Anahtarlamalı güç kaynağındaki çeşitli kayıplar üzerine araştırma
Anahtarlamalı güç kaynağının verimliliğini iyileştirmek için, anahtarlamalı güç kaynağı içindeki ana kayıplar ayırt edilmeli ve kabaca tahmin edilmelidir. Anahtarlama güç kaynağı içindeki kayıp kabaca dört kısma ayrılabilir: anahtarlama kaybı, iletim kaybı, ek kayıp ve direnç kaybı. Bu kayıplar genellikle, aşağıda ayrıca tartışılacak olan kayıplı bileşenlerde aynı anda meydana gelir.
Güç anahtarlamayla ilgili kayıplar
Güç anahtarı, tipik bir anahtarlama güç kaynağı içindeki iki ana kayıp kaynağından biridir. Kayıp temel olarak iki kısma ayrılabilir: iletim kaybı ve anahtarlama kaybı. İletim kaybı, güç cihazı açıldıktan ve sürüş ve anahtarlama dalga formları stabilize olduktan sonra güç anahtarı iletim durumunda olduğunda kayıptır; anahtarlama kaybı, güç anahtarı çalıştırıldığında ve yeni bir çalışma durumuna girdiğinde, sürüş ve anahtarlamadır. Dalga formu geçiş sürecindeyken kayıp. Bu aşamalar ve dalga biçimleri Şekil 1'de gösterilmektedir.
İletim kaybı, anahtar boyunca voltaj ve akım dalga biçiminin çarpımı ile ölçülebilir. Bu dalga formları yaklaşık olarak doğrusaldır ve iletim periyodu sırasındaki güç kaybı denklem (1) ile verilmiştir.
Bu kaybı kontrol etmenin tipik yolu, güç anahtarının açık olduğu süre boyunca voltaj düşüşünü en aza indirmektir. Bu amaca ulaşmak için, tasarımcı anahtarın doymuş bir durumda çalışmasını sağlamalıdır. Bu koşullar, kollektör veya boşaltma akımının güç anahtarının kendisinden ziyade harici bileşenler tarafından kontrol edilmesini sağlamak için taban veya kapı aşırı akımıyla tahrik edilen denklemler (2a) ve (2b) tarafından verilmektedir.
Güç kaynağının değiştirilmesi sırasındaki anahtarlama kaybı, yalnızca kendi faktörleri nedeniyle değil, aynı zamanda ilgili bileşenler nedeniyle de daha karmaşıktır. Kayıpla ilgili dalga biçimleri yalnızca boşaltma kaynağının (toplayıcı-yayıcı) ucuna bağlı bir voltaj probu olan bir osiloskopla gözlemlenebilir ve bir AC akım probu drenaj veya kolektör akımını ölçebilir. Her bir anahtarlama momentinin kaybını ölçerken, korumalı bir kısa uçlu prob kullanmalısınız, çünkü uzunluktaki herhangi bir korumasız kablo, gerçek dalga biçimini doğru bir şekilde gösteremeyen diğer güç kaynaklarından gürültü getirebilir. İyi bir dalga formu elde ettiğinizde, bu iki eğrinin çevrelediği alanı kabaca hesaplamak için basit bir üçgen ve dikdörtgen bölümlü toplama yöntemi kullanabilirsiniz. Örneğin, Şekil 1'deki açılma kaybı, denklem (3) kullanılarak hesaplanabilir.
Bu sonuç, yalnızca güç anahtarının açılması sırasındaki kayıp değerinin yanı sıra anahtar sırasında toplam kaybı elde etmek için kapatma ve iletim kayıplarıdır.
Çıkış redresörü ile ilgili kayıplar
Tipik bir senkron olmayan redresör anahtarlama güç kaynağı içindeki toplam kayıpta, çıkış redresörünün kaybı toplam kaybın% 40 -% 65'ini oluşturur. Bu yüzden bu bölümü anlamak çok önemli. Çıkış redresörü ile ilgili dalga formlarını Şekil 2'de görebilirsiniz.
Doğrultucu kaybı da üç bölüme ayrılabilir: açma kaybı, iletim kaybı ve kapatma kaybı.
Doğrultucunun iletim kaybı, doğrultucu açıldığında ve akım ve gerilim dalga biçimleri kararlı olduğunda kayıptır. Bu kaybın bastırılması, belirli bir akım aktığında en düşük ileri voltaj düşüşüne sahip doğrultucu seçilerek elde edilir. PN diyotunun daha düz bir ileri VI karakteristiği vardır, ancak voltaj düşüşü nispeten yüksektir (0.7 1.1V); Schottky diyotu daha düşük bir dönüş voltajına (O.3 0.6V) sahiptir, ancak voltaj-akım karakteristiği çok dik değildir. Bu, akım arttıkça ileri voltajının bir PN diyotundan daha hızlı arttığı anlamına gelir. Dalga formundaki geçiş süreci dikdörtgen ve üçgen alanlara bölünmüştür ve bu kayıp denklem (3) kullanılarak hesaplanabilir.
Çıkış redresörünün anahtarlama kayıplarının analizi çok daha karmaşıktır. Doğrultucunun kendine özgü özellikleri, yerel devrede birçok soruna neden olabilir.
Açma sırasında, geçiş süreci doğrultucunun ileri geri kazanım özellikleri tarafından belirlenir. İleri geri kazanım süresi tfrr, ileri akım akmaya başlayana kadar ileri voltajın diyot boyunca akması için geçen süredir. PN tipi hızlı kurtarma diyotu için bu süre 5 ~ 15ns'dir. Schottky diyotları, doğal olarak daha yüksek bağlantı kapasitansları nedeniyle bazen daha uzun ileri kurtarma süresi özellikleri sergiler. Bu kayıp çok büyük olmasa da güç kaynağı içinde başka sorunlara neden olabilir. İleri geri kazanım süresi boyunca, indüktör ve transformatörün büyük bir yük empedansı yoktur ve güç anahtarı veya redresör hala kapalı durumdadır, bu da depolanan enerjinin, redresör nihayet ileri akımı akmaya ve güç sinyalini kelepçelemeye başlayana kadar salınmasına neden olur.
Kapanma anında, ters kurtarma özelliği önemli bir rol oynar. Diyot boyunca bir ters voltaj uygulandığında, PN diyotunun ters geri kazanım özelliği bağlantıdaki taşıyıcılar tarafından belirlenir.Kısıtlı hareket kabiliyetine sahip bu taşıyıcıların, başlangıçta bağlantı noktasına girdikleri ters yönden çıkmaları gerekir, böylece oluştururlar. Diyottan geçen ters akım. Bununla ilişkili kayıp çok büyük olabilir, çünkü bağlantı alanındaki yük tükenmeden önce ters voltaj hızla yükselir ve ters akım transformatörden birincil güç anahtarına yansıtılır, bu da güç tüpünün kaybını artırır. Örnek olarak Şekil 1'i alın, açılma döneminde mevcut zirveyi görebilirsiniz.
Benzer ters geri kazanım karakteristikleri, yüksek voltajlı Schottky redresörlerinde de görülür Bu karakteristik, taşıyıcılardan değil, bu tip Schottky diyotunun daha yüksek bağlantı kapasitansından kaynaklanır. Sözde yüksek voltajlı Schottky diyotu, ters kırılma voltajının 60V'den yüksek olmasıdır.
Filtre kapasitörüyle ilgili kayıp
Giriş ve çıkış filtre kapasitörleri, güç kaynağının çalışma ömrü üzerinde büyük bir etkiye sahip olmasına rağmen, anahtarlama güç kaynaklarının ana kayıp kaynağı değildir. Giriş kondansatörü doğru seçilmezse, güç kaynağının çalışırken gerçek yüksek verimliliğine ulaşmamasını sağlayacaktır.
Her kondansatörün, kondansatörle seri olarak küçük bir direnci ve endüktansı vardır. Eşdeğer seri direnç (ESR) ve eşdeğer seri endüktans (ESL), kapasitörün yapısından kaynaklanan parazitik elemanlardır ve her ikisi de harici sinyallerin dahili kapasitansa eklenmesini engeller. Bu nedenle, kapasitörün performansı DC işleminde en iyisidir, ancak performans, güç kaynağının anahtarlama frekansında çok daha kötü olacaktır.
Giriş ve çıkış kondansatörleri, güç anahtarı veya çıkış redresörü tarafından üretilen yüksek frekanslı akımın tek kaynağıdır (veya depolanmasıdır), bu nedenle bu akım dalga formlarını gözlemleyerek, bu kondansatörlerin ESR'sinden geçen akım makul bir şekilde belirlenebilir. Bu akım kaçınılmaz olarak kondansatörde ısı üretir. Bir filtre kondansatörü tasarlamanın ana görevi, kondansatörün dahili ısınmasının ürünün ömrünü uzatacak kadar düşük olmasını sağlamaktır. Denklem (4), kapasitörün ESR'si tarafından üretilen güç kaybının hesaplama formülünü verir.
Sadece kapasitör modelinin direnç kısmı sorunlara neden olmaz, aynı zamanda paralel bağlanan kapasitörlerin kurşun telleri simetrik değilse, kurşun endüktansı kapasitörün dengesiz iç ısınmasına neden olarak en yüksek sıcaklığa sahip kapasitörün ömrünü kısaltır.
Ek kayıp, güç devresini çalıştırmak için gerekli tüm işlevsel bileşenlerle ilgilidir Bu bileşenler, kontrol IC ile ilgili devreleri ve geri besleme devrelerini içerir. Güç kaynağındaki diğer kayıplarla karşılaştırıldığında, bu kayıplar genellikle küçüktür, ancak bir iyileşme olasılığı olup olmadığını görmek için bazı analizler yapılabilir.
Birincisi, devreyi başlatmaktır. Başlatma devresi, giriş voltajından bir doğru akım alır, böylece kontrol IC ve sürücü devresi, güç kaynağını başlatmak için yeterli enerjiye sahip olur. Bu başlatma devresi, güç başlatıldıktan sonra akımı kesemezse, devrede giriş voltajına bağlı olarak 3W'a kadar sürekli bir kayıp olacaktır.
İkinci ana husus, güç anahtarı tahrik devresidir. Güç anahtarı iki kutuplu bir güç transistörü kullanıyorsa, temel tahrik akımı, transistör toplayıcının e tepe akımının kazanç (hFE) ile bölünmesinden daha büyük olmalıdır. Bir güç transistörünün tipik kazancı 5-15 arasındadır; bu, 10A'lık bir tepe akımı ise, 0.66 ila 2A'lık bir temel akım gerektiği anlamına gelir. Baz ve verici arasında 0.7V voltaj düşüşü vardır ve baz akımı 0.7V'a çok yakın bir voltajdan alınmazsa büyük bir kayıp meydana gelir.
Güç MOSFET sürücü verimliliği, iki kutuplu güç transistöründen daha yüksektir. MOSFET geçidi, boşaltma kaynağına bağlı iki eşdeğer kapasitansa sahiptir, yani kapı kaynağı kapasitansı Ciss ve drenaj kaynağı kapasitansı Crss. MOSFET geçit sürücüsünün kaybı, MOSFET açıldığında kapı kapasitansını şarj eden yardımcı voltajdan ve MOSFET kapatıldığında toprağa deşarjdan kaynaklanır. Kapı tahrik kaybı hesaplaması denklem (5) ile verilmiştir.
Bu kayıp için, daha düşük bir Ciss ve Crss değerine sahip bir MOSFET seçmek dışında yapılacak çok şey yoktur, bu da maksimum geçit sürücü voltajını biraz azaltabilir.
Manyetik bileşenlerle ilişkili kayıp
Ortalama bir tasarım mühendisi için bu kısım çok karmaşıktır. Manyetik bileşenlerin terminolojisinin özelliğinden dolayı, aşağıda açıklanan kayıp, temel olarak çekirdek üreticisi tarafından kullanımı çok uygun olan bir grafik biçiminde temsil edilir. Bu kayıplar, kayıpların niteliğinin değerlendirilebilmesi için burada listelenmiştir.
Transformatörler ve indüktörlerle ilgili üç ana kayıp türü vardır: histerezis kaybı, girdap akımı kaybı ve direnç kaybı. Bu kayıplar, transformatörler ve indüktörler tasarlanırken ve inşa edilirken kontrol edilebilir.
Histerezis kaybı, sargının dönüş sayısı ve sürüş modu ile ilgilidir. Her görev çevriminde B-H eğrisinde taranan alanı belirler. Süpürülen alan, çekirdekteki manyetik alanları yeniden düzenleyen manyetik alan kuvveti tarafından yapılan iştir Süpürülen alan ne kadar büyükse, histerezis kaybı o kadar büyük olur. Bu kayıp denklem (6) ile verilmiştir.
Formülde görüldüğü gibi, kayıp, çalışma frekansının gücü ve maksimum çalışma manyetik akı yoğunluğu ile orantılıdır. Bu kayıp, güç anahtarlarının ve redresörlerin dahili kaybı kadar büyük olmasa da, yanlış kullanım da bir sorun haline gelebilir. 100kHz'de Bmax, malzemenin doygunluk manyetik akı yoğunluğu Bsat'ın% 50'sine ayarlanmalıdır. 500kHz'de, Bmax, malzemenin doygunluk manyetik akı yoğunluğu Bsat'ın% 25'ine ayarlanmalıdır. 1MHz'de Bmax, malzemenin doygunluk manyetik akı yoğunluğu Bsat'ın% 10'una ayarlanmalıdır. Bu, anahtarlamalı güç kaynaklarındaki (3C8, vb.) Ferromanyetik malzemelerin özelliklerine dayanmaktadır.
Girdap akımı kaybı, histerezis kaybından çok daha küçüktür, ancak denklem (7) 'de gösterildiği gibi çalışma frekansı arttıkça hızla artar.
Girdap akımı, güçlü bir manyetik alanda manyetik çekirdek içinde geniş bir alanda indüklenen dolaşım akımıdır. Genel tasarımcının bu kaybı azaltmanın pek bir yolu yok.
Direnç kaybı, transformatörün veya indüktörün iç sargısının direncinin neden olduğu kayıptır. İki tür direnç kaybı vardır: DC direnç kaybı ve cilt etkisi direnç kaybı. DC direnç kaybı, sargı telinin direncinin ürünü ve akan akımın efektif değerinin karesi ile belirlenir. Deri etkisi, telin merkezindeki akımın, teldeki güçlü AC elektromanyetik alanın etkisi altında telin yüzeyine "itilmesinden" kaynaklanır, bu da telin direncini arttırır Daha küçük bir enine kesitte akan akım, telin efektif çapının küçük görünmesini sağlar. Yukarı. Denklem (8) bu iki kaybın hesaplama formülünü tek bir ifadede verir.
Sızıntı endüktansı (sargıya seri olarak bağlanan küçük endüktans ile temsil edilir), manyetik akının bir kısmının çekirdek ile birbirine bağlanmasını ve çevredeki hava ve malzemelere sızmasını önler. Özellikleri ilgili trafo veya endüktanstan etkilenmez, bu nedenle sargının yansıyan empedansı kaçak endüktansın performansını etkilemez.
Sızıntı endüktansı, gücü yüke aktarmadığı için sorun teşkil eder, ancak çevresindeki bileşenlerde salınım enerjisi oluşturur. Transformatör ve indüktörün yapısal tasarımında, sargının kaçak endüktansı kontrol edilmelidir. Her kaçak endüktans değeri farklı olacaktır, ancak belirli bir nominal değere kadar kontrol edilebilir.
Sargının kaçak endüktansını azaltmak için bazı genel kurallar şunlardır: sargının uzunluğunu uzatın, manyetik çekirdeğe daha yakın, sargılar arasında sıkı bağlantı teknolojisi ve yakın dönüş oranı (1: 1'e yakın gibi). DC-DC dönüştürücülerinde yaygın olarak kullanılan E-E manyetik çekirdekler için beklenen sızıntı endüktansı, sargı endüktansının% 3 ila% 5'idir. Çevrim dışı bir dönüştürücüde, transformatörün katı güvenlik düzenlemelerine uyması gerekiyorsa, birincil sargının kaçak endüktansı, sargı endüktansının% 12'si kadar yüksek olabilir. Sargıyı yalıtmak için kullanılan bant sargıyı kısaltır ve sargıyı göbekten ve diğer sargılardan uzak tutar.
Daha sonra görebileceğiniz gibi, sızıntı endüktansının neden olduğu ek kayıp kullanılabilir.
DC mıknatısların uygulanmasında, genellikle manyetik çekirdeğin manyetik devresi boyunca bir hava boşluğu gereklidir. Ferrit çekirdekte, hava boşluğu çekirdeğin ortasındadır ve manyetik akı çekirdeğin bir ucundan diğer ucuna akar, ancak manyetik kuvvet çizgileri çekirdeğin merkezinden yayılır. Hava boşluğunun varlığı, girdap akımlarının bobin yakınındaki metal parçalarda veya hava boşluğunun yakınında akmasına neden olabilen yoğun bir manyetik akı alanı yaratır. Bu kayıp genellikle çok büyük olmamakla birlikte belirlenmesi zordur.
