Microchip Technology Inc
Avtorja: Andreas Reiter in Alex Dumais
2018_259_13
Kako načrtovati digitalno krmiljeno AC-DC napajalno napetost, ki ustreza CSCI specifikacijam platine.
Ta članek bo pokazal, kako ustvariti popolnoma digitalno nadzorovano AC-DC napajanje z močjo 720W, ki ustreza vsem specifikacijam za platinaste proizvode po CSCI, ter zagotavlja funkcije in posebne funkcijske dodatke tudi za specifične aplikacije. Specifikacija proizvodov iz platinaste kategorije velja za enofazne vhodne napajalne napetosti in moči od 500 W do 1 kW, merjeno pri vhodni napetosti 230 V AC. Prav tako določa faktor moči kot funkcijo obremenitve.
Strojna oprema
Prepletanje topologij zagotavlja prednosti, ko so potrebna visoka učinkovitost, zanesljivost in gostota moči. Razdelitev vsake topologije v dveh vzporednih fazah in prepletanje njihovega delovanja s faznim premikom v višini 180˚ zmanjša valovanje toka. Zmanjšanje vrednosti toka od vrha do vrha v prepletenih topologijah so rezultat nižjih obratovalnih temperatur, zaradi česar se posledično zmanjšajo izgube. Ker mora vsaka faza prenašati le polovico celotnega toka, se prevodne izgube bakrenih vezi na tiskanem vezju, kondenzatorjih in induktivnostih zmanjšajo za faktor 4; to je zato, ker se vrednost toka v enačbah za izračun izgub pojavlja kot kvadratna vrednost.
Druga prednost prepletanja več topologij je prepolovljen tok v vsaki fazi, ki ima za posledico manjšo velikost dušilk in transformatorjev ter manjšo velikost tiskanega vezja, MOSFET-ov, hladilnikov in diod.
V tej referenčni izvedbi (glej sliko 1), sta bila stopnja korekcije faktorja moči (PFC) in pretvornik z dvema preklopnima stikaloma zasnovana v dvofazni prepletajoči se arhitekturi.
Prvi sestavni deli, nameščeni na omrežnih sponkah, so dušilke za filtriranje in kondenzator 1μF vzporedno s priključki za dušenje EMI motenj. Zatem sledita dve varovalki, ena na faznem in ena na nevtralnem dovodu. Varistor 470V preko glavnih sponk dodaja zaščito pred prehodnimi napetostnimi konicami.
Stopnja z vhodnim filtrom uporablja dva dodatna filtra, ki sta sestavljena iz dušilke v skupnem načinu delovanja, dveh Y-kondenzatorjev, povezanih na maso in kondenzatorja za preprečevanje motenj na osnovi metaliziranega polipropilenskega filma (X-kondenzator), ki je povezan vzporedno s faznim in nevtralnim vodnikom.
Negativni temperaturni koeficient (NTC) z ničelno upornostjo 10Ω pri 25° C se uporablja za omejitev tokovnih konic pod 40A (tipično 20A). Ta NTC bo premoščen z relejem takoj, ko se napetost stabilizira in krmilnik začne poganjati sistem.
Vhodna napetost je povezana z mostičnim usmernikom z napetostno zmogljivostjo 1,3kV in s tokovno zmogljivostjo 43A. Na izhodnih sponkah tega mostičnega usmernika sta bila za zaščito pred prehodnimi pojavi dodana še en varistor in kondenzator za preprečevanje motenj.
Prepletajoči pretvornik PFC (IPFC), ki je prikazan na sliki 2, uporablja dva identična pretvornika za povečanje napetosti, ki sta povezana vzporedno in imata med sabo za 180 stopinj zamaknjeni fazi.
IPFC stopnja je AC-DC pretvornik, ki izmenično napajalno napetost na vhodu pretvori v regulirano enosmerno visoko napetost na izhodu. PFC stopnja oblikuje tudi tok skozi tuljavo, ki naj bi bil podoben usmerjeni napetosti napajane izmenične napetosti, da se ohrani visok faktor moči in nizko skupno harmonično popačenje. Ta faza deluje v načinu neprekinjenega prevajanja (CCM), s čimer se zmanjša prisotnost harmonikov v vhodnem toku.
Pri PFC topologiji za povečanje napetosti (boost) je potreben en sam MOSFET na nizki strani. Za pogon obeh faz je bil izbran Microchip-ov dvokanalni MOSFET gonilnik MCP14E4 s CMOS push-pull izhodi, ki so sposobni dajati in sprejeti 3,5A pri 12V,.
Za zaznavanje toka sta bila uporabljena dva tokovna transformatorja (CT) z razmerjem med navitji 50: 1. Nameščena sta na ponoru (drain strani) MOSFET tranzistorjev namesto na izvorni (source) strani, s čimer dobimo boljšo povratno informacijo z zmanjšanim nivojem preklopnih motenj.
Vrednost toka se pretvori v napetostni signal s pomočjo 15Ω upora.
Za to CT obremenitev je bila uporabljena vezava s štirimi upori v serijsko-paralelni vezavi – z dvema 15-ohmskima uporoma v serijski in dvema vzporednima uporoma 15Ω – za zmanjšanje relativnih odstopanj shunta, da bi dosegli večjo natančnost. Serijska vezava se istočasno uporablja tudi za deljenje napetosti z dva, ki se vodi naprej na vhode primerjalnika digitalnega signalnega procesorja dsPIC (DSC).
MOSFET tranzistor je 600V močnostni CoolMOS C6 (IPW60R160C6) podjetja Infineon Technologies. Izbrana IPFC dioda je Z-Rec usmernik (C3D20060D), ki je Schottky dioda z osnovo na silicijevem karbidu, proizvajalca CREE. Ta dioda je bila izbrana zaradi svoje povratne napetosti, nizko upornostjo med prevajanjem, nizkim padcem napetosti na njej med prevajanjem in hitre preklopne zmogljivosti. Povratne obnovitvene izgube običajno tvorijo znaten odstotek izgube moči pretvornika. Te izgube se z uporabo diode iz silicijevega karbida drastično zmanjšajo, saj nimajo skoraj nobenega povratnega časa okrevanja.
Slika 3 prikazuje osnovno topologijo z vrisanimi potmi tokov in napetostmi v vezju napajalnega pretvornika s prepletenim načinom delovanja in z dvema (MOSFET) stikaloma.
V nasprotju s topologijo flyback pretvornikov forward pretvorniki uporabljajo napetostne transformatorje, da prenesejo energijo na izhod v času delovanja MOSFET-ov.
Pri pretvorniku z dvema stikaloma se za primarno navitje uporabita MOSFET tranzistorja na visoki in na nizki strani. Oba sta hkrati vklopljena in izklopljena. Takoj, ko se napetost pojavi na primarnem navitju, so vsa navitja pozitivna. Ko je MOSFET Q3 vklopljen, se bo v sekundarnem navitju povečal tok.
Ker lahko tok še vedno teče skozi L1 in C1, prek bremena in po povratni poti skozi D3, se bo tok povečeval vse dotlej, dokler njegova vrednost ne doseže in preseže toka skozi D3. Na tej točki se bo tok prevajanja prek D3 ustavil in napetost VS na sekundarnem navitju se bo pojavila na začetku L1. Ko se to zgodi, se bosta tuljava L1 in izhodni kondenzator C1 napolnila, energija pa se bo pojavila na izhodu.
Ko sta MOSFET tranzistorja Q1 in Q2 izklopljena, se bodo napetosti na vseh navitjih obrnile. Učinek preleta (flyback) med tem procesom praviloma povzroči visokonapetostne konice na primarnem navijanju transformatorja. Te konice ujamemo z vzporednimi diodami D1 in D2. Ti dve diodi vodita energijo, ki je shranjena v magnetnem polju, nazaj v napajalne vode. Ker proces polnjenja in praznjenja traja približno enako časa, njuno razmerje ne sme presegati 50%, ker bi to povzročilo nasičenost jedra transformatorja.
Ko se napetost na sekundarni strani obrne, se MOSFET Q3 izklopi, dušilka L1 pa še naprej poganja tok v kondenzator C1 in breme, kar povzroči, da D3 postane polarizirana v prevodni smeri. V arhitekturi napajalnika s prepletanjem sta fazi A in B komutirani s faznim premikom 180˚. Ker je največje razmerje med njima omejeno na 50%, postane skupni čas, v katerem izhodni tok teče skozi L1, C1 in D3, zelo kratek.
Čeprav bi se lahko krmilno vezje za vrata zasnovalo tudi z neposrednim pogonom na nizki strani in dodatnim transformatorjem za pogon vrat za visoki strani, lahko to povzroči časovne spremembe med obema stikaloma, kar ima za posledico zmanjšano učinkovitost in večjo obremenitev komponent. Zato je lažje uporabiti en transformator z enakim številom vrtljajev na sekundarnem navitju.
Da bi dosegli čim višjo pasovno širino povratne informacije za povečanje zmogljivosti, je bil na visoki strani za povratno informacijo glede toka uporabljen shunt. Ta upor je bil nameščen med izhodnimi kondenzatorji in izhodnim filtrom, da bi čim prej zaznal spremembe v obremenitvi. Za zmanjšanje izgub, ki jih povzroča upornost tega senzorskega upora, sta vzporedno povezana še dva 500 μΩ upora. Povratno informacijo glede trenutnega toka zagotavlja vezje za neprekinjeno spremljanje toka, ki je izvedeno z Microchip-ovim operacijskim ojačevalnikom MCP6H02.
Običajno so pretvorniki za naprej izdelani z eno usmerniško diodo in eno diodo prostega teka. Vendar je bila v tej referenčni izvedbi usmerniška dioda nadomeščena z MOSFET tranzistorjem, s čimer se poveča učinkovitost in izniči zakasnitev signala, ki ga povzroča induktivnost odtekanja na sekundarnem navitju transformatorja.
Izboljšanje učinkovitosti
Če želimo povečati učinkovitost, spremenimo preklopno obdobje PFC stopnje, ko sistem deluje v stanju pripravljenosti, s čimer zmanjšamo preklopne izgube. Frekvenca preklapljanja se dinamično nastavlja glede na trenutno stanje obremenitve. Različne mogoče vrednosti za preklopno obdobje PFC se shranijo v vpogledno tabelo. Vrednosti iz vpogledne tabele so izbrane na podlagi izračunanega referenčnega toka za krmiljenje tokovne zanke.
Uporabljen je bil programski algoritem drhtenja frekvence za izboljšanje rezultatov v zvezi z EMI testi. Z algoritmom drhtenja dosežemo to, tako da se EMI motnje, ki jih sistem povzroča, razpršijo na široko področje različnih frekvenc z uporabo trikotne modulacije stikalne frekvence.
Izhodna napetost v PFC stopnji se zniža pod nivo v stanju pripravljenosti ravnovesjem, s čimer se izboljša učinkovitost pri majhnih obremenitvah. To krmilimo neposredno s sekundarne strani, tako da informacija o toku skozi breme prenese nazaj na primarno stran.
Zaključek
Zelena energija je ena najbolj vročih tem pri razvoju napajalnikov in s tem oskrbi z električno energijo. V tem članku je bila prikazana izvedba referenčne zasnove AC-DC pretvornika z digitalnim krmilnikom signala dsPIC, ki bi bil po CSCI specifikaciji razvrščen v platinski razred.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
www.microchip.com
