Teljesítményelektronikai ötletek – 34

A félvezető kapcsolóelemek minőségének javulásával egyre csábítóbb az a gondolat, hogy a kapcsolóüzemű konverter kapcso­lási frekvenciájának növelésével állítsunk elő kisebb méretű készüléket. Ennek azonban gyakran az impulzustranszformátorok tekercsközi kapacitása szab határt. Robert ennek csökkentésére ad ötletet sorozata most következő részében.

Egy transzformátor tekercsei közötti kapacitás minimalizálása

Előfordult már, hogy kis teljesítményű flyback-konvertert kellett terveznie nagy menetszám-áttételű transzformátorral? Ha igen, valószínűleg találkozott a tekercsközi kapacitás problémájával. Ebben a folytatásban áttekintjük azokat a módszereket, amelyekkel csökkenthetők a kapacitív hatások annak érdekében, hogy nagyobb frekvenciával működtethessük az átalakítót.
Az 1. ábra azt az áramkört mutatja, amelyben bizonyosan felvetődik ez a probléma. Ennek transzformátorában a szekunder és a primer közötti menetszámarány 40:1 (szekunder és primer^[1]). A transzformátor szekunder tekercse és a föld között szórt kapacitás mérhető.

1. ábra A tekercsközi kapacitás nagy menetszámáttételnél problémát okoz

A szekunder nagy feszültségű kapcsolásakor áram folyik ezen a szórt kapacitáson, amely visszahat a primerre. A primer felől látható „effektív” kapacitás a szekunder szórt kapacitásának és a menetszámáttétel négyzetének a szorzata. Esetünkben például 20 pF szórt kapacitás 1600-al szorzódik. Ez a primer felől nézve tehát 32 nF kapacitásnak látszik, ami már jelentős veszteséget okoz. Például 100 kHz kapcsolási frekvenciánál és 12 V bemeneti feszültségnél 1 W veszteség keletkezik egy 4 W-os tápegységben. Ez a kapacitás a teljesítményfet kikapcsolásakor lassítja a feszültségváltozást a nyelőelektródán, ami „lopja” a kitöltési tényezőt. Ráadásul a MOSFET bekapcsolásakor az áramkorlátozó elektronika téves „megszólalását” is okozhatja.
A szórt kapacitáson folyó áram minimalizálásának a kulcsa egyfelől a transzformátor menetszám-áttételének minimalizálása, másfelől a rajta eső feszültség csökkentése. A feszültség csökkentésére több módszer is létezik. Ezekben a nagyfeszültségű áramkörökben a tekercselést rétegesen alakítják ki. Két réteg esetén, amikor a tekercs kezdete és vége a csévetestnek ugyanazon az oldalán van, az első és az utolsó menet között a tekercs teljes feszültsége megjelenik. A menetek mentén a feszültség gradiensének csökkentésére használt egyik módszer a többrétegű tekercselés^[2], amelyben a vezetéket a 2. ábra szerint kell felcsévélni. Ez a tekercselrendezés jelentősen csökkenti a kapacitást azáltal, hogy korlátozza a szomszédos menetek közötti feszültséget. A módszer továbbfejlesztésének tekinthető az osztott csévetesten részekre tagolt tekercselés.

2. ábra A többrétegű tekercselés csökkenti az effektív kapacitást

Ha a transzformátor kapacitásának problémája továbbra sem oldódik meg teljesen, van még néhány trükk, amivel meg lehet próbálkozni. A 3. ábra mutat erre egy példát. Ebben az áramkörben megosztottuk a szekunder tekercset, amelynek következtében egy-egy tekercsre jutó feszültség megfeleződik az 1. ábra áramkörében mérhetőhöz képest. A két kimenetet ezután sorba kapcsoljuk. Ekkor az alsó tekercsen mérhető átlagos váltakozó feszültség ugyanaz marad, miközben a felső tekercselésé 66%-kal csökken. Ez a módszer körülbelül a felére csökkenti a transzformátor effektív kapacitását. Ezt a módszert tovább lehet fejleszteni azzal, hogy a szekunder tekercset még több részre osztjuk.  

3. ábra A szekunder tekercsek kettéosztásával feleződik a szórt kapacitás

Összegezve, a tekercsközi kapacitás problémát jelenthet, ha nagy menetszám-áttételű transzformátort használunk – különösen a kisteljesítményű konvertereknél, ahol a veszteség a kimeneti hasznos teljesítmény számottevő részét képezi. A kis kapacitású transzformátorok tervezéséhez vagy a menetszámáttételt, vagy a szomszédos tekercsmenetek közötti feszültséget kell minimalizálnunk. Ez többrétegű vagy osztott tekercseléssel érhető el. A szekunder tekercs több független részre is osztható, amely viszont azzal jár, hogy mindegyikhez külön egyenirányítót és szűrőáramkört kell kialakítanunk. Az effektív kapacitás a szekciók számának növelésével csökken, például négy szekcióra bontott szekunder tekerccsel negyedrészére csökkenthető a tekercsek közötti szórt kapacitás.
A következő részben a világítástechnikai alkalmazásokban használt nagyfeszültségű ledek táplálását vizsgáljuk meg a hatásfok szempontjából. A teljesítményelektronikai megoldásokról további információkat a www.ti.com/power-ca weboldalon talál az olvasó.

^[1] A „költői kérdés” itt nem a szerkesztő közbevetése: maga Robert „jelzi előre” ezen a módon, hogy a továbbiakban használni készül a szakzsargonnak azt a „pongyolaságát”, hogy a jelzős szerkezetből éppen a jelzett szó marad el. Eszerint úgy tűnik, az USA-angol szaknyelvre is jel­lemző, hogy a magyarhoz hasonlóan a primer tekercs és a szekunder tekercs helyett primert és szekundert emlegetnek. (Nem ez az egyetlen eset, amikor a tekercs szó „esik áldozatul”: vö. a magyarban a fojtótekercset is gyakran csak fojtónak nevezzük.) – A ford. megj.

^[2] Ezt a módszert az eredeti szöveg „bank winding” néven említi. Ennek közkeletű magyar fordítását nem ismerem. Ezért nevezem a technika „tartalmi” oldaláról megközelítve „többrétegű” tekercselésnek. A lényeg a 2. ábra alapján könnyen érthető – A ford. megj.

A cikksorozat korábbi részei: