Teljesítményelektronikai ötletek (56. rész) – Flyback-áramkör primeroldali kapcsolójának csillapítása

A mindennapjainkban lépten-nyomon találkozhatunk kapcsolóüzemű tápegységekkel. Ezek valódi tömegcikkek, nemritkán valamilyen készülék filléres tartozékának szerepét játsszák. Éppen a széles körű elterjedtség és a hatalmas példányszám indokolja ezeknek az egyszerű áramköröknek az optimalizálását, amelyre Robert cikke mutat egyszerű példát.

Többféle megközelítésben válaszolhatunk arra a kérdésre, hogyan lehet a legjobban kézben tartani egy aszimmetrikus flyback-feszültségátalakító (1. ábra) primeroldali kapcsolójának feszültségterhelését. A megoldáshoz több műszaki szempontot kell egyszerre szem előtt tartanunk, miközben nem feledkezünk meg a megoldás költségvonatkozásairól sem. Eszerint

• elfogadható szintre kell korlátozni a MOSFET-kapcsoló feszültség-igénybevételét,

• a jó hatásfok érdekében nagyon gyorsan ki kell sütni a szórt induktivitásban tárolt energiát (lásd a „Teljesítményelektronikai ötletek – 16” cikket^[1]),

• egy csillapító áramkör beépítésével minimalizálni kell az áramköri veszteséget,

• és mindezt úgy, hogy közben elkerüljük a tápegység dinamikai viselkedésének lerontását.

1. ábra Ez a fet feszültségét korlátozó áramkör kis terhelésnél is jó hatásfokot eredményez

A felsorolt problémák megoldásának legolcsóbb módját a cikksorozat 16. részének 1. ábrája mutatja. Ez egy szokásos vágó-diódát, egy kapacitást és egy terhelőellenállást tartalmaz. Az áramkör működésének lényege, hogy a transzformátor szórt mágneses terében tárolt energiát egy kapacitás veszi át, majd a kapcsolási periódus további részében ez az energia disszipálódik, hővé alakul. Sajnos, ez a megoldás mindig azzal jár, hogy állandó energiaveszteség keletkezik, amely a csillapító (snubber) áramkör ellenállásán alakul hővé – tekintet nélkül a kimeneten leadott teljesítmény nagyságára. Minden kapcsolási ciklusban a kondenzátor újratöltődik – legalább a kimenőfeszültségnek a feszültségáttétellel a primer körre átszámított értékére. Ez csökkenti a hatásfokot, különösen a kis terheléseknél.
A jelen cikk 1. ábrája egy alternatív áramköri megoldást mutat, amely az ellenállásból és kondenzátorból álló csillapítót egy ellenállást (R1) és zenerdiódát (D1) tartalmazó áramkörrel helyettesíti. Amikor a fet kikapcsol, nyelőelektródájának feszültsége eléri azt a szintet, ahol a diódák vezetni kezdenek, hogy kisüssék a transzformátor szórt induktivitásában tárolt energiát. Az áram csökkenésének sebessége a transzformátor primer tekercsére átszámított kimeneti feszültség és a megfogódiódák vágási feszültségszintjének különbségétől függ. Vegyük észre, hogy a legjobb hatásfok érdekében – amint arra a sorozat 16. része is rámutatott – a szórt induktivitásban tárolt energiát olyan gyorsan ki kell sütni, ahogy csak lehetséges. Az alkatrészértékek megválasztásánál először is vegyük figyelembe a MOSFET megengedett maximális feszültségét. (Legyünk arra is tekintettel, hogy ezt az értéket a katalógus egy referencia-hőmérsékleten – pl. +25 °C-on – adja meg, tehát számítsuk át a teljes üzemi hőmérséklet-tartomány legkedvezőtlenebb – rendszerint maximális – értékére). Ezzel meghatározhatjuk azt a maximális feszültség-igénybevételt, amit a MOSFET-en megengedhetünk. Válasszuk meg a zener-feszültséget úgy, hogy haladja meg a kimeneti feszütségnek a primer körre visszaszámított értékét, és így ne vezessen tovább, ha a szórt induktivitásban tárolt energia már felemésztődött. Ezután méretezzük az ellenállásból és zenerdiódából álló áramkört úgy, hogy a feszültsége ne haladja meg a MOSFET megengedett maximális feszültségét a hálózati feszültség maximális értékénél és a maximális terhelőáramnál sem. Most határozzuk meg, mekkora lengést engedhetünk meg – az áramkör hatásfokát nem veszélyeztetve.

2. ábra A nagyfeszültségű zener megfogódióda gyorsan kisüti a szórt induktivitásban tárolt energiát, és ezzel növeli a hatásfokot

A 2. ábrán az R1-ellenállás rövidre van zárva úgy, hogy egyedül a zenerdióda korlátozza a MOSFET feszültség-igénybevételét. Kikapcsoláskor a nyelőfeszültség ugrásszerűen megnövekszik, és a szórt induktivitás árama állandó feszültséggel csökken. Ez garantálja a leggyorsabb kisütést és a legjobb hatásfokot. Ha viszont a szórt induktivitás már kisült, a MOSFET nyelő-
elektródája lengeni kezd a primer körre visszaszámított kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség összege körül. Ez jó néhány problémát generál. Az első – magától értetődően – az elektromágneses zavar (EMI), mivel ez a 4 MHz-es lengés közös módusú áramot kelt a teljesítménytranszformátorban, és növeli a hálózati bemenet felé irányuló szűrés követelményeit. A második probléma a vezérlő integrált áramkör kiválasztásával kapcsolatos. Létezik jó néhány típus, amely feleslegessé teszi a kimeneti feszültség szekunder oldali mérését, megelégszik azzal, hogy a primeroldali előfeszültség-előállító tekercsnek a menetszámaránnyal áttranszformált feszültségét a kimeneti feszültség reprezentatív mintájaként használja. Az ilyen vezérlőáramkör-típusoknál a lengés a kimeneti feszültség pontatlan szabályozását eredményezi.
Ha a lengés problémát okoz, csökkentsük a zenerfeszültséget annyira, hogy közelítőleg a primer oldalra visszatranszformált kimeneti feszültség értékének feleljen meg, és kapcsoljunk sorba a nyelőelektródával egy ellenállást, hogy megnöveljük a nyelőelektróda csúcsfeszültségét. Az 1. ábrán látható áramkörben mérhető hullámformákat a 3. ábra mutatja. A sárga vonal a nyelőelektródán, a piros pedig a D3 és R1 közös pontján mérhető feszültségét ábrázolja. A két feszültség közötti különbség a szórt induktivitás áramával arányos. A nyelőelektróda feszültsége egy magas értékről indul, és a különbségi feszültséget, és – ezzel a szórt induktivitás áramát is – nullára csökkenti. Ezzel tehát, ha a dióda kikapcsol, kicsi lesz a különbség a nyelő-elektróda feszültsége és a bemeneti oldalra visszatranszformált kimeneti feszültség között; következésképpen kis lengéseket kapunk. Sajnos ezért az eredményért a hatásfok romlásával kell fizetni. Ebben az esetben ez a csökkenés kb. 2%. Amint azt a „Teljesítményelektronikai ötletek” sorozat 16. cikkében megmutattuk: minél tovább tart a szórt induktivitás kisütése, annál rosszabb a hatásfok. A 2. ábra áramköre a szórt induktivitást 70 ns, a 3. ábra szerinti változat viszont 160 ns idő alatt süti ki.

3. ábra A soros ellenállás csökkenti az elektromágneses interferenciát (EMI)

Összegezve: az RCD-vágóáramkörök jelentik a legegyszerűbb módszert egy flyback-áramkör csillapítására. Ugyanakkor az RCD-csillapítással a kis terhelésnél mérhető veszteségek aránylag nagyobbak az állandó teljesítményfelvétel miatt. Ha a kis terhelésnél mérhető terhelés problémát jelent, érdemes megvizsgálni egy zenerdiódás csillapító áramkört, amely csak akkor disszipál veszteségi teljesítményt, amikor az elkerülhetetlen. Egy éles letörésű zenerdióda adja a legjobb hatásfokot, de ez egyben elfogadhatatlan lengéseket is kelthet. A legjobb kompromisszumot egy aránylag kisebb feszültségű zenerdióda és egy soros ellenállás adja.
Sorozatunk következő részében megvizsgálunk néhány „klasszikus” hibát, amit a tápegységek alkatrész-elrendezésében el lehet követni.

^[1] Kollman, Robert: Teljesítményelektronikai ötletek – 16 Magyar Elektronika Szakfolyóirat, 2010.7-8. szám, p. 56.

Robert Kollman ‑ Texas Instruments

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: