Teljesítményelektronikai ötletek – 45

Ebben a folytatásunkban megvizsgáljuk egy szinkron feszültségcsökkentő szabályozó felső- és alsóoldali kapcsolófetjeinek kapumeghajtó áramköreit az egymáshoz viszonyított időzítés fontossága szempontjából.

Szinkron feszültségcsökkentők fetjeinek helyes időzítése

Az időoptimalizálás jelentősége egyre nagyobb, ahogy a mérnökök a lehető legnagyobb hatásfokot igyekeznek „kifacsarni” tervezett tápegységeikből. A kapcsolási perióduson belül kétféle átmenetet kell megvizsgálnunk: az alsóoldali, illetve a felsőoldali kapcsoló bekapcsolását.
Az alsóoldali kapcsoló bekapcsolási jelensége azért kritikus fontosságú, mert az átmenet majdnem veszteségmentes, vagy ahogy mondani szokás, „szabadonfutó”. Miután a felsőoldali kapcsoló kikapcsolt, az induktív áram veszteségmentesen a földpotenciál felé mozgatja a kapcsolási pont feszültségét. Az alsóoldali kapcsoló bekapcsolására a legalkalmasabb pillanat az átmenet vége. Nem kritikus probléma, ha a szubsztrátdióda^[1] egy kis idővel korábban kezd el vezetni, mint ahogy az alsóoldali kapcsoló bekapcsolna, mivel ez nem okoz a záróirányú feléledési jelenségből adódó veszteséget.
A réteg összes többlet-töltéshordozója semlegesítődik a következő kapcsolási tranziens kezdetéig. Ha viszont a szub­sztrátdiódán túl sokáig folyik az áram, az járulékos vezetési veszteséget okoz. A legfontosabb átmenet a felsőoldali fet optimális időben történő bekapcsolása. Ha ez a kapcsoló korán kapcsol be, amikor még az alsóoldali kapcsoló is vezet, „egymásba vezetés” történik. Ha viszont az alsóoldali kapcsoló túl későn vált vezetésbe, járulékos vezetési veszteség keletkezik, és az alsóoldali fet szubsztrátdiódájába feleslegesen sok töltéshordozót juttat, amelyet onnan el kell vezetni, azaz ki kell várni a szubsztrátdióda töltéstárolás utáni feléledési idejét. Mindkét eset csökkenti a hatásfokot.
Annak érdekében, hogy a hatásfokot a meghajtójelek egymáshoz viszonyított időzítésének függvényében vizsgálhassuk, olyan tápegységeket terveztünk, amelyekben a meghajtójel-késleltetéseket változtatni lehet. Ennek birtokában vizsgálhattuk a hatásfoknak a késleltetési időtől való függését. Az eredmény az 1.a., b. és c. ábrákon látható.
Az 1.a. ábra olyan állapotot mutat, amikor a felsőoldali fet bekapcsolása megelőzi az alsóoldali fet teljes kikapcsolásának pillanatát. Az alsóoldali kapumeghajtó jelen egy széles Miller-régió látható, ahol a felső- és az alsóoldali fet egyszerre vezet, amely egymásba vezetési áramlökést okoz a teljesítménykapcsoló fokozaton keresztül. Amikor az alsóoldali fet végre kikapcsol, egy járulékos feszültségtúllövés keletkezik az alsó- és felsőoldali fet közös pontján (a „kapcsolt ponton”).

1.a. ábra A felsőoldali fet bekapcsolásának „sietése” egymásba vezetést okoz

Az 1.b. ábrán a felsőoldali fet az alsóoldali fet kikapcsolásánál később kapcsol be, és nyitóirányú áram folyik a szubsztrátdiódáján. Amikor a felsőoldali fet bekapcsol, elindul a szubsztrátdióda réteg kiürítését okozó „feléledési” áram. Ennek alapján egy fordított irányú áramlökést várhatnánk, ami a kapcsolt ponton mérhető feszültség lengését okozná. Ez viszont a diagramon nem vehető észre, mivel az általunk használt MOSFET szubsztrátdiódájának záró­irányú feléledési ideje rendkívül rövid (12 ns). Lassabb működésű szubsztrátdiódával rendelkező MOSFET-típusok használata esetén viszont jelentős feszültséglengésre számíthatunk.

1.b. ábra Ha a felsőoldali kapcsoló késik, a szubsztrátdióda vezetésbe kapcsol

Az 1.c. ábra mutatja a legjobb hatásfokú állapotot. Az alsóol­dali fet kapufeszültsége közel nullára csökken, mielőtt a felsőoldali kapcsoló bekapcsol. A felsőoldali fet azt megelőzően kapcsolódik be, hogy az alsóoldali kapcsoló szubsztrátdiódája vezető állapotba kerülhetne, ezért a kapcsolási ponton minimális feszültséglengés alakul ki.

1.c. ábra Az optimális időzítés javítja a hatásfokot és csökkenti az alkatrészek igénybevételét

A 2. ábra egy 12 V-ról 1 V-ra konvertáló, 15 A-rel terhelhető, 300 kHz-es kapcsolási frekvenciájú DC/DC-átalakító kap­cso­lófokozatának hatásfokát ábrázolja az időzítési beállítás függvényében. Az ábra bal szélén a felsőoldali fet bekapcsolása „siet” (1.a. ábra) a jobb szélén „késik” (1.b. ábra). A bal oldalon a hatásfok drasztikus csökkenése látható, amelynek oka a kapcsolófokozat fetjeinek egymásba vezetésekor keletkező nagy áramlökés. A maximumtól jobb felé haladva a hatásfok mérsékelt ütemben, fokozatosan csökken. Ez utóbbinak két oka van: a bekapcsolt fet csatorna-ellenállásán fellépő (vezetési) veszteség, valamint az alsóoldali fet szubsztrát­diódájának záróirányú előfeszítésekor keletkező töltéstárolási jelenség. A diódán vezető állapotban nagyjából 0,7 V feszültség esik.
A dióda vezetésekor az elméletileg lehetséges legnagyobb hatásfokot az 1. képlettel közelíthetjük:

1. képlet

Ha a dióda minden 3 μs-os periódusban 50 ns-ig vezet, ez 1,2%-kal csökkenti a teljes hatásfokot. A kísérleteinkhez használt teljesítménykapcsoló-fokozatnál a lezáráskor fellépő töltéstárolás elvezetésekor keletkező veszteség befolyása jelentéktelen, mivel az alkalmazott MOSFET fordított polaritásra kapcsolásakor fellépő töltéstárolás ideje mindössze 12 ns.

2. ábra A meghajtójel időzítése erősen befolyásolja a hatásfokot

Összegzés

A helyesen időzített kapumeghajtó jel alapvető fontosságú egy szinkron feszültségcsökkentő átalakító hatásfokának maximalizálásában. Az időzítéssel minimálisra kell csökkentetni az alsóoldali MOSFET szubsztrátdiódájának vezető állapotban töltött idejét. A legkritikusabb átmenet a felsőoldali kapcsoló vezetésbe váltása. Meg kell akadályoznunk, hogy ez megtörténhessen, mielőtt az alsóoldali kapcsoló teljesen kikapcsol. Ez minimálisra csökkenti a kapcsolási veszteségeket, továbbá csökkenti az átkapcsoláskor keletkező feszültséglengéseket.

Következő folytatásunkban az offline tápegységek keltette elekro­mágneses zavarok problémáival foglalkozunk.

Irodalom

„Predictive Gate Drive Boost Synchronous DC/DC Power Converter Efficiency,” Application Note (SLUA281), Texas Instruments, April 2003. (http://www.ti.com/lit/an/slua281/slua281.pdf)

[1]A fetek aktív rétegét egy pn-átmenet szigeteli el a hordozó Si-egykristály lapkától a szubsztrátumtól. Ez az átmenet üzemszerűen lezárt, csak akkor fordul átmenetileg vezetésbe, ha a kapcsoló feszültsége – például egy induktív terhelés visszahatása miatt „megfordul” (azaz például n-csatornás fetnél a forrás- vagy a nyelőelektróda, vagy a csatorna bármely pontja negatívabbá válik a szubsztrátpotenciálnál).

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: