegységek teljesítményfokozatainak „hidegítése”, váltakozó áramú söntölése esetén. Ugyanakkor az ilyen kondenzátorok alacsony ekvivalens soros ellenállása (Equivalent Series Resistance – ESR) sok kellemetlenséget okozhat, például az elektromágneses zavarszűrő (EMI-szűrő) rezgései és váratlan feszültségcsúcsai formájában (ezzel alaposabban foglalkoztunk az előző számban megjelent cikkünkben). Ezeket a károsan nagy Q jósági tényezőjű, rezgésre hajlamos áramköröket gyakran sikeresen lehet csillapítani egy párhuzamosan kapcsolt elektrolitkondenzátor nagyobb veszteségével^[1]. Nem szabad azonban figyelmen kívül hagyni, hogy az ilyen megoldásokban a tápegység terhelőáramának váltakozó áramú komponense nagyrészt az elektrolitkondenzátorban alakul hővé.

A 2. ábra egy 100 kHz-es kapcsolóüzemű tápegység áramát mutatja példaként olyan körülmények között, amikor a bemeneti kapacitást egy 10 μF-os kerámiakondenzátor és egy olyan elektrolitkondenzátor alkotja, amelynek ekvivalens soros ellenállása 0,15 Ω. Az elektrolitkondenzátor kapacitásáról elegendő azt feltételeznünk, hogy sokkal nagyobb a kerámiakondenzátorénál. Ebben az esetben az effektív áram kb. 70 %-a az elektro­litkondenzátoron át folyik. Ha ezt az áramértéket csökkenteni akarjuk, három dolgot tehetünk: megnövelhetjük a kerámiakondenzátor kapacitását, a kapcsolási frekvenciát vagy az ESR-t. A görbe a kondenzátor áramának Fourier-sorfejtéséből származik, amelynek során kiszámítottuk az elektrolitkondenzátor áramát minden harmonikus frekvencián (egészen a 10. harmonikusig), és a harmonikusok effektív értékének egyesítésével kiszámítottuk az elektrolitkondenzátor teljes effektív áramát. Ne feledjük, hogy a kerámiakondenzátor áramának fázisa 90 fokkal eltér az ESR-en folyó áramétól, ezért ezeket vektorokként kezelve kell össze­gezni. Ha nem kívánja az időt a számítások megismétlésére vesztegetni, könnyen szimulálhatja ezt az áramkört egy áramgenerátorból és három passzív elemből álló helyettesítőképpel.

2.ábra Az eletrolitkondenzátor áramának alakulása különféle kondenzátortípusok esetén

Összegzés

A bemeneti kapacitáson folyó effektív áramot úgy tekinthetjük, mint a kondenzátor megbízhatóságát csökkentő túlterhelés lehetséges forrását. Ezért különös gondot kell fordítani azokra az esetekre, amelyekben különböző típusú kondenzátorokat kombinálunk. Például a kerámiakondenzátorok  rendszerint elég nagy váltakozó feszültségű komponenst engednek meg ahhoz, hogy a velük párhuzamosan kapcsolt elektrolitkondenzátoron áramtúlterhelés keletkezzen. Ennek elkerülésére a következők valamelyikét (esetleg közülük többet is) tehetjük: növelhetjük a kapcsolási frekvenciát, a kerámiakondenzátor kapacitását, az elektrolitkondenzátor ekvivalens soros ellenállását, vagy választhatunk olyan elektrolitkondenzátor-típust is, amelynek nagyobb a megengedett RMS-árama.

Tartsanak velünk a következő számunkban is, ahol egy DC/DC-konverter visszacsatoló huroktulajdonságait vizsgáljuk.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: