Teljesítményelektronikai ötletek (61. rész) – Extrém konverziós arányokhoz: feszültségnövelő vagy flyback?

Az idén is folytatjuk Robert Kollman nagysikerű teljesítményelektronikai cikksorozatának közlését. Ha a Robert által felvetett témák nem is közvetlenül az olvasó napi problémáira kínálnak megoldást, gondolatmenetét követve közelebb kerülhetünk a teljesítményelektronika sajátos gondolkodás-módjának megismeréséhez.

A sorozat előző, 60. cikkében megvizsgáltuk a kapcsolóüzemű tápegységvezérlők kitöltési tényezőjének korlátait a nem szigetelt feszültségnövelő áramkörökkel előállítani kívánt nagyon nagy konverziós arányok esetén. Arra az eredményre jutottunk, hogy a vezérlővel elérhető maximális kitöltési tényező szabja meg, milyen nagy kimeneti feszültséget állíthatunk elő. Ezek után felvethető a kérdés, mit tehetünk, ha túl akarjuk lépni ezt a határértéket. Ha csak alacsony kimeneti teljesítményre van szükség, megfontolhatjuk a feszültségnövelő áramkör nem folytonos működtetését, esetleg megpróbálkozhatunk egy töltésszivattyús feszültségnövelő beiktatásával. Ám ha a kimeneti teljesítményigény növekszik, ezek a megközelítések egyre kevésbé kínálnak járható utat, és ez kikényszeríti a csatolt induktivitásokkal működő feszültségnövelő vagy flyback áramkör használatát.

 1. ábra

Az 1. ábra mutatja a csatolt induktivitással felépített feszültségnövelő áramkört. Amíg a teljesítménykapcsoló be van kapcsolva, hogy mágneses energiát halmozzon fel az induktivitásban, addig a kimeneti kapacitás szolgáltatja a terhelés áramát. Ez idő alatt a D1 dióda anódja negatív feszültségű, nagyságát pedig a bemeneti feszültség és az induktivitás menetszámaránya határozza meg. Amikor viszont a kapcsoló kikapcsol, az induktivitásban felhalmozott mágneses energia olyan feszültséget indukál, amely a D1 dióda anódját pozitív értékre változtatja. Ennek hatására a dióda mindaddig vezet, míg a kimeneti kondenzátor visszatöltődik, és közben természetesen a terhelés áramát is szolgáltatja. Vegyük észre, hogy folytonos működésű üzemmódban az induktivitásban folytonosan jelen van a mágneses energia, miközben a primer és a szekunder tekercs árama pulzáló jellegű. Amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, a mágneses energia a primer induktivitásnak és a primer áram négyzetének a szorzata. Amikor a kapcsoló kikapcsol, az áram mindkét tekercsben azonos, a primer tekercsen a kapcsoló kikapcsolt állapotában megjelenő feszültség viszont (1+N)-szeresére növekedve adódik hozzá a kimeneti feszültséghez.

 2. ábra

A 2. ábra egy folytonos üzemű flyback-feszültségátalakítót mutat. Ebben a teljesítménykapcsoló bekapcsolásakor a primer tekercsben felhalmozódik a mágneses energia, és eközben a terhelés áramát a kimeneti kondenzátor biztosítja. Amikor a teljesítménykapcsoló kikapcsol, a transzformátor feszültsége előjelet vált, a kimeneti diódán áram folyik, ami visszatölti a kimeneti kondenzátort és árammal látja el a terhelést. Itt is igaz, hogy a transzformátorban tárolt mágneses energia folytonos, miközben a primer és szekunder áram impulzusszerű. Ebben az esetben mindegyik a nullához tart.
Nagy konverziós arányoknál a kettő közül választani kényes feladat. Az 1. táblázat összehasonlítja a kétféle megoldás áramköri igénybevételét egy 5 V-ról 200 V-ra átalakító áramkör esetében.

1. táblázat

A táblázatnál azt a szempontot érvényesítettük, hogy a teljesítménykapcsolók feszültség-igénybevétele azonos legyen. A táblázatban a Vr a reset-feszültség, ami a primer tekercsen mérhető, miközben a teljesítménykapcsoló kikapcsolt állapotban van. A feszültségnövelő kapcsolásnál a menetszámarány kissé alacsonyabb, mivel a feszültségnövelő tekercs feszültségéhez hozzáadódik a bemeneti feszültség is, az autotranszformátor működéséhez hasonlóan. A kisebb menetszámáttétel miatt a dióda feszültség-igénybevétele és csúcsárama is egy kicsit kisebb. Ezek miatt a feszültségnövelő áramkör valamivel nagyobb hatásfokú. A táblázat számai egyébként eléggé hasonlóak, a topológia kiválasztása tehát nem magától értetődő. A döntő tényező az lehet, hogyan viselkedik a kétféle megoldás áramtúlterhelés esetén. Ha a feszültségnövelő kapcsolás kimenetét rövidre zárjuk, a bemenetre kapcsolt tápforráson kívül semmi sem korlátozza a dióda áramát. A flyback-áramkör esetén nincs közvetlen visszahatás a bemenet felé, lehetővé téve a vezérlő áramkörnek, hogy védelmet nyújtson a hibás állapot ellen.
Összegezve, a feszültségnövelő kapcsolóüzemű tápegységek konverziós arányát a vezérlő kikapcsolt állapotának minimális időtartama és a kapcsolási frekvencia korlátozza. Esetenként szükséges olyan alternatív megoldásokat is fontolóra venni, mint a töltésszivattyú, a nem folytonos működés vagy nagyobb teljesítményigénynél a megcsapolt induktivitást tartalmazó topológia. Míg a csatolt tekercsekkel működő feszültségnövelő áramkör hatásfoka kissé magasabb, a flyback-áramkör túláramvédelmet és szükség esetén galvanikus leválasztást is lehetővé tesz.

A sorozat következő cikkében azt vizsgáljuk, hogyan lehet tesztelni a tápegységek viselkedését nagy sebességgel változó terhelőáram-tranziensek esetén.

Robert Kollman – Texas Instruments

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

A cikksorozat korábbi részei: