Maksymalizacja wydajności konwerterów prądu stałego: jak skorzystać z najnowszych topologii i technik

Czytając ten artykuł dowiesz się:

  • jakie są głównie cechy najczęściej używanych topologii konwerterów prądu stałego,
  • jak zwiększyć wydajność dzięki zastosowaniu przełączania beznapięciowego i prostowników synchronicznych,
  • które komponenty umożliwiają projektantom układów uzyskanie wydajnej konwersji wyprostowanego prądu zasilającego na prąd wyjściowy do obciążenia działającego na napięciu jedynie 2,5 V przy zastosowaniu tylko dwóch stopni mocy.

Przez wiele lat projektanci systemów elektronicznych średniej i wysokiej mocy pracowali pod dużą presją poprawy wydajności przy maksymalnym i niskim obciążeniu, w celu zarówno zapewnienia zgodności z coraz bardziej wyśrubowanymi ograniczeniami zużycia energii narzucanymi przez rządy, jak i obniżenia kosztów prądu dla zwykłych użytkowników.

Odpowiedź przemysłu na tę presję to nie tylko próby zmniejszania stratności w wysokomocowych konwerterach prądu stałego, ale także zwiększanie wykorzystania prądu stałego o wysokim napięciu zamiast prądu przemiennego w systemach dystrybucji mocy, co pozwala na ogólne zmniejszenie strat w dystrybucji energii.

Producenci sprzętu elektronicznego w sektorach takich jak telekomunikacja, serwery sieciowe, systemy ładowania akumulatorów i wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych próbują również zwiększyć wydajność dzięki implementacji bezpośredniej konwersji napięcia stałego z 48 V na magistrali dystrybucyjnej do nawet 2,5 V w punktach poboru energii (z ang. PoL – Points-of-Load).

Ten artykuł ma za zadanie przybliżyć istotne przełomy w technologii konwersji mocy, które umożliwiły rozwój bardziej wydajnych konwerterów prądu stałego, zarówno przy obniżaniu wejścia z 400 V do 48 V oraz do konwersji napięcia 48 V magistrali dystrybucyjnej do napięć pobieranych przez urządzenia. Przedstawione zostaną także dwa nowe gotowe rozwiązania, które producenci sprzętu elektronicznego mogą wykorzystać w szybki i łatwy sposób.

Wybór topologii konwertera prądu stałego

Konwertery prądu stałego można podzielić na dwie najpopularniejsze kategorie ze względu na to jak następuje transfer energii: może ona jednocześnie przepływać z wejścia poprzez magnetyki do obciążenia, lub może być przechowywana w magnetykach w celu późniejszego wykorzystania. Te dwa rodzaje przedstawiono na rysunku 1.

Tabela 1. Powszechne topologie konwerterów prądu stałego i pasujące do nich zakresy mocy.

Topologia

Zakres mocy

Pętla histerezy

Liczba aktywnych przełączników

Obciążenie napięciowe w aktywnych przełącznikach

Rodzaj transferu energii

Buck (wielofazowa)

>1 kW

Jedna ćwiartka

1

VIN

Przepływ energii

Flyback

<150 W

Jedna ćwiartka

1

>VIN + n VOUT

Składowanie energii

Forward

50 W -200 W

Jedna ćwiartka

1

>VIN x 2 (DMAX = 0,5)

Przepływ energii

Active Clamp Forward (ACF)

50 W -300 W

Dwie ćwiartki

2

VIN/(1-D)

Przepływ energii

Push-Pull

100 W -500 W

Dwie ćwiartki

2

>VIN x 2

Przepływ energii

Półmostek

100 W -1 kW

Dwie ćwiartki

2

VIN/2

Przepływ energii

Mostek

>1 kW

Dwie ćwiartki

4

VIN

Przepływ energii

Wielofazowe konwertery buck oferują wyższą wydajność niż jednofazowe, ze względu na niskie straty przesyłowe. Posiadają także niższe wartości napięcia tętnienia na wyjściu, lepszą charakterystykę stanów przejściowych i niższe wartości prądów tętnienia na pojemności wejściowej.

Konfiguracja konwertera mostkowego posiada własności napięciowe topologii półmostka i własności prądowe topologii push-pull. Wszystkie konfiguracje: push-pull, półmostka i mostka wymagają niższego filtrowania na wejściu i mniejszych cewek indukcyjnych na wyjściu niż w przypadku konwerterów, w których pętla histerezy nie wykracza poza pierwszą ćwiartkę wykresu b-h (ang. single-ended). Oferują także nawet do 40% wyższy współczynnik wykorzystania transformatora oraz równomierną emisję mocy w półprzewodnikach w zakresie napięć wejściowych.

Różniące się wymaganiami zastosowania prostowników, stwarzają potrzebę użycia różnych ich topologii. Istnieją dwie ważne techniki, które umożliwiły rozwój wszystkich wysokowydajnych konwerterów prądu stałego, niezależnie od topologii: Zero Voltage Switching (ZVS) oraz prostowanie synchroniczne.

Zalety techniki Zero Voltage Switching

ZVS to skrajna forma „miękkiego przełączania” (z ang. soft switching). W zwykłym systemie przełączania (z ang. hard-switching), podczas włączenia wszystkie tranzystory MOSFET są kolejno wystawione na działanie napięcia równego co najmniej napięciu zasilania, a prąd zazwyczaj biegnie z drenu do źródła, co owocuje wysokimi stratami energii.

Przy „miękkim przełączaniu” prąd w chwili włączania tranzystorów płynie ze źródła do drenu, co rozładowuje ich pojemność wyjściową przed włączeniem urządzenia, eliminując w ten sposób straty włączania. Warto zwrócić uwagę, że działanie ZVS dotyczy tylko strat włączania. Konwerter wciąż będzie tracił energię podczas wyłączania, zarówno z powodu nakładania się prądów jak i ładowania pojemności wyjściowej.

Dlaczego prostowniki synchroniczne wypierają prostowniki diodowe?

Równolegle z techniką ZVS, prostowanie synchroniczne po stronie wyjściowej pomaga polepszyć wydajność konwertera w istotny sposób. Jak pokazano na rysunku 2, prostownik synchroniczny może zastąpić prostownik diodowy, kiedy sterowniki prostowników synchronicznych będą działać jak prostowniki diodowe. To podejście jest bardziej wydajne, gdyż iloczyn niskiego prądu średniego i rezystancji włączenia jest znacznie niższy niż napięcie przewodzenia diody. W projekcie wykorzystującym prostowanie synchroniczne, tranzystory MOSFET muszą jednak być dokładnie kontrolowane, w celu synchronizacji czasów ich włączania i okresu włączenia diód.

Rysunek 2. Uproszczony schemat elektryczny konwertera mostkowego z przesunięciem fazy, wykorzystującego prostowanie synchroniczne po stronie wtórnej.

Nowa implementacja cyfrowa mostka z przesunięciem fazowym

W przypadku zastosowań konwerterów wysokiej mocy, jak to pokazano na rysunku 1, najodpowiedniejsza jest topologia mostka z przesunięciem fazy (PSFB, z ang. Phase-Shifted Full Bridge). Jeśli projektanci połączą topologię PSFB z ZVS i prostowaniem synchronicznym, mogą uzyskać doskonałą gęstość mocy i wydajność. Jest to szczególnie istotne w zastosowaniach przy dystrybucji prądu stałego, na przykład przy obniżaniu napięcia z 400 V do 48 V, aby móc zasilić magistralę.

W przeszłości implementacja takich układów wymagałaby głębokiej wiedzy, doświadczenia w projektowaniu dla wysokich mocy i umiejętności generacji skomplikowanych przebiegów PWM oraz zarządzania wąskimi ograniczeniami czasowymi. Ostatnio jednak producenci mikrokontrolerów wprowadzili łatwe w użyciu platformy do całkowicie cyfrowej implementacji. W takich przypadkach mikrokontroler kontroluje sterowniki bramkowe tranzystorów MOSFET w układzie mostka przy prostowaniu synchronicznym. Kontrola cyfrowa posiada takie zalety jak elastyczność oprogramowania, silną integrację układu, możliwość kontrolowania działającego już układu oraz tzw. soft start, zmniejszający udar prądowy podczas uruchomienia układu.

Przykładem takiego podejścia może być płytka STEVALISA172V2 firmy STMicroelectronics, przy pomocy której zaimplementowano prostownik prądu zmiennego o mocy do 2 kW z wykorzystaniem jednego mikrokontrolera STM32F334 do prostowania prądu i korekcji współczynnika mocy i drugiego do kontroli mocy w konwerterze prądu stałego PSFB, dającego napięcie wyjściowe 48 V lub 52 V, jak pokazano na rysunku 3. Mikrokontroler STM32F334 posiada układ czasowy o wysokiej rozdzielczości (maksymalnie do 217 ps), co umożliwia bardzo dokładną regulację prądu w układzie PSFB.

Algorytm sterujący jest oparty o prostą pętlę zrealizowaną za pomocą tradycyjnego regulatora całkująco-proporcjonalnego – p. rysunek 3. Algorytmy wykorzystane w STM32F334 zostały szczegółowo objaśnione w nocie aplikacyjnej 4856 firmy ST, która opisuje płytkę demonstracyjną STEVALISA172V2.

Rysunek 3. Pętla sterująca w układzie konwertera PSFB na płytce STEVALISA172V2.

Łatwa konwersja z 48 V do punktów obciążenia

Płytka STEVALISA172V2 obniża wyprostowane napięcie stałe 400 V do napięcia magistrali dystrybucyjnej o wartości 48 V. Zazwyczaj napięcie z magistrali zostanie ponownie obniżone do napięcia pośredniego 12 V lub mniej, aby później jeszcze raz zostać obniżone do 5 V lub mniej. Odzwierciedla to dostępność istniejących układów scalonych konwerterów buck (obniżających napięcie), które działają dobrze przy wąskim zakresie stosunków napięć wejścia do wyjścia, sięgającym co najwyżej 6:1. Ale przy stosunkach rzędu 12:1 wydajność układów konwencjonalnych konwerterów „z twardym przełączaniem” jest często poniżej akceptowalnych kryteriów, zarówno pod względem wydajności jak i mocy wyjściowej. Bezpośrednia konwersja z 48 V do napięcia punktu obciążenia, która wiąże się ze stosunkami napięcia nawet rzędu 36:1, jest możliwa dzięki wykorzystaniu topologii ZVS.

Patrząc na to logicznie, sensownie jest wyeliminować jeden z pośrednich stopni konwersji, zazwyczaj ten który obniża napięcie z 48 V do 12 V: w przypadku typowej konwersji dwuetapowej, jeśli oba stopnie oferują sprawność rzędu 90%, to sprawność całkowita wyniesie 81% (0,9 x 0,9). Jednostopniowa konwersja oferująca sprawność większą niż 81% będzie więc lepsza niż dwustopniowa, złożona z dwóch wysoce wydajnych stopni.

Możliwa jest wyjątkowo wydajna implementacja ZVS, dzięki nowej topologii buck, opracowanej przez firmę Vicor w serii modułów regulatorów Cool-Power®, jak pokazano na rysunku 4. Technika ZVS zmniejsza straty podczas włączania i sterowania bramkami oraz eliminuje przewodnictwo na diodzie równoległej wewnątrz tranzystora FET.

Tabela 4. Specyfikacje regulatorów Vicor Cool-Power ZVS do konwersji z 48 V na PoL (ang. Point of Load).

Numer elementu

Napięcie wejściowe [V]

Napięcie wyjściowe [V]

Prąd maksymalny [A]

PI3525-00-LGIZ

48 (30-60)

5,0 (4,0 – 6,5)

20

PI3542-00-LGIZ

48 (36-60)

2,5 (2,2 – 3,0)

10

PI3543-00-LGIZ

48 (36-60)

3,3 (2,6 – 3,6)

10

PI3545-00-LGIZ

48 (36-60)

5,0 (4,0 – 5,5)

10

PI3546-00-LGIZ

48 (36-60)

12 (6,5 – 14,0)

9

Topologia ZVS Vicor to w zasadzie to samo co konwencjonalny synchroniczny regulator buck, z wyjątkiem dodatkowego klucza na cewce wyjściowej, jak pokazuje rysunek 5: energia zmagazynowana w cewce wyjściowej zostaje tak skierowana, żeby zapewnić przełączanie w warunkach nominalnego napięcia zerowego.

Rysunek 5. Topologia konwertera buck ZVS firmy Vicor, pokazująca klucz na cewce wyjściowej.

Górny” tranzystor mocy MOSFET w elementach Vicor PI35xx zawsze włącza się przy zerowym prądzie i prawie zerowym napięciu dren-źródło. Wciąż mamy do czynienia z utratą mocy i ciepła, wynikającymi ze stratności przewodzenia, ale straty przełączania są ograniczone poprzez prawie całkowitą eliminację strat włączania dzięki działaniu ZVS.

Dzięki dodaniu fazy kluczowania, praktycznie nie występuje zjawisko przewodzenia na diodzie równoległej w odblokowanym złączu „dolnego” tranzystora MOSFET. Z tego powodu typowa cecha konwencjonalnych regulatorów synchronicznych buck, jaką jest wysoki wsteczny prąd przed włączeniem „górnego” tranzystora MOSFET, nie występuje w elementach firmy Vicor. Tranzystory MOSFET wytwarzają przez to o wiele mniej ciepła, eliminując tym samym potrzebę drogich i dużych elementów chłodzących oraz zmniejszając wymiary i wagę systemu i koszt jego produkcji. Szczytowa sprawność wynosi zazwyczaj więcej niż 95% dla wszystkich urządzeń z tej serii.

Wnioski

Układy firmy Vicor dostarczane są jako w pełni zintegrowane moduły do montażu powierzchniowego, przyspieszając i ułatwiając projektowanie systemów mocy. W połączeniu z nowymi, wysoce efektywnymi podejściami to konwersji z 400 V do 48 V, takimi jak te zaprezentowane na przykładzie płytki STEVAL-ISA172V2, projektanci systemów mogą szybciej i łatwiej niż kiedykolwiek wcześniej uzyskać dwustopniową konwersję wyprostowanego prądu zasilania do napięcia obciążenia.

Podejście to umożliwia dystrybucję wysokiego napięcia i niskich prądów w całym systemie, minimalizując straty dystrybucyjne, jednocześnie wydajnie oferując niskie napięcie i wysoki prąd pozyskany bezpośrednio z 48V wejścia. Jest to także rozwiązanie pozwalające zaoszczędzić miejsce na płytce oraz przyspieszające projektowanie, gdyż całkowicie wyeliminowany zostaje jeden ze stopni systemu dostarczania mocy.

Dystrybucja stałego prądu o napięciu 48 V wymaga mniej okablowania, obniża koszty poszukiwania elementów oraz ich zakupu, wagę systemu i straty przewodnictwa, oferując zazwyczaj 16-krotną redukcję strat mocy i czterokrotną redukcję potrzebnych pojemności.

Ta kombinacja korzyści może doprowadzić do tego, że dystrybucja mocy przy napięciu 48 V gwałtownie rozszerzy się z obecnej domeny w telekomunikacji i sprzęcie sieciowym na inne sektory rynkowe, włączając w to systemy przemysłowe i motoryzacyjne.

O autorze

Inżynier aplikacyjny firmy Future Electronics (Polska)