5. junij, 2018

Nove stikalne topologije za visokoučinkovite močnostne pretvornike

eestecRutronik GmbH
Avtor: Dr. Ralf Hauschild
Soavtor: Wolfgang Sayer
2018_264_22

Pri razvoju cenovno ugodnih močnostnih elektronskih sistemov z visoko energijsko gostoto je odločilnega pomena energetska učinkovitost. Obstaja hitro pravilo: Če se zmanjšajo izgube moči, se zmanjšajo tudi stroški, saj to pomeni manjšo potrebo po hlajenju in je mogoče uporabiti bolj kompaktne pasivne komponente, če je hkrati mogoče delati z višjo stikalno frekvenco. Z nekaterimi tehnikami lahko razvijalci bistveno zmanjšajo stikalne izgube močnostnih pretvornikov, s tem pa tudi stroške.

264 22 02 150x150 - Nove stikalne topologije za visokoučinkovite močnostne pretvornikePomemben sestavni del vsakega fotonapetostnega sistema je razsmernik. Ta pretvori enosmerno v izmenično napetost. Na njegov izkoristek močno vplivajo stikalne izgube močnostnih tranzistorjev.

Optimalen izkoristek lahko dosežemo s pravo topologijo stikalnega tokokroga in s pravilno izbiro komponent. Za izboljšanje izkoristka se vedno pogosteje uporabljajo tranzistorji iz materialov s širokim prepovedanim pasom, na primer GaN in SiC. Težava: Take tehnologije so bistveno dražje od silicijevih komponent.

Cenovno ugoden sistem zato zahteva inovacije v zasnovi stikalnega tokokroga, ki omogočajo največji možni izkoristek pri uporabi silicijevih komponent.

Optimizacija izkoristka: Primer za polovični mostič

264 22 01 300x108 - Nove stikalne topologije za visokoučinkovite močnostne pretvornike

Slika 1

Primer za polovični mostič kaže, kako je mogoče optimizirati izkoristek razsmernika z občutnim zmanjšanjem stikalnih izgub. Pri tem opazujemo komutacijo toka z zaščitne diode izklapljajočega se zgornjega stikalnega tranzistorja na spodnji stikalni tranzistor (slika 1).

Poleg ohmskih izgub prihaja do stikalnih izgub zaradi še dveh mehanizmov: Prvega povzroči preklopni naboj (Reverse Recovery) na zaščitni diodi (Qrr), ki povzroči tokovno konico na spodnjem stikalnem tranzistorju, ki se je ravnokar vključil in začel prevajati. Drugega povzroči konica toka zaradi preklopa na izhodni kapacitivnosti (COSS) pravkar zaprtega zgornjega tranzistorja.

Na sliki 2 sta prikazani dve stikalni topologiji: Synchronous Reverse Blocking (sinhrona zapora ob preklopu – SRB) in Advanced SRB (napredna sinhrona zapora ob preklopu – A-SRB), ki močno zmanjšata mehanizme, ki povzročajo stikalne izgube.

264 22 03 300x191 - Nove stikalne topologije za visokoučinkovite močnostne pretvornike

Slika 2

Pri sinhroni zapori ob preklopu (SRB) se z zaporedno vezanim drugim stikalnim tranzistorjem Q2 prekine povratni tok zaščitne diode stikalnega tranzistorja Q1. Krmiljenje Q2 poteka sinhrono s Q1. Povratni tok prenaša vzporedna Schottkyjeva dioda iz silicijevega karbida (SiC) z visoko prebojno napetostjo in zelo nizkim preklopnim nabojem. S tem se bistveno zmanjša učinek naboja Qrr. Zaščitna dioda na tranzistorju Q2 je obrnjena tako, da na tem tranzistorju ne more nastati visoka napetost. To pomeni, da zadošča nizkonapetostna izvedba (60 V).
Pri napredni topologiji SRB (A-SRB) se bistveno zmanjšajo izgube, ki nastanejo zaradi preklopa izhodne kapacitivnosti Q1 na nizko napetost. Izhodna kapacitivnost COSS je močno odvisna od napetosti med ponorom in izvorom VDS. Če na primer VDS povišamo z 0 na približno 40 V, se kapacitivnost s tem zmanjša za faktor 100. Ta karakteristika pomeni, da izgubni tok iz Q1 med preklopom teče predvsem v območju nizkih napetosti VDS. Nizka napetost na Q1 pa hkrati pomeni visoko napetost na zdaj prevodnem spodnjem tranzistorju polovičnega mostiča. Zaradi tega se na njem zaradi konice toka ustvari visoka izgubna moč.

Če namesto tega COSS tranzistorja Q1 napolnimo na primer na napetost 40 V, preden vklopimo spodnji stikalni tranzistor polovičnega mostiča, večina toka polnjenja ne bo stekla skozi ta tranzistor in zato ne more povzročiti izgub. Predhodno polnjenje je izvedeno z dodatnim virom napetosti, ki je realiziran s črpalko naboja v integriranem vezju za krmiljenje vrat.

Slika 3 kaže ključne komponente stikalne topologije A-SRB. Sam stikalni tranzistor (Q1) je visokonapetostnega tipa Superjunction DTMOS IV z zaporno napetostjo na primer 650 V. S tranzistorjem Q1 je zaporedno vezan pomožni tranzistor Q2 nizkonapetostnega tipa Superjunction UMOS VIII z zaporno napetostjo 60 V. Kot zaščitna dioda se uporablja Schottkyjeva dioda SiC z zelo nizkim preklopnim nabojem. Krmiljenje te posebne stikalne topologije je izvedeno z namenskim krmilnim integriranim vezjem T1HZ1F. To integrirano vezje iz vhodnega signala PWM ustvari vse potrebne krmilne signale za vrata tranzistorjev, pa tudi impulz za polnjenje izhodne kapacitivnosti Q1.

Tehnologija A-SRB iz podjetja Toshiba bistveno zmanjša stikalne izgube. Zaradi tega je primerna za najrazličnejše načine uporabe, na primer razsmernike za fotonapetostne sisteme, pretvornike DC/DC, popravljanje faktorja moči (PFC) in krmiljenje pogonov. Slika 4 kaže nekaj topologij močnostnih pretvornikov, pri katerih je mogoče uporabiti topologijo A-SRB. Svetlo označene tranzistorje je treba preprosto zamenjati s stikalno topologijo A-SRB na sliki 3.

264 22 04 300x170 - Nove stikalne topologije za visokoučinkovite močnostne pretvornike

Slika 3

Za demonstracijo učinkovitosti tehnologije A-SRB smo opravili simulacije SPICE mostiča razsmernika (topologija H4) z in brez topologije A-SRB. Slika 5 kaže izboljšanje, ki ga doseže topologija A-SRB pri bipolarni modulaciji in različnih izhodnih močeh ter frekvencah. Kot stikalni tranzistor je uporabljen tip Toshiba DTMOS IV z nizko upornostjo RDS(on) (100 A, 600 V). Topologija A-SRB zmanjšuje stikalne izgube, zato je izboljšanje izkoristka najbolj očitno pri visokih stikalnih frekvencah. V tem primeru se izkoristek v najboljšem primeru poveča za približno 6 %.

Glavni del sistema, razsmerniški mostič s funkcijo A-SRB, je mogoče realizirati na različne načine glede na nazivno moč. Podjetje Toshiba ponuja za modularne razsmernike z vhodno močjo največ približno 300 W modularno rešitev T1JM4. Ta enota je celoten polovični mostič skupaj z vezji za krmiljenje vrat s funkcijo A-SRB, stikalnimi tranzistorji in Schottkyjevimi diodami SiC. Za razsmernike za fotonapetostne sisteme z višjimi vhodnimi močmi do približno 5 kW so na voljo diskretna krmilna integrirana vezja v kompletu s stikalnimi elementi.

Zaključek

264 22 05 300x142 - Nove stikalne topologije za visokoučinkovite močnostne pretvornike

Slika 4

Za optimizacijo stroškov močnostnih elektronskih sistemov je treba učinkovito zmanjšati izgube. Pametno upravljanje izgubne moči omogoča izvedbo cenovno ugodnih sistemov na podlagi preverjene silicijeve tehnologije z izboljšano gostoto moči in višjim izkoristkom energije. Tehnologija A-SRB iz podjetja Toshiba zagotavlja občutno izboljšanje izkoristka. Zaradi tega ni primerna le za razsmernike za fotonapetostne sisteme, ampak tudi za številne druge načine uporabe na področju močnostne elektronike, na primer pretvornike DC/DC, kompenzacijo jalove moči in motorne pogone.

Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
www.rutronik.com
Tags: