SMPS: Symetrické izolované měniče

Předchozí článek našeho seriálu o spínaných napájecích zdrojích (SMPS) se týkal asymetrické izolované topologie měničů. Nyní prozkoumáme několik symetrické izolované měniče a jejich výhody a nevýhody pro různé aplikace.

Symetrické měniče vyžadují sudý počet přepínačů. Využívá se celý dostupný výkyv toku v obou kvadrantech smyčky B-H, čímž se jádro využívá mnohem efektivněji. Proto může produkovat větší výkon než asymetrické měniče. Push-pull, polomůstek, a full-bridge jsou všechny měniče symetrické.

Push-pull převodník

Push-pull měnič je obousměrný měnič, který používá transformátor pro galvanické oddělení zátěže a pro převod napětí (AC-DC a DC-DC).

Push-pull měniče se používají v případech, kdy dochází k velkému kolísání vstupního napětí a kdy je výstupní napětí menší než vstupní napětí. Lze je použít při výkonech v rozmezí 100 W až 500 W.

Transformátor používaný v push-pull měniči se skládá z primárního a sekundárního vinutí se středovým odbočením. Spínače S₁ a S₂ jsou řízeny řídicím obvodem, přičemž každý spínač je řízen střídavě, a tím je transformátor řízen v obou směrech. Transformátor typu push-pull má obvykle poloviční velikost než transformátor typu single ended, což vede ke kompaktnější konstrukci.

Tento push-pull účinek způsobuje přirozené resetování jádra během každého půlcyklu, a proto není nutné žádné svorkové vinutí. Během každé periody vedení spínače se přenáší napájení do výstupního obvodu typu buck. Pracovní poměr každého spínače je obvykle menší než 0,45. To poskytuje dostatek mrtvé doby, aby se zabránilo křížovému vedení spínače. Výkon může být nyní přenášen na výstup až po dobu 90% spínací periody, což umožňuje větší propustný výkon než u jednostranných typů.

Když přepnete S₁ je NA a přepínač S₂ je OFF, energie se přenáší do zátěže přes sekundární stranu transformátoru. NS₂, D₄ a Lo.

Když přepnete S₂ je NA a přepínač S₁ je OFF, energie se přenáší do zátěže přes sekundární stranu transformátoru. NS₁, D₃ a Lo.

Když oba přepínače S₁ a S₂ jsou OFF, tělesová dioda spínače zajišťuje cestu pro unikající energii uloženou v primáru transformátoru. Výstupní usměrňovací dioda D₃ se stává dopředně zkresleným a přenáší polovinu proudu induktoru přes sekundární stranu transformátoru. NS₁, a polovina proudu induktoru je přenášena diodou D₄ přes sekundární stranu transformátoru NS₂. Výsledkem je stejné a opačné napětí na sekundárech transformátoru, (obě napětí jsou stejná). NS₁ a NS₂ mají stejný počet závitů), a proto čisté napětí na sekundáru během proudu T_mimo je nulová.

V_ven/V_{na adrese} Vztah

V_{na adrese} > V_ven

Rozsah pracovního cyklu < 1

Výhody

• Dosažitelný výkon až několik KW
• Pro řízení spínačů push-pull není nutné izolované napájení.
• Jednoduchý obvod
• Vysoká účinnost
• Potřebná malá výstupní cívka
• Možnost více výstupů

Nevýhody

• Každý spínač musí blokovat dvojnásobek vstupního napětí kvůli zdvojovacímu účinku primáru se středovým závitem, přestože jsou použity dva spínače.
• Uspořádání se středovým odbočovačem také znamená, že je zapotřebí další měď pro primární vodič a že je nutné velmi dobré spojení mezi oběma polovinami, aby se minimalizovaly případné svodové špičky. Primár se středovým závitem by za normálních okolností byl navinutý bifilárně, ale to způsobí velké střídavé napětí mezi sousedními závity.
• Vysoké napětí (2 - V_{na adrese}) namáhání spínače a využití primáru transformátoru 50% činí použití topologie push-pull nežádoucí, pokud je vstupní napětí evropské, asijské, univerzální (90 VAC-230 VAC) nebo pokud se používá PFC. Proto je topologie push-pull nejvýhodnější pro nízkonapěťové aplikace, jako jsou například SMPS s americkou regulací 110 VAC na vstupu direct off-line. Široké uplatnění našla také v měničích pracujících v systémech napájených z baterií 12 V a 24 V.
• Dalším problémem, který se může vyskytnout u měniče push-pull, je posunutí magnetického toku (flux walking). Pokud není výkyv toku v každém půlcyklu přesně symetrický, nedojde k vyrovnání volt-sek a to má za následek nasycení transformátoru, zejména při vysokých vstupních napětích. Tato magnetická nesymetrie může být způsobena nerovnoměrným T_{na adrese} období pro oba spínače, nestejný počet závitů primáru. NP₁ a NP₂ a sekundární NS₁ a NS₂, a nerovnoměrný úbytek napětí v přímém směru na výstupních diodách D₃ a D₄. Tuto nerovnováhu lze snížit pečlivou volbou obvodů pro řízení hradlových impulsů, použitím spínacího zařízení a přidáním vzduchové mezery do jádra transformátoru.
• Vyšší počet součástek, zejména u více regulovaných výstupů.

Aplikace

• RF zesilovač (CAR Audio)
• Ovladače střídavých motorů
• Ovladače stejnosměrných motorů
• Měniče

Polomůstkový převodník

Polomůstkový měnič je nejoblíbenější pro aplikace s vyšším výkonem (do 500 W). Je odvozen od měnič buck který používá transformátor k zajištění galvanického oddělení zátěže a k zajištění konverze napětí (AC-DC a DC-DC).

Tato topologie rovněž využívá dvě hlavní magnetické součástky, transformátor a výstupní cívku, ale v tomto případě je jádro transformátoru využito lépe než u přímého měniče. Spínací prvky pracují nezávisle, s mezidobím mrtvého času, a přepínají primární stranu transformátoru jak kladně, tak záporně vzhledem ke střednímu bodu.

Mrtvé časy t_d mezi dvěma po sobě jdoucími spínacími vodiči jsou naprosto povinné, aby se zabránilo zkratu na můstku.

Když přepnete S₁ je NA a přepínač S₂ je OFF, energie se přenáší do zátěže přes sekundární stranu transformátoru. NS₂, D₂ a Lo.

Když přepnete S₂ je NA a přepínač S₁ je OFF, energie se přenáší do zátěže přes sekundární stranu transformátoru. NS₁, D₁ a Lo.

V_ven/V_{na adrese} Vztah

V_{na adrese} > V_ven

Rozsah pracovního cyklu < 1

Výhody

• Napěťové namáhání spínače je V_{na adrese} a díky tomu je mnohem vhodnější pro aplikace 250 VAC a PFC.
• Problém chůze proudu je eliminován, protože primární vinutí je pouze jedno. Do série s primárním vinutím transformátoru je umístěn malý stejnosměrný blokovací kondenzátor, který blokuje stejnosměrný tok v jádře transformátoru.
• Díky vysoké účinnosti, vysoké hustotě výkonu a zjednodušené konstrukci transformátoru je ideální pro aplikace se středním výkonem.
• Vynikající využití transformátoru, velmi nízké výstupní zvlnění a malý potřebný výstupní induktor.

Nevýhody

• Vysoký zvlněný proud v C₁ a C₂, které je třeba pečlivě vybírat, aby se nepřehřívaly.
• Pro horní spínač je nutný izolovaný ovladač, který zvyšuje náklady na součástky.
• Fungování při polovině vstupního napětí (V_{na adrese}), takže kolektorový proud je dvojnásobný ve srovnání se schématem Push-pull.
• Není vhodný pro řízení v proudovém režimu.

Aplikace

• Vhodné pro aplikace s vysokým vstupním napětím až do 440 V sítě.
• Velký počítačový materiál.
• Dodávky laboratorního vybavení.

Převodník Full Bridge

Plnomůstkový měnič je výkonnější verzí polomůstkového měniče a poskytuje nejvyšší výstupní výkon (až 1000 W) ze všech výše uvedených měničů.

Plnomůstkové měniče používají transformátor ke snížení pulzujícího primárního napětí a k zajištění izolace mezi zdrojem vstupního napětí a výstupním napětím. V_ven.

Plně můstkový měnič používá čtyři spínače, které pracují střídavě. Dva diagonální spínače spínají NA a  OFF v jednom cyklu PWM a pak další dva diagonální spínače v dalším cyklu PWM. Tok se resetuje, když se sepne druhý pár spínačů. NA, takže jsou možné pracovní cykly od 0 do 1. V každém cyklu jsou přenášeny dva výkonové impulsy, což umožňuje použití menší cívky a výstupního kondenzátoru.

Když přepnete S₁, S₄ jsou NA a přepínač S₂, S₃ jsou OFF, energie se přenáší do zátěže přes sekundární stranu transformátoru. NS₂, D₂a Lo.

Když přepnete S₂, S₃ jsou NA a přepínač S₁, S₄ jsou OFF, energie se přenáší do zátěže přes sekundární stranu transformátoru. NS₁,  D₁a Lo.

V_ven/V_{na adrese} vztah

V_{na adrese} > V_ven

Rozsah pracovního cyklu < 1

Problémem může být nevyváženost proudu u celomůstkového měniče. Volitelný kondenzátor CB může být přidán, takže pokud jeden pár spínačů vede větší proud než druhý pár, napětí na CB se posunou nahoru nebo dolů tak, aby se vyrovnal průtok proudu spínači. Stránka totemový sloup uspořádání spínačů (kdy je jeden nad druhým) je náchylné k proudovému zatížení. průstřel z V_autobus přívodní lišty na zpátečku, když se jeden spínač zapíná. OFF zatímco druhý se otáčí NA. Aby se zabránilo průstřelu, musí být mezi každý přechod spínače vložena mrtvá doba.

Výhody

• Potřeba jednoho síťového vyhlazovacího kondenzátoru oproti dvěma u polovičního můstku šetří místo.
• Zvládá široký rozsah úrovní vstupního a výstupního napětí
• Vysoká hustota výkonu
• Napěťové namáhání spínače je V_{na adrese}
• Vysoké využití jádra (plný výkyv toku v kvadrantech 1 a 3) umožňuje použití menšího jádra.

Nevýhody

• Spínací zařízení mohou být drahá, proto má smysl zahrnout vhodné řídicí obvody, které nabízejí dobrou ochranu zařízení, možnost měkkého startu a rychlé, vysokoproudé řídicí obvody.
• Časovací obvod je složitější a jsou potřeba dva high-side ovladače.
• Vyšší počet součástek, zejména u více regulovaných výstupů.
• V porovnání s ostatními převodníky je drahý, protože používá více součástek.

Aplikace

• Dodávky počítačových mainframů.
• Dodávky velkého laboratorního vybavení.
• Telekomunikační systémy.
• Stejnosměrné servopohony.
• Generování střídavého napětí pro pohony střídavých motorů.
• RF ohřev.
• Nabíječky baterií.

Další článek našeho seriálu o SMPS se zaměří na. rezonanční měniče a jejich hlavní aplikace.