Teljesítményelektronikai ötletek – 31

Robert teljesítményelektronikai sorozatának soron következő témája a kapcsolóüzemű tápegységek közkedvelt SEPIC-topológiájának néhány fontos, bár „első látásra” nem nyilván­-való tulajdonsága.

Figyeljünk az áramokra a SEPIC csatolt tekercseiben – 1. rész

Ebben a részben a SEPIC^[1]-topológiához szükséges csatolt tekercsek szórt induktivitására vonatkozó követelményeket vizsgáljuk. A SEPIC nagyon hasznos megoldás, ha a be- és kimenet között nem szükséges galvanikus leválasztást megvalósítani, és a kime­neti feszültség nagyobb és kisebb is lehet a bemenetnél. Célszerűen használható olyan alkalmazásokban is, amikor rövidzárvédett feszültségnövelő kapcsolásra van szükségünk. A SEPIC-átalakítók előnyei közé tartozik még, hogy egyetlen kapcsolóelemmel megvalósíthatók, és a bemeneti áramuk folytonos, amelynek következtében alacsony az elektromágneses zavarsugárzásuk (EMI). Az 1. ábrán látható topológiához vagy két független induktív elemre, vagy – mivel a tekercseken hasonló a feszültség időfüggvénye – az ábrán is látható módon két, egymással csatolásban levő induktivitásra van szükség. A csatolt tekercsek használata azért vonzó ötlet, mert helyigénye és ára kisebb, mint két független tekercsé. Az alkalmazás hátulütője viszont, hogy a készen kapható csatolt tekercsek nem mindig jelentenek optimális megoldást a lehetséges alkalmazások teljes tartományában. Az áramkör áram- és feszültség-jelalakjai hasonlítanak a folytonos áramüzemmódú flyback konverteréhez. Amikor a Q1 tranzisztor vezet, a bemeneti feszültséget rákapcsolja a csatolt tekercspár primer tekercsére, és a felvett energiát a mágneses tér tárolja. A Q1 kikapcsolásakor az induktivitáson levő feszültség előjelet vált, nagyságát pedig a kimeneti feszültség határolja. A C_AC-kondenzátor az az elem, amely megkülönbözteti a SEPIC-áramkört a flybacktől: amikor a Q1 vezet, a szekunder tekercs árama ezen át folyik a föld felé. Amikor a Q1 ki van kapcsolva, a C_AC-kondenzátoron a primer tekercs árama folyik át, és hozzáadódik a D1-en folyó kimeneti áramhoz. E topológia nagy előnye a flybackkel szemben, hogy mind a fet, mind a dióda feszültségét határolja a C_AC-kondenzátor feszültsége, ezért az áramkör lengő tranziensei nagyon kicsik vagy elhanyagolhatóak. Ennek a következménye, hogy alacsonyabb határfeszültségű, jobb hatásfokú teljesítmény-félvezetőket alkalmazhatunk.

1. ábra A SEPIC-konverter egyetlen kapcsolóval is képes a bemeneti feszültségnél nagyobb és kisebb feszültséget is előállítani

    Mivel a topológia hasonlít a flybackhez, sokan úgy gondolják, hogy szorosan csatolt tekercsekkel érhető el a legjobb eredmény. Ám nem ez a helyzet. A 2. ábrán láthatjuk a folytonos üzemű SEPIC-átalakító két állapotának helyettesítő képét, amelyen a transzformátort a szórt induktivitásával (LL), a mágneses energiatároló induktivitásával (LM) és egy ideális transzformátorral (T) modelleztük. Látható, hogy a szórt induktivitás feszültsége azonos a C_AC-kapacitáséval. Ezért, ha nagy váltakozó feszültséget használunk kis értékű C_AC-kondenzátornál vagy kis értékű szórt induktivitásnál, az nagy áramot eredményez. A nagy áram pedig csökkenti a konverter hatásfokát és növeli az elektromágneses zavarsugárzását.

2. ábra A SEPIC-konverter helyettesítő képe bekapcsolt (a) és kikapcsolt (b) teljesítménykapcsoló MOSFET esetén. A szórt induktivitás váltakozó feszültsége azonos a csatolókondenzátoréval. (Az egyenáramú helyettesítőkép-elemeket nem ábrázoltuk.)

A nemkívánatos hatások csökkentésének egyik módja a csatolókondenzátor (C_AC) értékének növelése, amely viszont növeli a méretet és az árat, továbbá rontja a megbízhatóságot. Okosabb megközelítésnek tűnik a szórt induktivitás növelése (a két tekercs közötti csatolás „lazítása” – a szerk megj.), amelyet egyedi, e célra optimalizált tekercs gyártásával érhetünk el.
    Érdekes módon ezt a tényt csupán néhány induktívalkatrész-gyártó ismerte fel – többségük a SEPIC-kapcsolásokhoz is alacsony, szórt induktivitású, szorosan csatolt tekercseket ajánl. Ellenpélda a Coilcraft induktívelem-gyártó, amelynek MSD1260 típusjelű, 47 μH induktivitású, csatolt tekercsének 0,5 μH a szórt induktivitása. A cég később választékba vette az előbbi típus 10 μH szórt induktivitású változatát. Ezzel a típussal építjük fel a cikksorozatnak a Magyar Elektronika 2014/3. számában következő folytatásában a példának szánt áramkört.

REFERENCIA

Betten, John; „SEPIC Converter Benefits from Leakage Inductance”, PowerPulse.net, http://www.powerpulse.net/techPaper.php?paperID=153

Coilcraft katalógus, MSD1260 adatlap (ebben a nagyobb szórt induktivitású alkatrészek irányú igényekkel foglalkozó kontaktszemély elérhetősége is megtalálható). http://www.coilcraft.com/forms/question.cfm

www.ti.com/power-ca