Anahtarlamalı güç kaynağındaki ana parazitik parametrelere genel bakış
Parazitik parametreler, devre içindeki gerçek bileşenlerin tahmin edilemeyen elektriksel özellikleridir.Genellikle enerjiyi depolarlar ve gürültü ve kayıp üretmek için kendi bileşenlerini etkisiz hale getirir. Tasarımcılar için bu olumsuz etkileri ayırt etmek, ölçmek, azaltmak veya kullanmak büyük bir zorluktur.
İletişim durumunda, parazitik özellikler daha belirgindir. Tipik bir anahtarlama güç kaynağının içinde büyük AC değerlerine sahip iki ana düğüm vardır: Birincisi, güç anahtarının toplayıcısı veya drenajıdır; ikincisi, çıkış redresörünün anodudur. Bu iki özel düğüme odaklanmalısınız.
Dönüştürücüdeki ana parazitik parametreler
Tüm anahtarlamalı güç kaynaklarında, bazı ortak parazitik parametreler vardır ve bunların etkileri, dönüştürücüdeki ana AC düğümlerinin dalga biçimini gözlemlerken açıkça görülebilir. Bazı cihaz veri dosyaları, MOSFET'in asalak kapasitansı gibi bu parametreleri bile sağlar. İki ortak dönüştürücünün ana parazitik parametreleri Şekil 3'te gösterilmektedir.
MOSFET'in kapasitansı gibi bazı parazitik parametreler açıkça tanımlanmıştır ve diğer bazı ayrık parazitik parametreler, modellemeyi kolaylaştıran toplu parametrelerle temsil edilebilir. Açıkça tanımlanmamış parazitik parametrelerin değerini belirlemeye çalışmak çok zordur.Genellikle ampirik bir değerle belirlenir.Başka bir deyişle, bir yumuşak anahtar tasarlanırken, bileşenlerin seçimi en iyi sonuçları elde etme ilkesine dayanır. Kablo bağlantı şemasında, parazit unsurları doğru yere yerleştirmek çok önemlidir, çünkü elektrik dalı yalnızca dönüştürücünün çalışma süresinin bir bölümünde çalışır. Örneğin, doğrultucunun bağlantı kapasitansı, yalnızca doğrultucu ters eğilimli olduğunda büyüktür ve diyot ileri eğilimli olduğunda kaybolur. Tablo 1, belirlenmesi kolay bazı parazitik parametreleri ve bu parametreleri oluşturan bileşenleri ve bu değerlerin yaklaşık aralıklarını listeler. Bazı özel parazitik parametre değerleri, belirli bileşenlerin veri sayfasından elde edilebilir.
Baskılı devre kartları (PCB'ler) her yerde parazitik parametreleri etkiler ve iyi PCB yerleşim kuralları bu etkileri en aza indirebilir.
Tepe akımından geçen izler, herhangi bir iz tarafından üretilen endüktansa ve kapasitansa çok duyarlıdır, bu nedenle bu izler kısa ve kalın olmalıdır. Bir güç anahtarının tahliyesi veya toplayıcısı veya bir doğrultucu tüpün anodu gibi yüksek AC gerilimli PCB lehim bağlantıları, bitişik baskılı hatlara sahip bağlantı kapasitörlerini kolayca oluşturarak AC gürültüsünün bitişik baskılı hatlara bağlanmasına neden olabilir. "Aracılığıyla" bağlantı yoluyla, aynı sinyal, AC sinyali basılı hattının üst ve alt katmanlarından akabilir. Diğer parazitik parametrelerin etkisi genellikle bitişik parazitik elemanlara atfedilebilir.
Tipik bir dönüştürücü oluşturan her bileşendeki parazitik parametrelerin doğasını anlamak, manyetik bileşen parametrelerinin belirlenmesine, PCB'nin tasarlanmasına ve EMI filtresinin tasarlanmasına yardımcı olacaktır. Bu, tüm anahtarlamalı güç kaynağı tasarımlarının en zor kısmıdır.
