SMPS: Rezonanční měniče

Rostoucí požadavky na lehčí, menší a účinnější elektronické výrobky vyžadují, aby konstruktéři napájecích zdrojů vyvíjeli měniče AC-DC a DC-DC s vysokou hustotou výkonu a účinností. Vysoká spínací frekvence a vysoká účinnost jsou dvě metody používané ke zlepšení hustoty výkonu a profilu spínaných napájecích zdrojů (SMPS). 

Snaha o dosažení stále větší hustoty výkonu v SMPS byla omezena velikostí pasivních součástek. Provoz při vyšších frekvencích výrazně zmenšuje velikost pasivních součástek, jako jsou transformátory a filtry; překážkou vysokofrekvenčního provozu však byly spínací ztráty.

Rezonanční techniky se používají ke snížení spínacích ztrát v polovodičových zařízeních a umožňují vysokofrekvenční provoz. Tyto techniky zpracovávají výkon sinusovým způsobem a spínací zařízení jsou měkce komutována. Proto lze díky měkkým spínacím charakteristikám výrazně snížit spínací ztráty a šum. Rezonanční techniky se používají jak v polomůstkových, tak v celomůstkových měničích.

Tři nejoblíbenější rezonanční měniče jsou,

• Sériový rezonanční měnič
• Paralelní rezonanční měnič
• LLC rezonanční měnič

Sériový rezonanční měnič

V sériovém rezonančním měniči (SRC) je rezonanční cívka (L_r) a rezonanční kondenzátor (C_r) jsou v sérii a jsou umístěny v sérii se zátěží. Rezonanční nádrž a zátěž fungují jako dělič napětí.

Impedanci rezonanční nádoby lze měnit změnou frekvence řídicího napětí (V_a).

Vstupní napětí se rozdělí mezi tuto impedanci a odraženou zátěž. Protože se jedná o dělič napětí, je stejnosměrné zesílení SRC vždy nižší než 1 (maximální zesílení je na rezonanční frekvenci).

Při malém zatížení bude impedance zátěže velmi velká ve srovnání s impedancí rezonanční sítě a veškeré vstupní napětí bude působit na zátěž. To ztěžuje regulaci výstupu při malé zátěži. Teoreticky by měla být frekvence nekonečná, aby bylo možné regulovat výstup bez zátěže. 

Výhody

• Snížení spínacích ztrát a elektromagnetického rušení díky nulovému spínání a vyšší účinnosti
• Snížení velikosti magnetických komponentů díky vysokofrekvenčnímu provozu

Nevýhody

• Při vysokém vstupním napětí dochází k vysoké cirkulační energii a vysokým spínacím ztrátám. Nejsou vhodné pro takové aplikace (přední DC/DC aplikace).
• Pulzující usměrňovací proud z výstupního kondenzátoru, takže omezení pro aplikace s vysokým výstupním proudem.
• Nelze regulovat výstup při stavu bez zátěže.

Paralelní rezonanční převodník

V paralelním rezonančním měniči (PRC) je rezonanční kondenzátor (C_r) je umístěn paralelně se zátěží, což nevyhnutelně vyžaduje velké množství cirkulačního proudu. To ztěžuje použití paralelních rezonančních topologií v aplikacích s vysokou hustotou výkonu nebo velkými změnami zátěže.

Impedanci rezonanční nádoby lze měnit změnou frekvence řídicího napětí (V_a). Primární strana transformátoru je kondenzátor, proto se na sekundární stranu přidává induktor, aby se vyrovnala impedance.

Výhody

• Žádné problémy s regulací výstupu při stavu bez zátěže
• Trvalý usměrňovací proud z výstupní cívky, proto je vhodný pro aplikace s vysokým výstupním proudem.

Nevýhody

• Proud na primární straně je téměř nezávislý na stavu zátěže, rezonanční sítí může protékat značný proud i při stavu bez zátěže.
• Při vysokém vstupním napětí dochází k vysoké cirkulační energii a vysokým spínacím ztrátám. Nejsou vhodné pro aplikace typu (přední DC/DC aplikace).

Polomůstkový rezonanční převodník LLC

Polomůstková topologie LLC se skládá z generátoru čtvercových vln, sériové rezonanční nádrže, transformátoru, výstupního usměrňovacího obvodu a výstupního filtru.

