Teljesítményelektronikai ötletek – 26

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:

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

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 tápegységeknél

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.