Reducerea emisiei de carbon şi a costului în conversia DC-DC

3 MAI 2012

Trecerea la un control complet digital al convertoarelor DC-DC conduce la randamente mai mari şi noi topologii, au explicat Charlie Ice, Product Marketing Manager şi Ramesh Kankanala, inginer principal de aplicaţii de la Microchip.

Creşterea preţului energiei şi necesitatea scăderii emisiilor de carbon în vederea salvării planetei, i-au forţat pe producătorii de surse de tensiune să găsească noi randamente, ce trec mult dincolo de cele disponibile numai cu cele mai avansate scheme analogice. În Europa şi America de Nord, regulile ce guvernează consumul de energie acoperă acum o plajă de nivele de sarcină, în vreme ce staţiile de distribuţie şi alte industrii îşi unesc vocile pentru a cere o eficienţă mai bună a energiei.
Ca răspuns la aceste cerinţe, producătorii de surse de tensiune au crescut utilizarea controlului complet digital al convertoarelor DC-DC. O soluţie digitală combină controlul mai precis cu sarcini avansate de management al sistemului, pentru a obţine randamente ridicate şi pentru a permite noi funcţii.
În modelul cu control digital, semnalele PWM pentru controlul nivelului de putere sunt generate direct de un controler de semnal digital (DSC) programabil, pe lângă alte sarcini precum: înregistrare de date, comunicaţie şi raportare erori de funcţionare. Acest lucru oferă proiectanţilor de surse de tensiune flexibilitatea de a programa metode avansate de control cu DSC, şi de a implementa clienţilor finali funcţii de înregistrare de date şi standarde de comunicaţie. Flexibilitatea ine­rentă într-un DSC îl face uşor de implementat într-o topologie PSFB (Phase-Shifted Full-Bridge) ce pro­mite eficienţe energetice mai mari pentru convertoarele DC-DC în proiecte de înaltă frecvenţă.

Topologia PSFB (phase-shifted full-bridge)
Curentul de comutaţie şi curentul primar al convertorului cu punte H sunt aproximativ jumătate din valorile pentru un convertor cu un singur braţ de punte pentru orice pu­tere dată. Figura 1 arată cum este configurat un convertor cu punte H utilizând patru comutatoare: comutatoarele de pe diagonală Q1, Q4 şi Q2, Q3 sunt simultan comutate ON pentru a furniza o tensiune de intrare completă (VIN) pe înfăşurarea primară a transformatorului.

Figura 1: Convertor cu punte H

După cum diagonalele comută ON pe durata fiecărei jumătăţi de ciclu a convertorului, polaritatea transformatorului se inversează.

Figura 2: Convertor PSFB

Această reducere de curent face convertorul cu punte H potrivit pentru nivele ridicate de putere, cu toate că aceste comutatoare diagonale sunt puternic comutate, ceea ce conduce la pierderi de comutaţie ON şi OFF ridicate. Deoarece aceste pierderi cresc cu frecvenţa, va exista efectiv o limită superioară a frec­venţei pentru circuit. Aceasta limi­tează abilitatea inginerilor proiec­tanţi de surse de tensiune de a obţine randamente energetice mai mari de la scheme ce utilizează comutatoare conectate cu fire.

PSFB cu comutaţie soft
Cele mai recente DSC-uri oferă proiectanţilor libertatea de a utiliza frecvenţe mai mari de operare şi de a reduce numărul de componente magnetice şi de condensatoare de filtrare în sursele lor de alimentare. Cu toate acestea, frecvenţe mai mari înseamnă pierderi mai mari. Iată de ce abordarea complexităţii unei topologii de comutaţie soft poate oferi beneficii duale de scădere a pierderilor de comutaţie şi de creştere a densităţii de putere.
Topologia de convertor PSFB cu comutaţie soft utilizează elemente pasive precum condensatoare de ieşire pentru MOSFET şi IGBT, şi inductanţa de dispersie a transformatoarelor pentru a obţine o tran­ziţie rezonantă. Această rezo­nanţă va plasa tensiune 0 pe dispozitivele de comutaţie atunci când ele sunt trecute în stare ON, ceea ce va elimi­na efectiv pierderile de comutaţie la trecerea în această stare. Aceste economii de energie sunt motivul pentru care convertoarele PSFB sunt utilizate în aplicaţii server şi de telecomunicaţii, în care densitatea şi randamentul convertorului sunt cruciale. Utilizând un DSC pentru controlul PSFB se poate îmbunătăţi şi mai mult performanţa discutată.

PSFB convenţional cu comandă sincronă prin porţi MOSFET
Majoritatea convertoarelor DC-DC sunt proiectate cu transformatoare de izolaţie pentru siguranţa utilizatorului şi pentru a răspunde nor­melor de siguranţă. Sursele de tensiune cu valori nominale mari sunt proiectate cu topologie PSFB în zona primarului şi un redresor sincron dublă alternanţă în secundar pentru a obţine randamente ridicate.
În convertoarele PSFB controlate în configuraţii tradiţionale cu MOSFET sincrone, porţile MOSFET Q1, Q3 sau Q2, Q4 trebuie să fie ON. În acel moment nu există transfer energetic între primar şi secundar, iar MOSFET Q5 este încă în stare ON.
Prezenţa unui inductor (Lo) în secundarul convertorului, înseamnă că energia pe inductorul de ieşire este circulată prin MOSFET-ul Q5 şi înfăşurarea secundară a transformatorului (Tx). Curentul continuă să treacă prin înfăşurările secundare ale transformatorului, fir prin canalul MOSFET-ului, fie prin dio­dele MOSFET-ului. Datorită influen­ţei curentului din secundar în primar, există circulaţie de curent şi în stare 0 în primar, conducând la stări de transfer non-energetic din primar în secundar, cauzând pierderi în convertor. Aceste pierderi de curent circulant sunt predominante la tensiuni mai mari decât tensiunile de intrare nominale. Pentru a evita conducţia încrucişată, există o bandă moartă intenţionată între comenzile porţilor MOSFET Q5 şi Q6. Pe durata acestei perioade, nici unul dintre MOSFET-uri nu conduce, iar curentul ia calea diodelor din MOSFET. Acestea au o cădere de tensiune ridicată comparativ cu rezistenţa de ON (Rds(ON)) a MOSFET-ului, ceea ce conduce la:

(VF * I) >> (I2rms* Rds(on))

Prin utilizarea suprapunerii semnalelor de comandă pe poartă se pot preveni pierderile mari întâlnite în sistemele convenţionale cu porţi sincrone.

Suprapunerea semnalelor de comandă pe porţile MOSFET-urilor sincrone
Pierderile ce apar pe durata stării zero a primarului transformatorului pot fi evitate prin suprapunerea comenzii PWM pe poarta MOSFET-urilor sincrone. Această acţiune creşte randamentul sursei de tensiune în 3 moduri. În primul rând, într-un redresor dublă alternanţă cu priză me­diană, suprapunerea MOSFET-urilor sincrone conduce la oprirea

Figura 3: Configuraţia uzuală a comenzii cu porţi MOSFET sincrone

fluxului în bobinele cu priză mediană ale secundarului transformatorului, asigu­rând efectiv că nu există scurgeri dinspre secundar către primar. Al doilea motiv este acela că două MOSFET-uri sincrone şi două transformatoare cu priză mediană conduc simultan, faţă de un MOSFET sincron şi un transformator cu bobină cu priză medi­ană. De aceea curentul secundar va avea numai o jumătate din rezis­tenţa efectivă, iar pierderile sunt reduse la jumătate comparativ cu situ­aţia unui singur MOSFET sincron ON.

Figura 4: Eficienţă îmbunătăţită prin suprapunerea driverelor de poartă MOSFET sincrone

În cele din urmă, la metoda conven­ţională de comutaţie, perioada intenţionată de timp mort poate fi de aproximativ 10% din comutaţie, vreme în care curentul mare din secundar trece prin diodele polarizate direct ale MOSFET-ului. Prin confi­gurarea suprapunerii comenzii de poartă PWM a MOSFET-ului, curentul mare din secundar trece prin canalul MOSFET.
În acest caz vor fi doar pierderile de Rds(ON), mult mai mici decât pierderile ce apar pe diodele MOSFET-ului în timpul mort. Pentru un sistem cu intrare telecom de la 36 la 76VDC, suprapunerea poate îmbu­nătăţi randamentul convertorului DC-DC cu 3% – 4%.

Cale de viitor
Următoarele generaţii de surse de tensiune vor avea nevoie să utilizeze noile topologii şi noile tehnici de control pentru a furniza un control mai exact, adăugând în acelaşi timp noi funcţionalităţi. Un controler flexibil de sursă de tensiune, cu ieşiri PWM complet independente, este cheia implementării tehnicilor precum suprapunerea MOSFET-urilor sincrone, ceea ce poate asigura randamente mai bune pentru convertoarele DC-DC. DSC-urile precum cele din familia Microchip dsPIC® , sunt optimizate şi gata de a conduce convertoarele DC-DC către noi nivele de randament, răspunzând imperativelor comerciale şi ambiţiilor “green” impuse de costurile ridicate ale energiei şi de necesitatea controlului emisiilor de carbon.

Bibliografie:
• Microchip Application Note AN1335, “Phase-Shifted Full-Bridge (PSFB) Quarter Brick DC/DC Converter Reference Design Using a dsPIC® DSC.”

www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre