Teljesítményelektronikai ötletek – 73

Többet várunk egy flyback-től? A válasz: átlapolt működés

Néha több teljesítményre van szükségünk, mint amit egy hagyományos, bevált topológia nyújtani tud. Ilyenkor a dupla teljesítménykapcsoló és -egyenirányító is megoldást adhat – de ezt is lehet átgondoltan megvalósítani, amint az Robert sorozatának utolsó cikkéből is kiderül.

A flyback a tápegység-topológiák „igáslova”. Kiválóan működik széles bemenőfeszültség-tartományban, alacsony és közepes teljesítményszinteknél és nagy be- és kimenőfeszültségeknél. Kisszámú diszkrét félvezető alkatrészt igényel, mivel csak a fő teljesítménykapcsolót és a kimeneti egyenirányítót kell ezekkel megvalósítani. Hátránya azonban, hogy a kimenőteljesítménye korlátozott, mivel a működése során igen nagy áramok lépnek fel – a használhatóságának legfelső határa nem éri el a 100 W-ot. Ha ennél nagyobb teljesítményt kell előállítani, a tervezők elkezdenek más topológiákat keresni. A nagy teljesítményű flyback-áramköröknél a félvezetők hődisszipációja már olyan magas, hogy egyetlen alkatrésszel nem is lehet megoldani. Több párhuzamosan kapcsolt félvezetőre van szükség, de akkor meg az a nehézség kerül elő, hogy az egyes félvezetőeszközök közötti egyenlő árameloszlásról kell gondoskodni annak érdekében, hogy a hőterhelésük azonos legyen.
A problémát a többfázisú feszültségcsökkentő áramköröknél használt megoldás enyhítheti. A teljesítménykapcsoló és egyenirányító fokozatokat megtöbbszörözzük, de a bemenetek és a kimenetek egy-egy közös pontra kapcsolódnak. A kapcsolási fázisok időben el vannak tolva, amely révén a kondenzátorok áramának hullámossága kioltódik, és az effektív kapcsolási frekvencia is megnövekszik. Ugyanezt a módszert használtuk az 1. ábrán látható flyback-áramkörnél is. A felső kapcsolási rajz mutatja az ismert flyback-áramkört a maga egyszerűségében, míg az alsón az ellenütemű változat kapcsolási rajza látható.

1. ábra Az ellenütemű kialakításnál a kondenzátor áramának hullámossága jelentősen kisebb

 
Első ránézésre az ellenütemű változat kétszer annyi alkatrészt tartalmaz. De ha a módszert használjuk, rendszerint több teljesítményt nyerünk, mint amennyit egyetlen alkatrész tartósan szolgáltatni képes egyfázisú kialakításban, így az alkatrészek száma hasonló lesz. A kapcsolási rajztól jobbra látható diagramon a kondenzátor áramának hullámosságát látjuk; pirossal az egyfázisú, kékkel pedig az ellenütemű megoldás esetén. A kondenzátor áramának váltakozóáramú komponense pozitív előjelű, amikor a teljesítménykapcsoló bekapcsolt állapotban van, és negatív (a kondenzátort kisütő) irányú, amikor a teljesítménykapcsoló kikapcsolt állapotban van. A legrosszabb eset az 50%-os kitöltési tényező, amikor a transzformátoron kikapcsoláskor mérhető feszültség egyenlő a bemeneti feszültséggel. Az ellenütemű megoldásnál viszont ez éppen a legjobb eset. A két fázis 180 fokos fáziseltolással veszi ki az áramot a kondenzátorból, és az áram hullámossága teljesen kioltódik.
A 2. ábra mutatja az áram hullámosságának változását a bemeneti feszültség széles tartományánál. Ezeket a görbéket a következő feltételezésekkel állítottuk elő: a maximális kitöltési tényező 50%, és a transzformátor fluxusának helyreállásakor mérhető (reset) feszültség egyenlő a minimális bemeneti feszültséggel. Az ábrát többféle szempont szerint normalizáltuk: a vízszintes tengelyen a bemeneti feszültséget a reset feszültséghez viszonyítottuk, 4:1 arányú bemeneti feszültségtartományt feltételezve. A függőleges tengelyen pedig azt a normalizálást végeztük el, hogy a bemeneti kondenzátor áramának effektív értékét a legalacsonyabb bemeneti feszültségnél mérhető egyenáramú komponenshez viszonyítottuk (azzal a feltételezéssel élve, hogy ilyenkor a bemeneti feszültség azonos a reset feszültséggel).
Amint azt az előző ábrán láttuk, a bemeneti áram effektív (RMS) értékének legrosszabb, maximális értéke egyfázisú megoldásnál 50%-os kitöltési tényezőnél adódik, amely megfelel annak, hogy a bemenőfeszültség egyenlő a reset feszültséggel (V_IN/V_RESET=1).
Ugyanilyen feltételek mellett, a kétfázisú, ellenütemű megoldással a két teljesítményfokozat áramának váltakozóáramú komponensei kioltják egymást, tehát a bemeneti kondenzátor áramának váltakozó komponense zérus értékű. Ha a hullámossági arány e két érték között van, az egyfázisú megoldás legrosszabb esetben 1-es normalizált arányértéket ad. A kétfázisú esetben a legrosszabb érték nagyjából ennek egyharmadánál adódik. Más szavakkal, a bemeneti kondenzátort az áram hullámosságának egy bizonyos adott mértékéhez választjuk ki, egyharmad akkora kondenzátort kell választanunk, mint amekkora az egyfázisú megoldásnál lenne szükséges.

2. ábra A kétfázisú megoldásban a bemeneti kondenzátor áramának hullámossága kétharmada annak, amit egyfázisú megoldásnál mérhetünk

A kimeneti kondenzátornál hasonló eredmény adódik, ha annak értékét egyedül csak a kimeneti áram hullámosságának mértéke alapján határoznánk meg. Ha viszont a feszültség hullámossága és az egyenértékű soros ellenállás (Equivalent Series Resistance – ESR) alapján választunk, a kétfázisú megoldásban az áram hullámosságának csúcstól csúcsig mérthető értéke fele akkora, mint az egyfázisú esetben. Következésképpen ugyanakkora hullámossághoz elég fele akkora kapacitású kondenzátort választani.
A 3. ábra egy ellenütemű vezérlőáramkörrel megvalósított, ellenütemű flyback feszültségátalakítót mutat. Az áramkör egyenirányított, univerzális váltakozófeszültségről működik, és nagyjából 150 W kimenőteljesítményt állít elő. Úgy gondoltam, hogy a 36 V/4 A-es kimenet túl sok egyetlen egyenirányítónak. Ezért kettőt terveztem be párhuzamosan kapcsolva, de úgy döntöttem, hogy az áramok egyenlő eloszlása miatt^[1] végül egy ellenütemű megoldást valósítok meg, amelyet egy áramüzemmódú, ellenütemű kontroller vezérel.
Az egyes fázisáramok érzékelését söntellenállásokkal oldottam meg, és ezeket a jeleket kombinálva állítottam elő a vezérlőáramkör egyetlen áramérzékelő bemenetére kapcsolt jelet. Mivel a csúcsáramok nagyjából egyenlőknek bizonyultak, a teljesítménykapcsolók és az egyenirányítók hőterhelése is közel egyenlően oszlott meg.

Összegzés

A flyback-átalakítók átlapolt, ellenütemű kialakításának több előnye van. Csökkenti a bemeneti és kimeneti szűrőkondenzátorok áramának hullámosságát. Ezzel pedig vagy költséget takaríthatunk meg, vagy pedig csökkenthetjük a tápegység kimenőfeszültségének hullámosságát. Ráadásul a tápegység effektív kapcsolási frekvenciája is megnövekszik. Ez pedig azzal az előnnyel jár, hogy csökkenthetjük a tápegység kapcsolási frekvenciáját, és ezzel a kapcsolási veszteségeket, vagy pedig kihasználjuk a magasabb effektív kapcsolási frekvenciát, és ezzel a szűrés iránti követelményeket – és annak költségeit – csökkenthetjük. Az ellenütemű működés szétosztja az alkatrészek között a veszteségi hőt is, egyszerűbbé téve annak elvezetését. Végül pedig csökken a transzformátorok magassági mérete is, mivel a transzformátorok térfogatát az átvitt teljesítmény határozza meg.
A két transzformátor egyenként a teljes kimenőteljesítmény felét kezeli, így a magassága egyetlen transzformátorénak kb. 80%-a (0,53=0,8). Hátrányos ugyanakkor, hogy az ellenütemű áramkörhöz két transzformátor szükséges. Viszont ez az egyetlen többletalkatrész az 1. ábrán látható egyfázisú megoldás anyagszükségletéhez képest, ráadásul az egyfázisú megoldáshoz további alkatrészeket kell beépíteni ahhoz, hogy alkalmazkodni tudjon a nagyobb teljesítménydisszipáció okozta nehézségekhez. Az ellenütemű megoldás javára szól az is, hogy az áramüzemmódú vezérlés lehetővé teszi az áramok egyenlő eloszlásának biztosítását, amely a MOSFET-ek és a diódák közötti hődisszipáció egyenlő eloszlásához is hozzásegít.

3. ábra Ellenütemű vezérlővel megvalósított átlapolt (ellenütemű) DC/DC-átalakító

Számos ellenütemű flyback megoldás áll rendelkezésre (például a PMP5871 és a PMP9063), és ha már úgyis meglátogatja a Texas Instruments weblapját, tájékozódhat néhány további referenciatervről is, amelyet a felhasználó általi szabad felhasználásra terveztünk, építettünk, teszteltünk és dokumentáltunk.

Minden jó dolog véget ér egyszer, így az én munkásságom is, amelyet a Texas Instruments teljesítményelektronikai mérnökeként folytattam. Visszavonulásom után a Karib-tengert járom majd a „Power Play” nevű hajóm fedélzetén. Szeretném megköszönni az olvasóknak az elmúlt évek során tanúsított érdeklődését, és csak bátorítani tudom őket, hogy továbbra is örömük teljen abban a munkában, amit a teljesítményelektronika érdekes világában folytatnak. Ez a terület számomra is nagy örömet nyújtott a pályafutásom során. Amint azt a tápegységekről mondani szokás, mindegyikünknek van egy, amiről általában nem szívesen beszélünk…

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei:

^[1]Egy kicsit bővebben: a nagyobb áramterhelésű egyenirányító jobban melegszik, és mivel a pn-átmenet ellenállása a hőmérséklet növekedésével csökken, a nagyobb terhelésű egyenirányító ellenálása nagyobb mértékben csökken, azon még több áram folyik. A kialakuló pozitív visszacsatolásos folyamat miatt az áramnak eleve nagyobb részét hordozó egyenirányító egyre nagyobb áramot vesz magára, míg végül termikusan túlterhelődik. – A ford. megj.