Sériová rezonanční nádrž se skládá ze sériové rezonanční cívky. L_r, sériový rezonanční kondenzátor C_r, a Lm tvořená magnetizační indukčností transformátoru T₁. Sériová rezonanční cívka může být externí součástka nebo svodová indukčnost zařízení. T₁. Obvod usměrňovače, který zahrnuje D₁ a D₂ převádí rezonanční proud na jednosměrný proud. Výstupní filtr C_o moduluje vysokofrekvenční zvlněný proud. 

Rezonanční měnič LLC využívá magnetizační indukčnost transformátoru pro generování další rezonanční frekvence, která je mnohem nižší než hlavní rezonanční frekvence rezonančního tanku. L_r a C_r. Rezonanční měnič LLC je navržen tak, aby pracoval při spínací frekvenci vyšší než rezonanční frekvence rezonančního tanku. L_r a C_r.

Přepínače S₁ a S₂ pracují s pracovním cyklem 50% a výstupní napětí se reguluje změnou spínací frekvence měniče. Měnič má dvě rezonanční frekvence: nižší rezonanční frekvenci O.₂ (dáno vztahem L_m, L_r, a C_r) a pevnou vyšší sériovou rezonanční frekvenci O.₁ (dáno vztahem Lr a Cr pouze).

Typická frekvenční charakteristika rezonančního měniče LLC je:

Dvě rezonanční frekvence jsou:

Činitel jakosti rezonanční nádrže je:

RAC = ekvivalentní odpor střídavého proudu,  n = poměr otáček

Charakteristiky rezonančního měniče LLC lze rozdělit do tří oblastí podle způsobu provozu.

Oblast 1 je podobný operaci SRC. Pokud je spínací frekvence vyšší než O.₁, měnič pracuje v oblasti ZVS a magnetizační indukčnost se na rezonanci nepodílí. V této oblasti, která se také nazývá oblast indukční zátěže, je napěťové zesílení rezonančního měniče LLC vždy menší než jedna.

Oblast 2 je oblast multirezonančního měniče (MRC). Mezi O.₁ a O.₂, zátěžový stav určí provoz měniče za podmínek ZVS a ZCS, napěťové zesílení měniče dosahuje maximální hodnoty. V této oblasti způsobuje energie uložená v magnetických součástkách ZVS pro opačné spínací zařízení.

Region 3 je přetížená oblast. Když je spínací frekvence vyšší než O.₂, měnič vždy pracuje ve stavu ZCS. Tato oblast se nazývá oblast kapacitního režimu, spínače S₁ a S₂ jsou pod tvrdým spínáním a mají vysoké spínací ztráty. Proto je třeba se vždy vyhnout provozu ZCS.

Obecně je rezonanční měnič LLC navržen pro provoz v oblasti 1 a 2 z důvodu regulace výstupu a provozu ZVS. Přepínače S₁ a S₂ lze měkce přepínat v celém rozsahu zatížení provozem měniče v režimu induktivní zátěže (oblast ZVS). Ta může být buď nad, nebo pod rezonanční frekvencí O.₁. Požadované zesílení je dáno vztahem mezi vstupním a výstupním napětím, který lze znázornit vztahem:

g = Napěťové zesílení pro rezonanční měnič LLC

V_o = Výstupní napětí

V_IN = Vstupní napětí

Z této rovnice vyplývá, že čím nižší je vstupní napětí, tím vyšší je napěťové zesílení.

Výhody

• Úzké změny frekvence v širokém rozsahu vedení a zátěže, což z této topologie činí nejlepší volbu pro aplikace DC-DC na předním konci.
• Schopnost ZVS pro celý rozsah zatížení, nízký vypínací proud, proto jsou spínací ztráty velmi nízké.
• Spínání nulového napětí i při stavu bez zátěže
• K dosažení měkkého spínání se využívají všechny podstatné parazitní prvky, včetně kapacit přechodů všech polovodičových zařízení a svodové indukčnosti transformátoru.
• Není nutná výstupní tlumivka, což přináší úsporu nákladů
• Integrovaná magnetika: Při použití transformátoru v měniči LLC lze magnetizační indukčnost a svodovou indukčnost využít v rezonančním obvodu namísto použití samostatného externího induktoru.
• Vysoká účinnost > 96% a vysoký výkon až 1 kW.

Nevýhody

• Vyšší zvlnění proudu na sekundáru, takže jsou potřeba kondenzátory s nižším ESR.

Aplikace

• Televizory LED a LCD
• Počítače a notebooky
• Průmyslové osvětlení LED
• Špičkový zvuk
• Domácí spotřebiče
• Průmyslové nabíječky baterií