Zasilacze dużej mocy

Na razie GaN to tylko marketingowy fetysz

W przypadku zasilaczy dużej mocy poprawa wielu ważnych parametrów technicznych wiąże się z użyciem nowych generacji podzespołów półprzewodnikowych. Dotyczy to wielu zagadnień, a przykładem może być mała moc pobierana z sieci bez obciążenia, która wynosi kilkadziesiąt miliwatów nawet w wydajnych, kilkusetwatowych zasilaczach przemysłowych. Aby zapewnić taki rewelacyjny wynik, konieczne jest użycie zaawansowanych kontrolerów scalonych, które potrafią dynamicznie zmieniać topologię konwersji energii w funkcji stopnia obciążenia, uruchamiają tryby oszczędnościowe, gdy zasilacz jest nieobciążony itp.

Zaawansowany kontroler zmienia też dynamicznie częstotliwość kluczowania tranzystorów po to, aby ograniczyć straty mocy wynikające z komutacji, a więc aby zapewnić większą sprawność zasilacza. Taki układ zwykle dzisiaj pracuje w topologii rezonansowej, która zapewnia małą emisję zaburzeń elektromagnetycznych i realizuje przełączanie tranzystorów w zerze napięcia lub prądu (ZVS, ZCS).

Kolejnym bardzo istotnym elementem są tranzystory przełączające, które powinny zapewnić małe straty na przewodzenie (jak najmniejszy spadek napięcia) oraz na komutację (w czasie przełączania). Dodatkowo tranzystory takie powinny mieć jak największe napięcie znamionowe. Zapewnia to oczywiście dużą odporność na przepięcia pojawiające się w sieci energetycznej, ale także ogranicza straty energii wynikające z konieczności tłumienia przepięć na transformatorze, powstających w wyniku przełączania.

Naturalnym kandydatem do nowoczesnej jednostki zasilającej są elementy wykonane z azotku galu, niemniej na razie nie widać na rynku, aby takie jednostki pojawiały się masowo w ofertach.

Powodem są wyższe ceny i gorsza dostępność tych elementów. Na razie trafiają one głównie do elektrycznej motoryzacji, gdzie stanowią bazę konstrukcyjną inwerterów i konwerterów. Do zasilaczy o uniwersalnym przeznaczeniu i mocy do ok. 1 kW raczej nie, bo zysk z ich użycia jest minimalny.

Straty mocy podczas konwersji pojawiają się w elementach indukcyjnych (transformator, dławik PFC), tranzystorach kluczujących, prostowniku wejściowym i wyjściowym, kondensatorach. Moc tracimy też w układach gasikowych chroniących półprzewodniki przed uszkodzeniem. GaN-y poprawiają sprawność stopnia mocy, ale całej reszty nie, stąd procentów sprawności nie przybywa wiele. Czasem różnicy nie ma wcale.

Mariusz Cisek

kierownik działu rozwoju produktów w firmie Relpol

Czego oczekują dzisiaj klienci od dostawców zasilaczy?

Klienci z sektora przemysłowego mają zazwyczaj konkretne oczekiwania, jeśli chodzi o dostawców zasilaczy przemysłowych. Oczekiwania te dotyczą kilku kluczowych czynników, takich jak niezawodność i trwałość, gdyż zastosowania przemysłowe często wymagają ciągłego i niezawodnego zasilania. Klienci oczekują zasilaczy, które są trwałe i odporne na trudne warunki środowiskowe. Zasilacze powinny mieć długą żywotność i być odporne na czynniki takie jak zmiany temperatury, wilgotność i wibracje. Drugi istotny czynnik to kompaktowy rozmiar i forma, w wielu zastosowaniach przemysłowych przestrzeń jest ograniczona. Klienci poszukują kompaktowych i zajmujących niewiele miejsca rozwiązań zasilających, które można łatwo zintegrować z ich systemami. Ostatni to wydajność i efektywność energetyczna – są istotną kwestią w środowiskach przemysłowych. Klienci oczekują zasilaczy, które działają wydajnie, aby zminimalizować zużycie energii i obniżyć koszty. Liczą się ponadto funkcje ochronne, ponieważ środowiska przemysłowe mogą stwarzać zagrożenia, takie jak przepięcia, przetężenia i zwarcia. Klienci oczekują zasilaczy z wbudowanymi funkcjami zabezpieczającymi, aby chronić swój sprzęt i zapewnić niezawodność systemu.

Gdzie kieruje się rozwój tego biznesu?

W branży zasilaczy przemysłowych kluczowe są cztery podstawowe czynniki, które wpływają na specyfikę handlu: cena, dostępność, jakość i niezawodność. To są kluczowe elementy w handlu zasilaczami przemysłowymi. Firmy muszą znaleźć równowagę między konkurencyjnymi cenami a oferowaną jakością, jednocześnie zapewniając dostępność produktów. Krótkie czasy dostawy stają się standardem, a szybkość realizacji zamówień ma kluczowe znaczenie. Wprowadzenie szybkich dostaw może być istotnym czynnikiem różnicującym na rynku. Ciągłe dostosowywanie się do zmieniających się potrzeb rynku jest niezbędne dla utrzymania konkurencyjności w branży zasilaczy przemysłowych.

Więcej funkcjonalności

Użyteczna funkcjonalność, jaka pojawia się dzisiaj często w zaawansowanych jednostkach zasilających, obejmuje obecnie takie dodatki, jak np. możliwość regulacji wyjściowego napięcia w niewielkim zakresie trymerem, po to, aby skompensować spadek napięcia na przewodach wyjściowych. Do tego samego celu służą zwielokrotnione zaciski wyjściowe lub też możliwość podłączenia dwóch dodatkowych przewodów pomiarowych bezpośrednio do zacisków obciążenia (tzw. czteroprzewodowe połączenie kelwinowskie). Taki sposób zapewnia znakomite parametry napięcia wyjściowego (statyczne i dynamiczne) w zasilaczach dużej mocy i o niskim napięciu wyjściowym.

Od strony układowej zasilacze wyposaża się dzisiaj we wszechstronne układy zabezpieczające, rozbudowane filtry wejściowe, sterowniki zapewniające sygnalizację stanu zasilacza i podobne obwody ochronne na tyle skuteczne, że awaria na skutek przeciążenia, stanu nieustalonego lub zwykłego błędu podczas montażu instalacji staje się praktycznie niemożliwa.

Szeroki zakres napięcia wejściowego to kolejny parametr, który wiele mówi o nowoczesności. Standard tanich jednostek to 100–240 VAC, lepsze działają w zakresie 85–265 VAC, najlepsze w jeszcze szerszych widełkach, np. 90–450VAC, a więc mogą być zasilane napięciem międzyfazowym. Nawet jeśli nie korzystamy z sieci innej niż 1-fazowa 230VAC, to gdy zakres dopuszczalnych napięć jest szeroki, korzystnie przekłada się to na odporność zasilacza na krótkotrwałe zaniki napięcia i przepięcia o dużej wartości.

Asortyment dostępnych na rynku zasilaczy poszerza się także o wersje wyposażone ze wzmocnioną izolacją oraz o małej upływności. Do niedawna były one rzadkością i wykorzystywane tylko w aplikacjach medycznych, niemniej poszerzająca się oferta wskazuje, że takie jednostki trafiają także do urządzeń przemysłowych, do precyzyjnej aparatury pomiarowej oraz rozbudowanych systemów, gdzie łączone są obwody na różnych potencjałach. W takich przypadkach zasilacz o wzmocnionej izolacji jest w stanie zapewnić stabilność i jakość działania układów pomiarowych.