Teljesítményelektronikai ötletek – 66

Javítsuk fel szinkronegyenirányítókkal a nem folytonos flyback áramkört

Ha egyenirányítanunk kell, az első, amire gondolunk, a dióda, mivel nem igényel vezérlést. Ma azonban a hatásfok fontosabb szempont annál, mint hogy figyelmen kívül hagyhatnánk a nyitófeszültség okozta teljesítményveszteséget. A problémát a szinkronegyenirányító oldja meg, de ennek ára némi kiegészítő áramkör – és egy kis gondolkodás. Az utóbbihoz segít hozzá Robert cikke.

Jól ismert tény, hogy a szinkronegyenirányítók jelentősen javíthatják egy tápegység hatásfokát azáltal, hogy az egyenirányító pn-átmenet nyitófeszültségét egy bekapcsolt félvezető kapcsoló ellenállásán eső – jóval kisebb – feszültséggel helyettesítik. Azt a feladatot tűztük magunk elé, hogy robusztus vezérlési stratégiák felhasználásával ez a hatás maximális legyen. Egy nem folytonos flyback megoldás lényegesen komolyabb kihívás a folytonos flybacknél. Az 1. ábra egy szinkronegyenirányítóval megoldott flyback-áramkör egyszerűsített kapcsolási rajzát és a hozzá társuló jelalakokat mutatja. A t = 0 pillanatban a primeroldali Q1 kapcsoló bekapcsolt állapotban van, és nyelőárama egyenletesen növekszik. Ezt követően a kapcsolótranzisztor kikapcsolódik, és a transzformátortekercsek ponttal megjelölt végén a feszültségek mindaddig növekednek, míg a Q2-vel párhuzamosan kapcsolódó  testdióda ki nem nyit, és megfogja a transzformátor szekunder feszültségét a kimeneti feszültség szintjén. Vegyük észre, hogy a Q2 kapufeszültsége e pillanatban pozitívabb a forráselektróda feszültségénél. Következésképpen az áram a tesztdiódából a MOSFET csatornájába irányítódik át, és ez növeli az egyenirányítás hatásfokát. Ebben az állapotban az áramkör hatékonyan reteszelődik, amelyet az a pozitív feszültség tart fenn, ami a transzformátoron a kapu és a forráselektróda közé kapcsolódik.  Eközben az induktivitásban tárolt mágneses energia kisül, és a feszültsége előjelet vált. Ahhoz, hogy ebből az állapotból kikerüljünk, a Q1-nek be kell kapcsolódnia, amely a Q2 kapufeszültségének irányváltását és kikapcsolását okozza. Ez egy meglehetősen nagy igénybevételt okozó esemény, mivel mindkét tranzisztor egyidejűleg van nyitva és az áram- és feszültségtüskék igen nagyok. Ez az egyszerű áramkör tehát mindig a folytonos vezetés állapotában van, mivel a kapcsolói közül legalább az egyik állandóan vezet.

1. ábra  Az önmagukat vezérlő szinkronegyenirányítók maguktól nem váltanak nem folytonos flyback üzemmódba

Ahhoz, hogy a szinkronegyenirányítók nem folytonos flyback üzemmódot valósítsanak meg, úgy kell működniük, mint az általuk helyettesített diódáknak – azaz ki kell kapcsolniuk, amint rajtuk az áram iránya megfordul. Ennek hagyományos megközelítése olyan pufferelt (elektronikusan leválasztott) áramváltó transzformátor, amely pozitív meghajtófeszültséget állít elő, amíg az áram a helyes irányba (nyitóirányba) folyik, és ellenkező előjelű meghajtófeszültséget ad, ha az áram iránya ellentétes (záróirányú). Ennek árnyoldala az áramváltó transzformátor ára és mérete, valamint az a maréknyi diszkrét alkatrész, amely a puffer megvalósításához szükséges. 

Néhány cég (köztük a Texas Instruments) integrált áramkört fejlesztett ki, amely egy alternatív megoldás az áramérzékelő meghajtóáramkör céljára – amint az a 2. ábrán is látható. Ebben a szinkronegyenirányítót a transzformátortekercs alsó végére helyezték át, és egy vezérlőáramkör gondoskodik a megfelelő időzítésről és a kapumeghajtásról. Ennek az az előnye, hogy a forráselektróda közvetlenül a földpotenciálra csatlakozik, ezért a kapuelektródát közvetlenül meg lehet hajtani. Mivel az eszköz működése a nyelő- és a forráselektróda közötti feszültség figyelésén alapul, maga az áramkör is hajlamos a kevésbé zajos működésre, hiszen a forráselektródája közvetlenül földpotenciálra csatlakozik. Ezzel az áramkör nem folytonos flyback megoldásként működik, amelynek néhány idealizált jelformája a 2. ábra jobb oldalán látható. Különös figyelmet érdemel a kimeneti egyenirányító feszültségterhelése, amelyet ebben az áramkörben az a nyelőfeszültség (VD) képvisel, amely az IC-re is csatlakozik. Bár a valóságban a feszültség a lengés miatt ennél nagyobb is lehet, de a feszültség ideális esetben egyenlő a „visszatükrözött” (transzformált) bemeneti feszültség és a kimenőfeszültség összegével. Az 5 V-nál nagyobb kimenőfeszültségű áramköröknél vagy széles bemenőfeszültség-tartomány esetén a feszültség könnyen meghaladhatja az IC 50 V-os névleges feszültségmaximumát. 

2. ábra  Az IC-k képesek megfelelően meghajtani egy szinkronegyenirányító kapuelektródáját azáltal, hogy érzékelik a nyelőelektróda-feszültség irányváltását

A 3. ábra egy egyszerű, olcsó, mindössze két többletalkatrészt tartalmazó megoldást mutat annak megvalósítására, hogy az elektróda VD feszültségét egy olyan feszültséggé képezze le, amely már nem lépi túl az IC határértékét. Amint az a 3. ábra jobb oldalán látható, a VD csatlakozópont feszültségét a kimenőfeszültség limitálja. Amikor a primeroldali Q1 MOSFET bekapcsolt állapotban van, a Q2 és a Q3 nyelőelektródáján a feszültség a transzformált bemeneti feszültség és a kimenőfeszültség összege. Mivel a Q3 kapuelektródája a kimenetre csatlakozik, a forráselektróda feszültsége ennél egy dióda küszöbfeszültségével kisebb. Amikor a Q2 bekapcsolódik, a Q3 vágódiódája kinyit, és a forrásfeszültségét a kimeneti feszültség alá húzza, megnövelve a Q3 hatását azzal, hogy a VD csatlakozópont a Q3 nyelő-elektródájához kapcsolódik.

3. ábra  Egy egyszerű megfogó áramkör kiterjeszti a használható kimenőfeszültség-tartományt

Összegzés

Nem folytonos flyback feszültségátalakítót nem lehetséges önmagát vezérlő szinkronegyenirányítóval megvalósítani. Némi áramkörbővítésre van szükség annak eldöntésére, hogy mikor kell a szinkronegyenirányítót bekapcsolni. Ez a kiegészítés lehet egy áramváltós meghajtóáramkör, de egy olyan félvezetős részáramkör is, amely megvalósítja ezt a funkciót. A félvezetős megoldás előnyösebb az ár és a méret szempontjából. Számos gyártó fejlesztett ki erre integrált megoldást, de esetenként egy pufferáramkör megvalósítására is szükség lehet, hogy az integrált áramkört a tápegységekben előforduló nagy áramokhoz és feszültségekhez illessze. 

A sorozat következő cikkében a flyback áramkörökben használt transzformátorok menetszámarányának meghatározásával foglalkozunk. 

Felhívjuk a figyelmet a TI Power Lab Notes blogra (http://www.ti.com/powerlab082013-ca), amely a tervező szempontjából mutat be különféle tápegység-terveket. 

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei: