Teljesítményelektronikai ötletek – 50

Tervezés közben egy kondenzátort rendszerint három elektromos jellemzőjével határozzuk meg: a kapacitásával, az üzemi feszültségével és a dielektrikum fajtájával. Sok alkalmazásban – így a teljesítményelektronikában is – gyakran további paramétereket, „parazita tulajdonságokat” is figyelembe kell vennünk a tervezés során.

Ügyeljünk a kondenzátorok parazita paramétereire!

A tápegységek kimeneti feszültség „hullámosságának” (váltakozó áramú komponensének) és tranziens viselkedésének specifikációja nemcsak a szükséges kondenzátorok kapacitását határozza meg, de a kondenzátorok parazita komponenseinek értékét is. Az 1. táblázat néhány kondenzátortípus parazita jellemzőit: ekvivalens soros ellenállását (ESR) és ekvivalens soros induktivitását (ESL) mutatja. Az 1. ábra pedig grafikusan ábrázolja a háromféle kondenzátortípus (a kerámia-, az alumínium elektrolit- és az alumínium polimer­kondenzátor) impedanciájának frekvenciafüggését. Az ábrákat az 1. táblázatban összefoglalt tipikus értékek felhasználásával szerkesztettük. A kapacitásértékek tipikusak a kis feszültségű (1…2,5 V), közepes áramú (5 A) szinkron feszültségcsökkentő tápegységekben.

1. táblázat Három kondenzátorfajta összehasonlítása – mindegyiknek megvan a maga előnye

1. ábra A parazita tulajdonságok különbözőképpen módosítják a kerámia-, az alumínium elektrolit- és a alumínium polimerkondenzátorok impedanciájának frekvenciamenetét

Alacsony frekvencián egyik kondenzátortípus sem mutatja jelét parazita tulajdonságainak. Az impedanciát ebben a tartományban egyedül a kapacitásérték határozza meg. Az alumínium elektrolit­kondenzátor impedanciája azonban már aránylag alacsony frekvencián megszűnik csökkenni, és innentől egy bizonyos frekvenciatartományban ellenálláshoz hasonló (lényegében frekvenciafüg­getlen) viselkedést mutat. Ez a rezisztív karakterisztika viszonylag magas frekvenciáig megmarad, amelytől felfelé aztán a viselkedés induktívvá válik. Az alumínium polimerkondenzátor másképp tér el az ideálistól. Érdekessége, hogy az aránylag alacsony ESR mellett az ESL hatása feltűnőbb. Y kerámiakondenzátornak is alacsony az ESR értéke, de kisebb méreténél fogva az ESL értéke kisebb a másik két fajta, az alumínium elektrolit- és az alumínium polimerkondenzáto­rokéhoz viszonyítva.
A 2. ábra egy tápegység kimeneti kondenzátorán mérhető feszültség jelalakját mutatja egy 500 kHz kapcsolási frekvencián működő, folytonos üzemű, szinkron feszültségcsökkentő feszültségszabályozó szimulációja alapján. A szimuláció során az 1. ábrán bemutatott háromféle kondenzátor, a kerámia, az alumínium elektrolit és az alumínium polimer kivitel domináns impedanciáit használtuk fel: a kerámiakondenzátornál a kapacitást, az alumínium elektrolitkondenzátornál az ESR-t, az alumínium polimernél pedig az ESL-t vettük figyelembe.

2. ábra A kondenzátor parazita tulajdonságai eltérő jellegű feszültséghullámosságot okoznak egy folytonos üzemű, szinkron feszültségcsökkentő áramkörben

A piros diagram az alumínium elektrolitkondenzátoros megoldás feszültségét mutatja, amelynél az ESR a domináns parazita tulajdonság. A kimenőfeszültség hullámossága tehát itt közvetlenül arányos az induktivitás áramának hullámosságával.
A kék diagramon a kis ESR- és ESL-értékű kerámiakondenzátor feszültségének váltakozó komponense látható. A kimenőfeszültség hullámossága itt a kimeneti induktivitás áramának integráltja. Mivel az áram jelalakja lineáris (háromszögjel), integrált értéke az idő négyzetes függvénye (parabolaív), ami nagyon hasonlít a szinuszos jelalakhoz.
Végül a zöld diagram az ESL-dominanciájú alumínium polimer­kondenzátornál mérhető feszültséghullámosságot mutatja. Ebben az esetben egy feszültségosztó alkotja a helyettesítő képet, amely a kimeneti induktivitásból és a kondenzátor ESL-jéből áll. A hullámformák relatív fázistolása olyan, ahogy az várható is: ha az ESL a domináns impedancia, a feszültséghullámosság fázisa siet az induktivitás áramának jelalakjához képest. Ha az ESR dominál, a feszültséghullám fázisban van az áramjellel, míg ha a kapacitás a domináns paraméter, a feszültséghullám fázisa késik az áramjelhez viszonyítva.
A valóságban természetesen a kimeneti feszültség váltakozó komponense nem „tisztán” a felsorolt három jeltípus valamelyike, hanem a három jeltípus összege (a kondenzátor paramétereinek dominanciája szerint súlyozva – A szerk. megj.). A kimeneti feszültség hullámalakjában tehát valamilyen mértékben mindegyik viselkedésfajta megjelenik.
A 3. ábra mutatja egy folytonos üzemű flyback vagy feszültségnövelő áramkör kimeneti feszültségének hullámalakjait, ahol a kimeneti kondenzátor árama gyors változással előjelet vált. Ez látszik a piros diagramon, amely a kimeneti kondenzátor áramának és az ESR-nek a szorzata. Az eredmény négyszögjel. Ha a kimeneti kondenzátor kapacitása dominál, a feszültség egyszerűen a négyszögjel alakú áram integráltja. Ez a kondenzátor lineáris töltődését és kisütését eredményezi, amelyből a kék diagramon látható háromszögjel adódik. Végül pedig, a kondenzátor ESL-jén mérhető feszültség csak akkor meghatározó, amikor az áram változik (amikor éppen előjelet vált – A szerk. megj.) Ez – a kimeneti áramjel felfutási idejétől függően – akár nagyon nagy értéket is felvehet. Vegyük figyelembe, hogy az ábrán a zöld diagram 1:10-arányban leosztott jel, amelynél az áramjel 25 ns alatt vált előjelet. Ezek a feltűnő induktív impulzusok az okai annak, hogy olyan gyakran látunk kétfokozatú szűrőt a flyback vagy feszültségcsökkentő tápegységek kimenetén.

3. ábra Folytonos üzemű, flyback vagy feszültségnövelő áramkörnél mérhető hullámformák

Összegzés

A kimeneti kondenzátor impedanciája meghatározó a kimeneti feszültség hullámosságának jelalakja és tranziens tulajdonságai tekintetében. Ahogy a kapcsolóüzemű tápegységek kapcsolási frekvenciája egyre nagyobb, a kondenzátorok parazita tulajdonságai egyre fontosabbá – és egyre kevésbé elhanyagolhatóvá – válnak. 20 kHz közelében az alumínium elektrolitkondenzátorok ESR-je már elég nagy ahhoz, hogy a hatása felülmúlja a kapacitív reaktanciáét. 100 kHz felett néhány alumínium polimerkondenzátor induktívvá válik. Ha viszont a tápegység kapcsolási frekvenciája a megahertzes tartományba kerül, már mindhárom fajta kondenzátornál figyelembe kell vennünk az ESL hatását.

A következő lapszámunkban egy kis teljesítményű, offline flyback-feszültségátalakító tulajdonságait vizsgáljuk meg.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: