Teljesítményelektronikai ötletek (60. rész) – Figyeljünk a feszültségnövelő átalakítók konverziós arányára!

Ebben a hónapban bemutatjuk, mit javasol Robert a feszültségnövelő átalakítók veszteségeinek „kordában tartására”.

Előfordult már, hogy alacsony bemeneti feszültségből magasabb kimenőfeszültséget kellett előállítania szigeteletlen tápegységgel? A probléma hagyományos megoldása a feszültségnövelő (boost) kapcsolás. Ennek tervezésekor azonban figyelemmel kell lenni a vezérlő integrált áramkör korlátozásaira. A tervezést meghatározó szempontok sokfélék lehetnek az ártól a NyÁK-területen át addig a szándékig, hogy a kapcsolási frekvenciát olyan magas értékre választhassunk, amennyire csak lehetséges. Ez utóbbinál viszont figyelemmel kell lenni arra, hogy a hatásfokra és a vezérlő áramkörre vonatkozó megfontolások korlátozzák, meddig mehetünk el a kapcsolási frekvencia megválasztásában.

1. ábra A nagy konverziós arányú feszültségnövelő kapcsolások nagy kitöltési tényezőknél kihívások elé állítják a vezérlő áramkört

Ahogy a feszültségcsökkentő feszültségátalakítóknál van egy minimális bekapcsolási idő, amely még jól kézben tartható, éppen úgy a feszültségnövelő kapcsolásoknál is van egy minimális kikapcsolási idő, amit még kontrollálni tudunk. Azok a feszültségnövelő áramkörök^[1], amelyeknél a konverziós arány nagy értékű, problémát okozhat, ha ez utóbbi korlátozásába ütközünk. Tekintsük az 1. ábrán látható feszültségnövelő áramkört, amely folytonos vezetési üzemmódban működik. Ennek kitöltési tényezője

(1. egyenlet) .

Végezzünk el néhány helyettesítést, és oldjuk meg az így keletkezett egyenletet a minimális kontrollálható kikapcsolási időre (2. egyenlet).

(2. egyenlet).

Vegyünk példának egy olyan átalakítót, amely 24 V-os bemeneti feszültségből 140 V-ot állít elő. Ehhez 83%-os kitöltési tényező és 17%-os kikapcsolási időarány szükséges. A példában felhasznált LM5122 feszültségnövelő átalakító vezérlő áramkör minimális, kézben tartható kikapcsolási ideje 750 ns, amihez a biztonság kedvéért adjunk még hozzá 250 ns-ot.

A számítások után az adódik, hogy a kapcsolási frekvencia legfeljebb 170 kHz lehet.
A 2. ábra egy olyan feszültségnövelő egyenfeszültség-átalakító kapcsolási rajza, amely a 24 V-os bemeneti feszültségből 140 V-ot állít elő 2 A terhelhetőséggel. Ez az áramkör „átlapoltan” működik, ami azt jelenti, hogy két teljesítménykapcsoló-fokozatot tartalmaz, amelyek ellenfázisú jellel vannak vezérelve. A két fokozat közötti áramegyensúlyról a felső (master) vezérlő gondoskodik azáltal, hogy mindkét fokozat bemeneti áramát – az induktivitások áramát érzékelő ellenállásokon eső feszültség alapján – ez állítja be. A master vezérlő áramkör vezérli egyben mindkét fokozat órajelének fázisát és frekvenciáját éppúgy, mint a lágyindítási funkciót és a hibakezeléseket is.

2. ábra A feszültségnövelő átlapolt megoldása növeli a kimenőteljesítmény maximális értékét

A feszültségnövelő kapcsolások 180°-os fázistolású (ellenütemű) vezérlésének több előnye is van. 280 W kimenőteljesítménynél és 90° feletti hatásfoknál a teljesítményveszteség 18 W. A kétfázisú vezérlés lehetőséget ad arra, hogy pontosan szabályozzuk az áramokat, és ezzel a félvezetőkön és az induktivitásokon hővé alakuló veszteségi teljesítményt. Ezzel a hőveszteséget is „igazságosan” lehet elosztani a két teljesítményfokozat között, ami megkönnyíti a hűtőrendszer feladatát. Mivel a két fokozat fázisa 180°-kal tér el egymástól, ez lehetővé teszi, hogy kiegyenlítődjön az áram hullámossága mind a bemeneti, mind a kimeneti oldalon. Ezzel a kondenzátorokon folyó áram csúcs- és effektívértéke (RMS) is csökken. A két fokozat fáziseltérésének köszönhetően az áram hullámosságának frekvenciája a kétszerese az egyes fázisok kapcsolási frekvenciájának. Ezzel végeredményben megkétszereztük a tápegység kapcsolási frekvenciáját anélkül, hogy ez a hatásfokot rontaná.
A 3. ábra mutatja a tápegység hatásfokát a terhelőáram függvényében. A hatásfokgörbe három szakaszra osztható. A kisebb áramok tartományában a vezérlés saját vesztesége és a kapumeghajtók vesztesége határozza meg a hatásfokot. Az áram növekedésével ezek egyre kevésbé jelentenek számottevő részt a teljesítményveszteségben, és egyre nő a kapcsolási veszteségek szerepe. Még nagyobb áramoknál a hatásfok csökken, amit a fetek és az induktivitások ellenállásán hővé alakuló teljesítmény okoz. Kisebb ellenállású alkatrészeket választva a hatásfok maximális értéke jobb felé, a nagyobb áramok irányába tolható el.

3. ábra A 24 V-ról 140 V-ra növelő, 2 A terhelhetőségű átalakító hatásfoka a terhelő áram függvényében

Összegzés

A feszültségnövelő áramkörökkel elérhető konverziós arányt a vezérlő minimális kikapcsolási ideje és a kapcsolási frekvencia korlátozza. Ennek a korlátozásnak a figyelembevétele igen fontos, mert túllépése miatt impulzuskimaradás következhet be, amely növeli a kimeneti feszültség hullámosságát, és a kimeneti zaj spektrumában alacsonyabb frekvenciájú (nehezebben szűrhető) összetevők is megjelennek. Megfelelő áramköri megoldásokkal azonban igen magas konverziós arány is elérhető, mint azt a cikkben bemutatott, 6:1 konverziós arányú átalakító példáján is bemutattuk.

A sorozat következő cikkében bemutatjuk, hogyan lehet előállítani igen magas konverziós arányú feszültségnövelő átalakítókat.

További részleteket és más teljesítményelektronikai ötleteket itt talál az olvasó:
www.ti.com/power-ca

^[1] Konverziós arány: a kimeneti és a bemeneti feszültség hányadosa – A szerk. megj.

Robert Kollman – Texas Instruments

www.ti.com/power-ca és www.ti.com/powerhouse-ca

A cikksorozat korábbi részei: