Teljesítményelektronikai ötletek – 70

A szinkron feszültségnövelő konverter a magas/alacsony átmenetet „szenvedi meg”

Robert cikksorozatának ebben a részében egy aránylag ritkán vizsgált, mégis jelentős kérdésre keresi a választ: mi történik, amikor egy szinkron feszültségnövelő DC/DC-átalakító teljesítménykapcsolója magas szintről alacsonyra kapcsol.

Ha a szinkron feszültségcsökkentő szabályozó kapcsolási hullámformáira vagyunk kíváncsiak, számos ezzel foglalkozó irodalmi hivatkozásra bukkanhatunk. A feszültségnövelőkről viszont alig esik szó. Pedig ha megvizsgáljuk az utóbbit, azt találjuk, hogy a „munkavégzés” akkor történik, amikor a felső oldali fet bekapcsolt állapotból kikapcsoltba, az alsó oldali pedig kikapcsolt állapotból bekapcsoltba vált. Azt találjuk, hogy a kapcsolt csomópont „szabadon fut” az alacsony szintről magasra történő átkapcsolás alatt. Lényegében tehát a kimenetre energiát továbbító átmenet felcserélődik a szinkron feszültségcsökkentő átalakítókhoz viszonyítva.
Az 1. ábra mutatja azt a feszültségnövelő átalakítót, amelyet a további ábrákon látható jelalakok előállítására használtunk. Ennek az áramkörnek a bemenőfeszültsége 5 V, és ebből állít elő 12 V-os, 50 W-tal terhelhető kimenetet. A konverterben olyan integrált áramkört alkalmaztunk, amelyet kifejezetten a feszültségnövelő topológiák megvalósítására terveztek. Ez magában foglalja azt az időzítést, amely minimálisra csökkenti azt az időt, amíg a felső oldali kapcsoló testdiódája vezet, kapumeghajtót tartalmaz a gyors, kis veszteségű kapcsolás végrehajtásához és visszacsatolást is megvalósít a kimenet szabályozásához.

1. ábra A feszültségnövelő átalakítóban alkalmazott szinkronegyenirányító növeli a hatásfokot

Az áramkör egy másik kulcsfontosságú tulajdonsága, hogy nagyon gyors, kis bekapcsolási ellenállású MOSFET-et alkalmaz, amely ugyancsak a konverter hatásfokát növeli. A hullámformákat, amelyeket elemezni fogunk, ennek a konverternek a folytonos vezetési üzemmódjában mértük, olyan feltétellel, hogy az áramirány soha sem fordul meg.
Az áramkör működésének vizsgálatát akkor kezdjük, amikor a Q2 bekapcsol, hogy engedje az áramot „felépülni” az induktivitásban. Ezt követően a Q2 kikapcsol, és az induktivitás feszültsége előjelet vált, és az energiát a kimenetre irányítja egészen addig, míg a Q1 nem megy vezetésbe. Állandósult állapotban az induktivitás fluxusának egyensúlyban kell lennie, amelyet egyszerű függvénykapcsolat ír le:

A 2. ábra mutatja a feszültség jelalakját az áramkörben, miközben a kapcsolt csomópont alacsony szintről magasra vált. A bal oldalon az alsó oldali kapcsoló kapuelektróda-meghajtója az alsó oldali (Low Side – LS) fetet (Q2-t) bekapcsolt állapotban tartja. Amikor a fet kikapcsol, a kapcsolt csomópont veszteségmentesen töltődik az induktivitásból, egészen addig, míg a felső oldali (High Side – HS) fet (Q1) testdiódája vezetni nem kezd.
Körülbelül 40 ns-mal később a HS fet bekapcsol, és ezzel rövidre zárja a saját testdiódáját. Ennél az átmenetnél a veszteség a HS és az LS kapumeghajtójának veszteségeiből, és a HS vezető állapotú testdiódáján fellépő veszteségből áll. Érdemes megemlíteni, hogy a mintaáramkörben használt fetek aránylag alacsony kapumeghajtó teljesítményt igényelnek. „Értékszámuk” (Figure of Merit – FoM), azaz a bekapcsolási ellenállásuk és a kaputöltés szorzata a jobbak közül való, amely tovább fokozza azt a képességüket, hogy alacsony kapumeghajtó feszültséget (esetünkben 5 V-ot) alkalmazhassunk.

2. ábra A feszültségnövelő konverter kapcsolási pontján az alacsony/magas átmenetnél kicsi a veszteség

A testdióda vezetésénél fellépő veszteség nem olyan kritikus, mint a kisfeszültségű feszültségcsökkentő átalakítóknál. Miközben a testdióda vezet, az egyenirányítás hatásfoka: V_out/(V_out+V_testdióda). Egy egyvoltos diódafeszültség egy 12 V-os feszültségnövelő konverternél kevesebbet számít, mint egy 1 V-os feszültségcsökkentőnél.
A kapcsolási pont feszültségének magasról alacsony értékre való átkapcsolása közel sem ilyen „jóindulatú”. Ez a feszültségcsökkentő átalakító alacsonyból magas szintre való átmenetét utánozza. A kapcsolófet komoly igénybevételnek van kitéve. Amikor bekapcsoljuk olyan állapotban, hogy feszültség esik rajta, ki kell sütnie a nyitóirányban előfeszített testdióda rétegében tárolt töltést. Ezután a kapcsolt pont kapacitását kell feltöltenie a teljes kimeneti feszültségre.

3. ábra A kapcsolási ponton az alacsony/magas átmenetnél nagy veszteség keletkezik

A 3. ábra mutatja a tipikus hullámformát, kezdve azzal az állapottal, hogy a HS be van kapcsolva. Amikor a HS kapumeghajtója alacsony értékre vált és a kapcsolt pont feszültsége növekedni kezd, jelzi a testdióda vezető állapotát. A „pokol akkor szabadul el”, amikor az LS kapcsoló bekapcsol.
Az LS kapumeghajtó feszültsége eléri az alsó oldali kapcsoló küszöbfelszültségét, és a kapcsolón áram kezd folyni. Az áram felfutási sebességét vagy a teljes kapuellenállás és a rajta átfolyó töltés, vagy pedig a forrás induktivitása és a teljesítményfet meredeksége korlátozza. Mindkét esetben az LS árama addig növekszik, amíg egyenlő nem lesz az induktivitás áramával. Ebben a pillanatban a HS fet árama irányt vált, és elkezdi kisütni a HS testdiódájában záróirányú előfeszítésnél tárolt töltést.
A feszültség az alsó oldali feten nagyjából egyenlő a bemeneti feszültséggel, körülbelül a záróirányú töltéstárolási feszültség feléig. Utána 0 V-hoz tart, amint a kapcsolt pont kapacitása kisül. Ez a feszültségnövelő átalakító nagy veszteségű átmenete.
Az LS fet úgy kapcsolódik be, hogy teljes feszültség van rajta. Az áram ekkor növekedni kezd egészen addig, amíg meg nem haladja az induktivitás áramát, és ebben a pillanatban kisüti a testdiódában tárolt töltést. És csak ezt követően sül ki végül a kapcsolt pont kapacitása.

Összegzés

A szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-konverterhez hasonlóan a szinkron feszültségnövelő átalakítóknak is van egy „könnyű” és egy „nehéz” átmenete.
Az alacsony szintről magasra váltáskor az induktivitás fordított polaritású meghajtása miatt alacsony a veszteség. A magasról alacsonyra váltáskor viszont nem az: az alsó oldali kapcsolón annak bekapcsolásakor rajta van a teljes kimeneti feszültség, és ki kell sütnie a MOSFET testdiódájának rétegkapacitásában tárolt töltést, továbbá meg kell hajtania a kapcsolt pont kapacitását is.
A mintaáramkörről több részletet tudhat meg az olvasó a Texas Instruments honapjának PowerLab blogján található http://www.ti.com/tool/pmp8921 posztból – és ha már úgyis ott jár, megnézhet még néhányat az ott található 1200 megépített, tesztelt és dokumentált referenciaterv közül.

Sorozatunk következő cikkében megvizsgáljuk azokat az előnyöket, amelyek egy több tápegységet tartalmazó tápellátó rendszer kapcsolási frekvenciáinak szinkronizálásától várhatók.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei: