Wybór topologii konwertera AC-DC

Kiedy projektanci systemów zasilania rozpoczynają projekt konwertera mocy AC-DC, stają przed ważnym wyborem topologii. Szeroko stosowane jest przynajmniej siedem różnych topologii wspieranych przez dostawców układów do kontrolerów mocy. Każda z nich ma inny zestaw zalet i wad. Jaki jest najlepszy sposób na wybór topologii dla danej aplikacji?

Ten artykuł zawiera wskazówki, które pomogą zawęzić zakres topologii wybranych do szczegółowej oceny. Korzystając z takich wytycznych, projektanci mogą oszacować, jak usprawnić swoje badania i dokonać dobrego wyboru topologii na początku nowego projektu.

Jak jednak zauważy każdy doświadczony projektant, historia jest pełna przykładów nieudanych lub opóźnionych projektów, których problemy można przypisać bezpośrednio decyzjom podjętym na początku. Przed wprowadzeniem wskazówek dotyczących najlepszych praktyk dotyczących oceny topologii, warto najpierw zrozumieć czynniki, które wpływają negatywnie na projekty konwerterów AC-DC na ich najwcześniejszym etapie.

Przyczyny błędnej oceny topologii

Z doświadczenia autora wynika, że najczęstsze przyczyny błędów konstrukcji w projektach konwerterów AC-DC mają swoje źródło w (technicznej) błędnej ocenie lub zachowaniu człowieka.

Od strony technicznej niedoświadczeni projektanci mają skłonność do stosowania surowej zasady opartej na maksymalnym obciążeniu mocy, które konwerter musi obsługiwać. Moc znamionowa jest oczywiście ważnym parametrem, ale w żadnym wypadku nie jest jedynym, na który wpływa wybór topologii.

Rozmiar i waga systemu, koszt systemu, wydajność energetyczna, sprawność cieplna, złożoność i EMI to czynniki, które projektant może zoptymalizować używając odpowiedniej topologii. Należy pamiętać, że czynniki te są wzajemnie zależne. Na przykład złożona topologia rezonansowej przetwornicy wysokiego napięcia (ang. ZVS) spowoduje znacznie mniej poważne efekty EMI niż prostszy schematz twardą komutacją. Wybory na początku projektu powinny odzwierciedlać nie tylko specyfikacje techniczne produktu, ale także możliwości zespołu projektowego i czas, który można wykorzystać do jego projektowania.

Na przykład, zespół projektantów, który ma szeroką wiedzę na temat łagodzenia skutków EMI i zachowania zgodności z EMC, może być zadowolony z zastosowania topologii twardej komutacjizamiast złożonej alternatywy ZVS.

Innym czynnikiem, który w praktyce przeszkadza we właściwym doborze topologii, jest natura ludzka. Jest powszechnie zrozumiałe, że na początku trzeba szybko wybrać topologię, aby jak najszybciej przejść do rozwoju projektu. Często jest to praktykowane ze względu na menadżera, który może zobaczyć działający prototyp, co wywiera na nim odpowiednie wrażenie: jest to widoczny znak postępu w projekcie. Prawda jest taka, że projektowanie obwodów i konstruowanie płytek jest bardziej interesujące niż robienie eksperymentów na papierze nad topologiami.

Kolejnym błędem występującym wśród inżynierów i projektantów systemów zasilania jest preferowanie samodzielnego rozwiązywania problemów technicznych w ramach wspólnych działań i pracy zespołowej. Wybór topologii zwykle wymaga ostrożnego rozważenia różnych kompromisów na poziomie systemu. Na przykład decyzja, która zmniejsza koszt materiałów (BoM), ale zwiększa rozmiar i wagę konwertera, może mieć wpływ na logistykę i podnieść koszty produktu końcowego jako całości. Czynniki te wykraczają daleko poza organ zarządzający działu inżynierii. Holistyczne spojrzenie na wszystkie koszty w całym cyklu życia produktu może pomóc inżynierowi projektu w dokonaniu lepszych i bardziej świadomych wyborów dotyczących komponentów.

Podsumowując, doświadczenie sugeruje, że nieuwzględnienie czynników komercyjnych może prowadzić do opóźnień w projekcie lub nawet jego odwołania.

Unikanie błędów na wczesnym etapie projektów zasilania

Pytanie wynikające z powyższej dyskusji brzmi: jak uniknąć tego rodzaju pomyłki?

Oczywistą odpowiedzią jest zrobienie na odwrót:

  • Współpracuj z kolegami z różnych działów, aby uzyskać odpowiednie informacje na temat wszystkich czynników, na które wpływa wybór topologii,
  • Przeprowadź szczegółowe badania wszystkich stosowanych topologii, rozważając wszystkie czynniki, na które ma wpływ wybór danej topologii.

To drugie zalecenie może wydawać się trudne, ponieważ do oceny pozostaje wiele możliwości wyboru topologii. W rzeczywistości nie jest to tak przytłaczające, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, ponieważ dla dowolnej mocy znamionowej zwykle można zawęzić wybór do dwóch lub trzech odpowiednich topologii.

Tabela 1 ma na celu ułatwienie wstępnej oceny: przedstawia podstawowe parametry dla każdej topologii uwzględniając każdy czynnik inżynieryjny, który należy wziąć pod uwagę, przy czym najlepsza topologia ma wynik pięciu gwiazdek (*****), a najgorsza – jednej (*). Wyniki dają jedynie przybliżone wskazówki, a doświadczeni projektanci systemu elektroenergetycznego mogą dyskutować na temat poszczególnych parametrów. Ogólnie jednak tabela zawiera użyteczny przewodnik do orientacji procesu ewaluacji i informowania projektanta o możliwych kompromisach.

Wpływ opcji dostępnych w nowych technologiach

Poza wyborem topologii istnieje jeszcze jeden ważny element badań projektanta przed wdrożeniem produktu: odkrycie nowych komponentów lub technologii, które weszły na  rynek od czasu wdrożenia wcześniejszych projektów.

Obecnie wielu projektantów konwerterów AC-DC powinno rozważyć zastosowanie nowych komponentów mocy o szerokiej przerwie energetycznej, zrobionych z węglika krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN), które umożliwiają znacznie szybsze przełączanie niż równoważniki z krzemu i mogą pracować w wyższych temperaturach.

Tabela 1. Zestawienie różnych topologii przekształtników mocy AC-DC. W kolumnie korekcji współczynnika mocy CrCM – tryb przewodzenia krytycznego, CCM – tryb przewodzenia ciągłego

Poziom mocy Topologia Wydajność Złożoność EMI Wielkość/Gęstość mocy Koszt Współczynnik mocy
<100W Flyback ** ***** ** ***** ***** No PFC

<75W,

CrCM >75W

100 W to 150 W Flyback ** ***** ** ***** ***** CrCM
Forward *** **** *** *** *** CrCM
150 W – 200 W Forward ** **** *** *** *** CrCM
LLC Resonant **** * ***** **** * CrCM
200 W to 250 W Forward ** **** ** ** **** CrCM/CCM
Two-Switch Forward *** *** *** *** *** CrCM/CCM
LLC Resonant **** * ***** **** * CrCM/CCM
250 W – 300 W Forward ** **** ** ** **** CrCM/CCM
Two-Switch Forward *** *** *** *** *** CrCM/CCM
LLC Resonant **** * ***** **** ** CrCM/CCM
Half Bridge **** ** *** ** ** CrCM/CCM
300 W – 400 W Two-Switch Forward ** *** ** *** **** CCM
LLC Resonant ***** * ***** ***** ** CCM
Half Bridge **** ** *** *** ** CCM
400W – 500W LLC Resonant ***** ** ***** ***** ** CCM
Half Bridge **** *** *** *** *** CCM
500W –  600W Half Bridge *** *** *** *** *** CCM/Interleaved
Full Bridge ***** ** *** ** ** CCM/Interleaved
600W –  800W Full Bridge **** ** *** *** ** Interleaved
Phase Shift ZVT ***** * **** **** * Interleaved
>800W Phase Shift ZVT ***** * **** **** * Three-Phase Interleaved

Jeśli priorytetem projektu jest osiągnięcie małych rozmiarów i małej wagi oraz wysokiej gęstości mocy, te cechy stają się szczególnie atrakcyjne. Tranzystory SiC dostępne są obecnie w ilościach produkcyjnych od takich dostawców, jak STMicroelectronics, ROHM Semiconductor i Microchip. Umożliwiają zastosowanie mniejszych kondensatorów i cewek indukcyjnych, zmniejszając rozmiar całego konwertera. Wyższa maksymalna temperatura robocza elementów SiC może również czasami pozwolić projektantowi wyeliminować wentylator lub radiator, nawet w gęsto zabudowanej obudowie z ograniczonym przepływem powietrza chłodzącego, który byłby wymagany w konstrukcji wykorzystującej krzemowe tranzystory MOSFET.

Tranzystory HEMTy X-Gan High od firmy Panasonic mają podobne zalety. Zostały wykorzystane w zestawie projektowym GaNdalf firmy Future Electronics. Zestaw zaprezentowano w na rysunku 1. Projekt ten demonstruje topologię totem pole w stopniu korekcji współczynnika mocy (PFC) zasilacza AC-DC o mocy <1 kW. Zastosowanie tranzystorów GaN pomaga układowi osiągnąć sprawność ponad niż 99,0% w stopniu PFC.

Rysunek 1. Projekt demonstracyjny zasilacza AC-DC GaNdalf od firmy Future Electronics

Inną ważną nową koncepcją produktu, która ma wpływ na konstrukcję konwertera AC-DC, jest integracja głównego i wtórnego sterownika w jednym układzie scalonym, dla przetworników zasilających o mocy poniżej 80 W. To podejście jest możliwe dzięki innowacyjnemu kontrolerowi mocy od Monolithic Power Systems. Układ MPX2001 zapewnia w pełni zintegrowane rozwiązanie do projektowania konwerterów typu flyback.

Jest to kontroler flyback ze zintegrowanym sterowaniem pierwotnym i wtórnym, zawierający także synchroniczny sterownik prostownika z izolacją pojemnościową. Używając MPX2001 można zmniejszyć złożoność systemu, ponieważ nie jest potrzebny obwód sprzężenia zwrotnego. Ma to również wpływ na zmniejszenie całkowitego kosztu materiałów. Równocześnie prostownik synchroniczny można idealnie dopasować do sygnału sterującego tranzystora MOSFET. Dzięki tej funkcji prostownik może działać bezpiecznie w trybie przewodzenia ciągłego, co pomaga zwiększyć ogólną wydajność i zapewnia projektowi większą elastyczność.

Wysoka sprawność przetwornic AC-DC opartych na MPX2001 została zademonstrowana przez zestaw ewaluacyjny EVKT-MPX2001-45-PD firmy Monolithic Power Systems, tak jak to pokazano na rysunku 2. Jest to projekt adaptera zasilania dla 45W USB Power Delivery przeznaczonego do transferu zasilania poprzez złącze USB typu C. To znacznie przewyższa wymagania wydajnościowe amerykańskiego Departamentu Energii na poziomie VI i europejskich standardów CoC Tier 2. Zużycie energii bez obciążenia wynosi <0,075W.

Łącząc ulepszone technologie komponentów takie jak te wymienione, wraz z kompleksową analizą zalet i wad każdej topologii konwertera oraz zrozumieniem wymagań innych działów poza laboratorium inżynierskim, projektanci systemów zasilania mogą dać swoim projektom większe szanse na pomyślne zakończenie – jak również spełnienie lub przekroczenie specyfikacji projektowych produktu końcowego.

Rysunek 2. Zestaw ewaluacyjny MPX2001, mały projekt przeznaczony do prezentacji zasilacza lub ładowarki do komputera lub smartfona (Źródło: Monolithic Power Systems)

O autorze

Inżynier aplikacyjny ds układów mocy w Europie Północnej, Future Electronics