Rezonansowe i pseudorezonansowe przetwornice napięcia

Zazwyczaj sprawność tych zasilaczy przekracza 80%. Nowe inicjatywy legislacyjne mają zwiększyć ich sprawność do 87%, a nawet więcej. Ponadto, określanie sprawności przy pełnym obciążeniu nie będzie już akceptowalne. Nowe normy będą wymagały pomiarów przy obciążeniu 25, 50, 75 i 100%, a następnie wyznaczenia z tych wyników średniej. Także maksymalna dopuszczalna moc pobierana w stanie gotowości będzie obniżona.

Na terenie EU proponuje się przyjęcie nieprzekraczalnego poziomu tej mocy równego 200mW dla telewizorów i 500mW dla pozostałych urządzeń. Poza specjalnymi zasilaczami o wysokiej sprawności, standardowe zmiennoprądowe zasilacze napięcia stałego dla urządzeń o mocy od 1 do 500W wykorzystywały architekturę zaporową (flyback) lub architekturę przepustową (forward) z dwoma tranzystorami kluczującymi. Rozwiązania te zostały zastąpione układami pseudorezonansowymi zaporowymi, rezonansowymi LLC i asymetrycznymi półmostkowymi.

W dalszej części artykułu zostaną omówione różnice pomiędzy zaporowymi przetwornicami pseudorezonansowymi i przetwornicami rezonansowymi LLC (z dwoma dławikami LL i kondensatorem tworzącym część rezonansową C).

Podstawowe zasady

Główną zaletą przetwornic pseudorezonansowych i przetwornic rezonansowych jest zwiększona sprawność, uzyskana dzięki redukcji strat przełączania. Na rysunku 1 przedstawiono różnice przebiegów przełączania w przetwornicy zaporowej pracującej w trybie przewodzenia ciągłego (CCM), zaporowej pseudorezonansowej i zaporowej rezonansowej LLC. Straty przełączania można opisać w przybliżeniu równaniem:

gdzie: P_StratPr – moc strat przełączania, U_DS – napięcie dren-źródło, I_D – prąd drenu, t_wl – czas trwania włączenia, f – częstotliwość przełączania, C_wyj – pojemność wyjściowa (łącznie z pojemnością rozproszoną).

Straty przełączania są największe w zaporowych przetwornicach CCM. W szerokim zakresie napięć wejściowych U_DS wynosi około 500 do 600V; jest to suma wejściowego napięcia U_DC i przemnożonego przez przekładnię transformatora wyjściowego U_RO. Gdy przetwornica pracuje w trybie nieciągłym (DCM – discontinuous conduction mode), pierwszy składnik w równaniu strat spada do zera, gdy do zera zmniejsza się prąd drenu.

W przetwornicy pseudorezonansowej można dodatkowo zmniejszyć straty, przełączając w trakcie pierwszego (lub drugiego) minimum przebiegu napięciowego. Przerywana linia na rysunku przedstawia przebieg napięcia drenu, gdy w przetwornicy pseudorezonansowej przełączanie następuje w pierwszej dolince.

Jeśli przekładnia transformatora w przetwornicy pseudorezonansowej wynosi 20, a napięcie wyjściowe 5V, to U_RO osiąga 100V. Zatem przy napięciu zasilania 375V tranzystor kluczujący zacznie przewodzić przy 275V.

Jeżeli pojemność wyjściowa C_wyj jest równa 73pF, a częstotliwość przełączania 66 kHz, moc strat wyniesie 0,18W.

W zwykłej przetwornicy zaporowej CCM przełączanie nie jest synchronizowane i napięcie drenu oscyluje. W najgorszym wypadku napięcie drenu jest wyższe od U_DC. Wtedy moc strat będzie równa

0,54W.

Zatem w przypadku przetwornicy zaporowej pracującej w trybie nieciągłym straty wahają się w granicach od 0,18 do 0,54W, zależnie od rozłożenia przebiegów w czasie. Jest to często postrzegane jako nieoczekiwane wahania krzywych sprawności przy pełnym obciążeniu i wynika ze zmian napięcia wejściowego przy niezmiennym prądzie i napięciu wyjściowym. Krzywa sprawności wykazuje zmiany, gdy zmienia się punkt przełączania.

Przetwornica rezonansowa

W przetwornicach rezonansowych do redukcji strat przełączania używa się innych metod. Jeżeli w pierwszym równaniu napięcie U_DS zmniejszy się do zera, to straty znikną całkowicie. Metodę tę określa się mianem przełączania przy zerowym napięciu (ZVS). Jest wykorzystywana w przetwornicach rezonansowych, zwłaszcza LLC, jak to zilustrowano na rysunku 1.

Przełączanie ZVS osiąga się zmuszając prąd przepływający przez tranzystor kluczujący do odwrócenia kierunku. Wtedy dioda wewnętrzna tranzystora (albo zewnętrzna przeciwrównoległa) poziomuje napięcie na niskim poziomie (np. 1V). Znacznie mniej niż 400V we wspomnianej poprzednio typowej przetwornicy zaporowej.

Do realizacji tej metody jest potrzebny obwód rezonansowy. Generowany przez dwa tranzystory MOSFET przebieg prostokątny jest doprowadzany do obwodu rezonansowego. Jeżeli punkt pracy wybierze się powyżej rezonansu, to prąd płynący do obwodu rezonansowego będzie w przybliżeniu sinusoidalny, ponieważ składowe wyższego rzędu zostaną silnie stłumione. Sinusoidalny przebieg prądowy jest opóźniony względem przebiegu napięciowego.

Gdy więc przebieg napięciowy osiąga punkt przejścia przez zero, prąd jest jeszcze ujemny, dzięki czemu przełączenie w punkcie przejścia przez zero staje się możliwe.

Podstawowe rozwiązania układowe

Na rysunku 2 pokazano schematy przetwornicy pseudorezonansowej i przetwornicy rezonansowej LLC. Układ przetwornicy pseudorezonansowej jest bardzo podobny do układu przetwornicy zaporowej; różni się od niej tylko obwodem detekcyjnym pozwalającym wyznaczać momenty występowania minimów napięcia. Przetwornica rezonansowa LLC (nazwa ta bierze się od trzech elementów obwodu rezonansowego: indukcyjności magnesującej transformatora L_m, indukcyjności rozproszenia L_lk i pojemności rezonansowej C_r) różni się bardzo od przetwornicy przepustowej o dwóch tranzystorach kluczujących.

Wymóg dużej indukcyjności rozproszenia wymusza nawinięcie transformatora w sposób zwiększający tę zazwyczaj małą indukcyjność albo dołączenie dodatkowego dławika. Obwód wejściowy przetwornicy LLC ma strukturę półmostkową, ale w przeciwieństwie do dwutranzystorowej przetwornicy przepustowej w tym obwodzie nie są potrzebne żadne diody. Nie stosuje się też kondensatora rezonansowego.

Wyjściowe uzwojenie transformatora, połączone środkowym odczepem z masą, jest zakończone dwoma diodami wyjściowymi, prostującymi napięcie zmienne obwodu rezonansowego. Duży dławik wyjściowy, jaki znajduje się w układzie przepustowym z dwoma tranzystorami kluczującymi, nie jest tu potrzebny.

Dla danej mocy wyjściowej największy transformator występuje w pseudorezonansowej przetwornicy zaporowej, ponieważ przed przekazaniem energii do obwodu wtórnego musi przechować ją po stronie pierwotnej. W przetwornicy przepustowej jest inaczej; przekazanie energii ze strony pierwotnej do wtórnej następuje wtedy, gdy tranzystory kluczujące przewodzą. Tak jak w przetwornicy zaporowej, w przepustowej używana jest tylko jedna biegunowość magnetyczna. W przetwornicy LLC używa się obu, więc transformator jest zwykle mniejszy.

Częstotliwość i wzmocnienie

Zaletą przetwornic pseudorezonansowej i LLC jest zmniejszenie strat przewodzenia. Ich wadą jest wzrost częstotliwości wraz ze spadkiem obciążenia. Straty przewodzenia w tych dwóch przetwornicach rosną wraz ze wzrostem częstotliwości:

gdzie t_nwl oznacza czas wyłączenia.

Powoduje to zmniejszenie sprawności w zakresie małych obciążeń. Na przykład w przetwornicy pseudorezonansowej FSQ0165RN firmy Fairchild zastosowano specjalny obwód poziomowania częstotliwości w celu wyeliminowania tej wady. Sterownik odczekuje przez okres zależny od częstotliwości i przełącza w kolejnym dostępnym minimum.

Innym ograniczeniem rezonansowych przetworników LLC jest silne zmniejszenie zakresu dynamicznego ich wzmocnienia. Na rysunku 3 przedstawiono zależność wzmocnienia rezonansowego przetwornika LLC od częstotliwości i obciążenia.

Przy górnej częstotliwości rezonansowej (w tym przypadku 100 kHz) wzmocnienie nie zależy od obciążenia. Ale dynamiczny zakres wzmocnienia jest niewielki: od 1,0 do 1,4. Jeśli wzmocnienie wynosi 1,2 przy napięciu wejściowym 220VAC dla wymaganego napięcia wyjściowego, to zakres dynamiczny dopuści zmienne napięcie wejściowe od 189 do 264V_AC.

W rezultacie, niełatwo daje się osiągnąć przy tej topologii możliwość pracy w uniwersalnym zakresie napięć wejściowych. Ale staranny projekt pozwala na przystosowanie zasilacza do elektrycznej sieci europejskiej. Rezonansowe przetwornice LLC współpracują zwykle z układami korekcji współczynnika mocy, dostarczającymi dobrze stabilizowanego napięcia wejściowego.

Zakres dynamiczny da się poprawić przez zwiększenie indukcyjności rozproszenia w stosunku do indukcyjności magnesującej. Ale odbywa się to kosztem obniżenia sprawności w zakresie małych obciążeń wskutek wzrostu natężenia prądów magnesujących. W praktyce indukcyjność obciążenia zwiększa się za pomocą oddzielnego dławika. Jeśli indukcyjność rozproszenia jest zbyt duża, pojawiają się ograniczenia w uzyskaniu powtarzalnego stosunku indukcyjności rozproszenia do magnesującej.

Zastosowania

Przetwornice zaporowe pseudorezonansowe i rezonansowe LLC są coraz częściej wykorzystywane w zasilaczach sieciowych. Praktyczny zakres stosowania przetwornic pseudorezonansowych rozciąga się od kilku do około stu watów. Ich sprawność przy pełnym obciążeniu wynosi od około 81% dla zintegrowanych zasilaczy 12V/7W do ponad 88% dla zasilaczy 22V/70W z pseudorezonansowymi sterownikami z zewnętrznymi tranzystorami MOSFET.

Dla małych zasilaczy pobór mocy w stanie oczekiwania bywa sporo niższy od 150mW, natomiast dla dużych zasilaczy dochodzi do 350mW. Przy małych napięciach wyjściowych sprawność pogarsza się znacznie. W zasilaczu 5V/5W co najmniej 10% mocy jest tracone w diodzie wyjściowej.

Dodatkową zaletą rozwiązań pseudorezonansowych w porównaniu z rozwiązaniami tradycyjnymi jest znaczne zmniejszenie generowanych zaburzeń EMI. Ich widmo zależy oczywiście od tętnień na kondensatorze wejściowym 400V. Praktyczny zakres mocy rezonansowych przetwornic LLC rozciąga się od około 70 do 500W.

Przykładowy układ FSFR2100 z wejściowym obwodem korekcji PFC jest wykorzystywany w zasilaczach o mocy od 200 do 420W. W zakresie do 200W nie jest wymagany radiator. W układzie wyjściowym są generalnie zalecane diody Schottky’ego, które wymagają użycia radiatorów.

W przypadku prostowania synchronicznego radiatory nie są zwykle potrzebne, ale generacja sygnałów sterujących tranzystory MOSFET nie jest łatwa. Typowa sprawność szczytowa w aplikacjach wykorzystujących diody Schottky’ego mieści się w przybliżeniu pomiędzy 90% a 95% w zależności od napięcia wejściowego i wyjściowego oraz mocy wyjściowej.

(KKP)