Teljesítményelektronikai ötletek – 32

Robert – sorozatának előző részében – megál­lapította, hogy a SEPIC-topológiájú DC/DC-konverter csatolt tekercsénél nem a – felületes szemlélő számára optimálisnak tűnő – szoros csatolás a legkedvezőbb. A mostani cikk az előző havi cikkünk fejtegetését folytatva egy szorosan és egy lazán csatolt tekerccsel meg­va­lósított kapcsolás összehasonlítását mutatja be.

Figyeljünk az áramokra a SEPIC csatolt tekercseiben – 2. rész

Ebben a cikkünkben folytatjuk a Magyar Elektronika előző lapszámában megkezdett vizsgálódásunkat, amelynek az volt a célja, hogy megállapítsa a SEPIC-topológiában használt csatolt tekercs optimális, szórt induktivitását. Rámutattunk arra a tényre, hogy a csatolókondenzátoron levő váltakozó feszültség azonos a csatolt tekercs szórt induktivitásának feszültségével. A szórt induktivitás feszültsége pedig nagy áramokat indukálhat a tápegységben. A 2. részben bemutatjuk a mérési eredményeket olyan tápegységekben, amelyek egyikét lazán, a másikát pedig szorosan csatolt induktivitással valósítottunk meg.
    Megépítettük az 1. ábrán látható áramkört, és megvizsgáltuk
a tulajdonságait. Ez egy olyan áramkör, amely például az autóelektronikában kaphat szerepet. Bemeneti feszültségtartománya széles, 8…36 V,  tehát kevesebb és több is lehet a jármű elektromos hálózatának szabályozott, 12 V-os feszültségénél. Az autóelektronikai tervezők a kerámiakondenzátort részesítik előnyben szélesebb üzemi hőmérséklet-tartománya, hosszú élettartama, nagy csúcsáramtűrése és nagy megbízhatósága miatt. Következésképpen a C6-kondenzátor helyére kerámiakondenzátort választunk. Ez azt jelenti, hogy egy nagyobb kapacitású elektrolitkonden­zátorhoz viszonyítva nagyobb váltakozó feszültség esik rajta, ezért az áramkör fokozottan érzékennyé válik a kis szórt induktivitású, csatolt tekercsek használata esetén.

1. ábra Egyetlen kapcsolófettel megvalósított, feszültségcsökkentésre és növelésre egyaránt alkalmas SEPICkonverter kapcsolási rajza

Kétféle Coilcraft-gyártmányú, 47 μH-s csatolt tekercs felhasználásával vizsgáltuk meg ezt az áramkört: az MSD1260 típussal, amelynek igen alacsony (0,5 μH), valamint az MSC1278 típussal, amelynek nagy értékű (14 μH) a szórt induktivitása. A 2. ábra a kétféle csatolt tekercs primer áramának jelalakját hasonlítja össze. Az a  ábrán az L1 pozíciószámú (MSC1278) induktivitás 1. kivezetésébe befolyó áram jelalakját láthatjuk, a b ábrán pedig ugyanezt, de az MSD1260 típusú induktivitással az L1-pozícióban. Az a ábra áramjelalakja olyan, amilyennek várnánk: főként egyenáram, egy háromszögjel alakú, váltakozó áramú komponenssel. A b ábra azt az esetet mutatja, amikor nagy váltakozó feszültség mérhető a csatolókondenzátoron és a kis értékű szórt induktivitáson. A csúcsáram majdnem kétszerese a bemeneti áram egyenáramú komponensének, az áram effektív értéke pedig 50%-kal több annál az áramkörnél, amely nagy szórt induktivitású csatolt tekercset tartalmaz. Ezek után magától értetődik, hogy az elektromágneses zavarszűrés is a szorosan csatolt induktivitással kivitelezett áramkörnél jelent komolyabb problémát. A bemeneti áram váltakozó áramú összetevőjének értéke a szorosan csatolt induktivitással megvalósított áramkörnél ötszöröse a másikénak, ami azt jelenti, hogy a nagyobb AC-komponens miatt 14 dB-lel nagyobb zavarelnyomást kell megvalósítanunk. A nagyobb effektív áram másik következménye a DC/DC-konverter hatásfokában mutatkozik meg. Az 50%-kal magasabb effektív áram miatt az alkatrészek ellenállásán disszipálódó veszteségi teljesítmény több mint kétszerese a lazán csatolt tekerccsel kivitelezett megoldásénak.

2. ábra Az alacsony szórt induktivitású csatolt tekercsben jelentős nagyságú primer áram folyik

A 3. ábra a hatásfok változását mutatja abban az esetben, ha az áramkörben a csatolt tekercsen kívül semmi mást nem változtatunk. Mindkét eredmény elismerésre méltó: közel 90%, (12 V-os be- és kimeneti feszültségnél mérve). Ha viszont a terhelésváltozás hatásait vizsgáljuk, a lazán csatolt tekerccsel megvalósított áramkör 1…2%-kal jobb hatásfokot produkál a teljes terheléstartományban még akkor is, ha a szorosan és a lazán csatolt tekercsnek azonos az egyenáramú ellenállása.

3. ábra A nagy szórt induktivitású MSC1278 csatolt tekercs jobb hatásfokú az alacsonyabb eff ektív áram miatt

Összegezve: Ha egy SEPIC-konverterben csatolt induktivitást alkalmazunk, azzal a teljes áramkör méretét és árát is csökkentjük. Fontos azonban, hogy a csatolt tekercs ne legyen szoros csatolású. Valójában a szoros csatolás növeli az áramkörben folyó áramokat, amelynek következtében nagyobb nehézségekbe ütközik az EMI-szűrés, továbbá csökken a hatásfok. A legegyszerűbb tervezési módszer, ha szimulációval választjuk meg a szórt induktivitás elfogad­ható mértékét. Ezzel szemben jártható az az út is, hogy megbecsüljük a feszültséget a csatolókondenzátoron, beállítunk egy megengedhető áram-hullámosságot, és ebből számítjuk ki a minimálisan szükséges szórt induktivitást.

További információkat erről és más teljesítményelektronikai megoldásokról a www.ti.com/power-ca webcímen találhat az érdeklődő.

REFERENCIA
Betten, John; „SEPIC Converter Benefits from Leakage Inductance,” PowerPulse.net, May 2010.