Prostowniki synchroniczne w układach konwersji mocy

Wraz z rozwojem układów i systemów elektronicznych projektanci układów zasilania zmuszeni są stawiać czoło coraz większym wyzwaniom, związanym z oczekiwaniami zmniejszania rozmiarów urządzeń przy jednoczesnym wzroście ich efektywności. Oczekuje się, że układy konwersji mocy pracowały będą z coraz mniejszymi poziomami napięć wyjściowych i wejściowych, coraz wyższymi wartościami natężenia prądu i z coraz krótszymi czasami przełączania.

Jednym ze sposobów zaspokojenia tych oczekiwań jest korzystanie z prostowników synchronicznych, skonstruowanych w oparciu o pracujących naprzemiennie tranzystorach MOSFET. W przeciwieństwie do rozwiązań opartych na diodach Schottky’ego, układy MOSFET charakteryzują się niższym poziomem mocy strat, co przekłada się na znaczące uproszczenie systemów chłodzenia, redukcję rozmiarów urządzenia, spadek jego ceny oraz wzrost niezawodności.

Straty mocy w procesie prostowania sygnału

W przypadku obwodów opartych na diodach, straty mocy związane z procesem prostowania sygnału z dość dobrym przybliżeniem mogą zostać oszacowane na podstawie zależności: U·I, gdzie U to spadek napięcia na złączu p-n diody, zaś I to natężenie prądu przepływającego przez to złącze. Diody Schottky’ego charakteryzują się około dwukrotnie mniejszym spadkiem napięcia niż ich klasyczne odpowiedniki – wartość ta wynosi około 0,5 V.

Dla układów opartych na tranzystorach MOSFET straty mocy przybliżane są równaniem RDS(ON)·I, gdzie RDS(ON) to rezystancja kanału źródło-dren w stanie włączenia tranzystora, zaś I to natężenie prądu. Rezystancja kanału włączonego tranzystora jest niewielka i wynosi zazwyczaj od kilku do kilkudziesięciu mΩ. Do pewnej granicznej wartości natężenia prądu zasilania układy oparte na elementach MOSFET są zatem bardziej efektywne od ich diodowych odpowiedników.

Wady prostowników opartych na diodach

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowe układy asynchronicznego oraz prostownika synchronicznego. Układ asynchroniczny wykorzystuje tranzystor MOSFET oraz diodę Schottky’ego. W okresie gdy tranzystor jest włączony, sygnał przepływa przez jego kanał do obwodu LC oraz obciążenia. W pozostałym okresie, kiedy tranzystor pozostaje wyłączony, sygnał przepływa przez diodę.

 

Rys. 1. Układy asynchronicznego (1a) oraz synchronicznego (1b) prostownika sygnału

Jak już wspomniano, spadek napięcia na diodzie wynosi około 0,5 V, przez co jest znacznie większy niż spadek związany z przepływem prądu przez kanał włączonego tranzystora. Powoduje to, że za znakomitą większość strat mocy w układzie odpowiada spadek napięcia na diodzie.

Prostownik synchroniczny eliminuje konieczność wykorzystania diody, co znacząco zwiększa sprawność układu, a zatem obniża poziom mocy strat, zaś przez to ułatwia odprowadzanie ciepła z urządzenia i pozwala na zmniejszenie rozmiaru radiatorów.

Prostownik synchroniczny

Prostowniki synchroniczne stosowane są jako alternatywa dla klasycznych prostowników diodowych, tak jak pokazano na rysunku 1b. Diody zastąpione zostały tranzystorami MOSFET pracującymi naprzemiennie – w każdym momencie nie więcej niż jeden z nich znajduje się w stanie włączenia. Pomiędzy wyłączeniem jednego z tranzystorów i włączeniem drugiego istnieć musi określony czas opóźnienia, nazywany czasem martwym (dead time). Zapobiega to występowaniu zwarć skrośnych, mogących doprowadzić do uszkodzenia układu.

Zalety prostowników synchronicznych

Zastąpienie diod tranzystorami MOSFET w wielu przypadkach pozwala uzyskać znaczną poprawę efektywności przetwarzania, co wiąże się ze zmniejszeniem mocy strat oraz redukcją wymiarów niezbędnych radiatorów. Jest to szczególnie korzystne w zastosowaniach niskonapięciowych, gdy układ pracuje z dużą wartością natężenia prądu zasilania.

W przypadku konieczności pracy z sygnałem o większej mocy możliwe jest również równoległe łączenie tranzystorów, co pozwala obniżyć natężenie prądu płynącego przez pojedynczy element. Redukuje to straty związane z niezerową rezystancją kanału, ułatwia również chłodzenie układu – każdy z komponentów rozprasza mniejszą ilość ciepła.

Czasy martwe

Podczas czasu martwego, kiedy tranzystor nie jest wysterowany, prąd przewodzony jest przez wewnętrzną diodę tranzystora MOSFET. Dioda ta charakteryzuje się zazwyczaj znacznie gorszymi parametrami niż dioda Schottky’ego. W celu rozwiązania tego problemu możliwe jest równoległe połączenie MOSFET z zewnętrzną diodą Schottky’ego. Na maksymalizację sprawności prostownika synchronicznego znaczący wpływ ma również minimalizacja czasów martwych. Należy jednak zachować ostrożność przy ich zmniejszaniu – zbyt krótki czas martwy niesie ze sobą ryzyko powstawania zwarć skrośnych prostownika, powodujących straty mocy oraz wprowadzających ryzyko uszkodzenia elementów MOSFET wysokimi wartościami prądów udarowych.

Częstotliwość przełączania

W celu minimalizacji rozmiaru prostownika oraz wygładzenia sygnału wyjściowego konstruktorzy często decydują się na zwiększenie częstotliwości komutacji. Decyzja ta pozwala ponadto na redukcję wymiarów cewki oraz kondensatora wykorzystywanych w obwodzie. Wiąże się jednak ze wzrostem strat wynikających z przełączania układu. Wyższa częstotliwość przełączania powoduje również wzrost poziomu zakłóceń elektromagnetycznych generowanych przez obwód, co w efekcie prowadzić może do problemów z EMC.

Układy sterujące

Prostowniki synchroniczne to zazwyczaj układy izolowane galwanicznie, w których nie występuje połączenie elektryczne pomiędzy wejściem a wyjściem, co osiągane jest poprzez wykorzystanie pierwotnego oraz wtórnego uzwojenia transformatora. Przykładowy schemat tego typu zasilacza przedstawiono na rysunku 2.

 

Rys. 2. Przykładowy układ prostownika z izolacją galwaniczną pomiędzy wejściem a wyjściem

Izolacja galwaniczna utrudnia implementację sterowania napięciem bramki, konieczną do zapewnienia synchronicznej pracy tranzystorów. Istnieje kilka koncepcji realizacji tego typu zadania, różniących się poziomem złożoności.

Najprostsze rozwiązanie polega na sterowaniu napięciem bramki w oparciu o sygnał wejściowy obecny na uzwojeniu wtórnym. Przykład tego typu obwodu pokazano na rysunku 3. Układ taki działa całkiem dobrze, pod warunkiem że na wejściu obwodu nie występuje przez dłuższy okres zerowa wartość napięcia. Parametry obwodu oraz generowanego sygnału wyjściowego mogą być modyfikowane poprzez odpowiedni dobór charakterystyk tranzystorów MOSFET.

W przypadku zerowego napięcia wejściowego nie ma żadnego sygnału, który byłby w stanie wysterować bramki tranzystorów. Jest to jednoznaczne z przewodzeniem prądu przez diody obecne w wewnętrznej strukturze MOSFET, które, jak już wspomniano, charakteryzują się niezbyt dobrymi właściwościami.

 

Rys. 3. Sterowanie elementami MOSFET w oparciu o sygnał z uzwojenia wtórnego transformatora

Wartość napięcia na uzwojeniu zmienia się w czasie, w ten sam sposób zmienia się również wartość napięcia bramka-źródło MOSFET. Znacząco wpływa to na sprawność układu, ponieważ zmiany wartości napięcia sterującego wpływają na rezystancję kanału tranzystora. W przypadku pracy z szerokim zakresem napięć wejściowych, podczas jednego półokresu rezystancja kanału może zmienić się nawet o kilkaset procent.

W bardziej złożonych rozwiązaniach napięcie sterujące tranzystora generowane jest niezależnie od sygnału wyjściowego, przez przeznaczone do tego celu układy. Przykład tego typu obwodu przedstawiono na rysunku 4. Konstrukcje takie są zazwyczaj bardziej efektywne, pozwalając na poprawę sprawności prostownika m.in. poprzez redukcję trwania czasów martwych oraz stabilizację rezystancji włączonego kanału na niskim poziomie. Ich wadą jest niewątpliwie większe skomplikowanie oraz wyższy koszt, związany z koniecznością zastosowania dodatkowych elementów w obwodzie.

 

Rys. 4. Sterowanie elementami MOSFET w oparciu o specjalizowany układ sterowania

Sterowniki zarządzające pracą tranzystorów MOSFET mogą działać na kilka różnych sposobów. Jedną z możliwości jest monitorowanie napięcia na złączu źródło-dren oraz wysterowanie tranzystora w momencie przekroczenia określonych wartości progowych. Inna koncepcja zakłada pomiar natężenia prądu w obwodzie tranzystora za pomocą bocznika lub przekładnika prądowego. W momencie wykrycia przepływu prądu ze źródła do drenu tranzystor zostaje włączony, zaś jego otwarcie następuje w chwili, kiedy prąd przestaje płynąć w tym kierunku.

Podsumowanie

W wielu przypadkach zastąpienie klasycznych diod prostowniczych układem prostownika synchronicznego jest zasadne i bardzo korzystne, szczególnie w przypadku obwodów niskonapięciowych oraz wysokoprądowych. Prostownik synchroniczny charakteryzuje się w takim wypadku lepszą sprawnością, co wiąże się jednocześnie z niższymi stratami mocy oraz mniej skomplikowanym, tańszym oraz mniejszych rozmiarów systemem chłodzenia. Ze względu na bariery technologiczne nie jest raczej możliwy znaczący postęp w redukcji napięcia przewodzenia współczesnych diod. Postęp technologiczny pozwala zaś na dalsze obniżanie rezystancji kanału źródło-dren tranzystora MOSFET, co w niedalekiej przyszłości powinno przełożyć się na jeszcze większą atrakcyjność oraz popularność prostowników synchronicznych.

Damian Tomaszewski