SMPS: Convertitori isolati simmetrici

L'articolo precedente della nostra serie sugli alimentatori a commutazione (SMPS) ha riguardato topologie di convertitori asimmetrici isolati. Ora analizzeremo diversi convertitori isolati simmetrici con i loro vantaggi e svantaggi per le diverse applicazioni.

Convertitori simmetrici richiedono un numero pari di interruttori. Viene utilizzata l'intera oscillazione del flusso disponibile in entrambi i quadranti dell'anello B-H, utilizzando così il nucleo in modo molto più efficace. Pertanto, può produrre più potenza rispetto ai convertitori asimmetrici. Push-pull, mezzo ponte, e ponte intero I convertitori sono tutti convertitori simmetrici.

Convertitore push-pull

Un convertitore push-pull è un convertitore bidirezionale che utilizza un trasformatore per garantire l'isolamento galvanico del carico e la conversione di tensione (AC-DC e DC-DC).

I convertitori push-pull vengono utilizzati in presenza di un'ampia variazione dell'ingresso e quando la tensione di uscita è inferiore a quella di ingresso. Possono essere utilizzati per livelli di potenza compresi tra 100 W e 500 W.

Il trasformatore utilizzato in un convertitore push-pull è costituito da un primario con attacco centrale e da un secondario con attacco centrale. Gli interruttori S₁ e S₂ sono pilotati dal circuito di controllo, con ciascun interruttore pilotato alternativamente, pilotando così il trasformatore in entrambe le direzioni. Il trasformatore push-pull è tipicamente la metà di quello dei tipi single ended, con un design più compatto.

Questa azione push-pull produce il ripristino naturale del nucleo durante ogni semiciclo, per cui non è necessario un avvolgimento di clamp. L'alimentazione viene trasferita al circuito di uscita di tipo buck durante ogni periodo di conduzione dell'interruttore. Il rapporto di lavoro di ciascun interruttore è solitamente inferiore a 0,45. Questo fornisce un tempo morto sufficiente per evitare la conduzione incrociata degli interruttori. In questo modo si ottiene un tempo morto sufficiente per evitare la conduzione incrociata degli interruttori. L'alimentazione può essere trasferita all'uscita per un massimo di 90% del periodo di commutazione, consentendo una maggiore potenza di uscita rispetto ai tipi single-ended.

Quando l'interruttore S₁ è ON e commutare S₂ è SPENTO, L'energia viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore. NS₂, D₄ e Lo.

Quando l'interruttore S₂ è ON e commutare S₁ è SPENTO, L'energia viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore. NS₁, D₃ e Lo.

Quando entrambi gli interruttori S₁ e S₂ sono SPENTO, Il diodo di corpo dell'interruttore fornisce il percorso per l'energia di dispersione immagazzinata nel primario del trasformatore. Il diodo raddrizzatore di uscita D₃ diventa polarizzato in avanti e trasporta metà della corrente dell'induttore attraverso il secondario del trasformatore. NS₁, e metà della corrente dell'induttore è trasportata dal diodo D₄ attraverso il secondario del trasformatore NS₂. Questo comporta tensioni uguali e contrarie applicate ai secondari del trasformatore (entrambi NS₁ e NS₂ hanno un numero uguale di spire) quindi, la tensione netta applicata sul secondario durante la fase di T_spento è pari a zero.

V_fuori/V_in Relazione

V_in > V_fuori

Intervallo del ciclo di lavoro < 1

Vantaggi

• Gamma di potenza raggiungibile fino a diversi KW
• Il pilotaggio degli interruttori push-pull non richiede un'alimentazione isolata.
• Circuito semplice
• Alta efficienza
• Richiede un piccolo induttore di uscita
• Possibilità di uscite multiple

Svantaggi

• Ciascun interruttore deve bloccare il doppio della tensione d'ingresso a causa dell'effetto di raddoppio del primario a centro corsa, anche se vengono utilizzati due interruttori.
• La disposizione della presa centrale comporta anche la necessità di rame supplementare per il primario e un ottimo accoppiamento tra le due metà per ridurre al minimo i possibili picchi di dispersione. Un primario con presa centrale sarebbe normalmente avvolto in bifilare, ma questo causerebbe una grande tensione alternata tra le spire adiacenti.
• L'alta tensione (2 - V_in), lo stress sull'interruttore e l'utilizzo del primario del trasformatore rendono l'uso della topologia push-pull indesiderabile quando la tensione di ingresso è europea, asiatica, universale (90 VAC-230 VAC) o quando si utilizza il PFC. Per questo motivo, la topologia push-pull è più indicata per le applicazioni a bassa tensione, come gli SMPS off-line con ingresso diretto a 110 VCA, regolati dagli Stati Uniti. È stata anche ampiamente utilizzata nei convertitori che operano in sistemi alimentati a batteria da 12 V e 24 V.
• Un altro problema che può verificarsi in un convertitore push-pull è lo spostamento del flusso magnetico (flux walking). Se l'oscillazione del flusso in ogni semiciclo non è esattamente simmetrica, il rapporto volt-sec non si equilibra e ciò provoca la saturazione del trasformatore, in particolare per tensioni di ingresso elevate. Questo squilibrio magnetico può essere causato da un'oscillazione disuguale del flusso in ogni semiciclo. T_su per entrambi gli interruttori, un numero diseguale di spire del primario NP₁ e NP₂ e il secondario NS₁ e NS₂, e un'ineguale caduta di tensione in avanti dei diodi di uscita D₃ e D₄. Questo squilibrio può essere ridotto scegliendo con cura il circuito di pilotaggio degli impulsi di gate, utilizzando un dispositivo di commutazione e aggiungendo un traferro al nucleo del trasformatore.
• Numero di componenti più elevato, in particolare con più uscite regolate.

Applicazioni

• Amplificatore RF (CAR Audio)
• Driver per motori CA
• Driver per motori CC
• Inverter

Convertitore a mezzo ponte

Il convertitore a mezzo ponte è il più diffuso per le applicazioni di maggiore potenza (fino a 500 W). È un derivato del convertitore convertitore buck che utilizza un trasformatore per garantire l'isolamento galvanico del carico e la conversione di tensione (AC-DC e DC-DC).

Anche questa topologia utilizza due componenti magnetici principali, un trasformatore e un induttore di uscita, ma in questo caso il nucleo del trasformatore è utilizzato meglio che in un convertitore forward. Gli elementi di commutazione funzionano in modo indipendente, con un tempo morto intermedio, commutando il primario del trasformatore sia in positivo che in negativo rispetto al punto centrale.

Tempi morti t_d tra due conduttori consecutivi dell'interruttore sono assolutamente obbligatori per evitare un cortocircuito del ponte.

Quando l'interruttore S₁ è ON e commutare S₂ è SPENTO, L'energia viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore. NS₂, D₂ e Lo.

Quando l'interruttore S₂ è ON e commutare S₁ è SPENTO, L'energia viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore. NS₁, D₁ e Lo.

V_fuori/V_in Relazione

V_in > V_fuori

Intervallo del ciclo di lavoro < 1

Vantaggi

• La sollecitazione di tensione sull'interruttore è V_in e questo lo rende molto più adatto alle applicazioni a 250 VCA e PFC.
• Il problema del flux-walking è eliminato in quanto il primario è un unico avvolgimento. Un piccolo condensatore di blocco CC è posto in serie al primario del trasformatore, per bloccare il flusso CC nel nucleo del trasformatore.
• L'elevata efficienza, l'alta densità di potenza e la struttura semplificata del trasformatore lo rendono ideale per le applicazioni di media potenza.
• Eccellente utilizzo del trasformatore, ripple di uscita molto basso e piccola induttanza di uscita richiesta.

Svantaggi

• Elevata corrente di ripple in C₁ e C₂, che devono essere selezionati con cura in modo da non surriscaldarsi.
• Per l'interruttore superiore è necessario un driver isolato, che aumenta il costo del componente.
• Funzionamento a metà della tensione di ingresso (V_in), quindi la corrente di collettore è doppia rispetto allo schema push-pull.
• Non adatto al controllo in modalità corrente.

Applicazioni

• Adatto per applicazioni ad alta tensione di ingresso fino a 440 V di rete.
• Forniture per computer di grandi dimensioni.
• Forniture per attrezzature di laboratorio.

Convertitore a ponte completo

Il convertitore full-bridge è una versione di potenza superiore del half-bridge e fornisce il livello di potenza di uscita più elevato (fino a 1000 W) di tutti i convertitori discussi in precedenza.

I convertitori a ponte intero utilizzano un trasformatore per ridurre la tensione primaria pulsante e per garantire l'isolamento tra la sorgente di tensione di ingresso e la tensione di uscita. V_fuori.

Il convertitore a ponte intero utilizza quattro interruttori che funzionano in modo alternato. Due interruttori diagonali ruotano ON e  SPENTO in un ciclo PWM e poi gli altri due interruttori diagonali nel ciclo PWM successivo. Il flusso viene ripristinato quando viene attivata l'altra coppia di interruttori. ON, per cui sono possibili cicli di lavoro da 0 a 1. Ogni ciclo trasferisce due impulsi di potenza, consentendo l'uso di un induttore e di un condensatore di uscita più piccoli.

Quando l'interruttore S₁, S₄ sono ON e commutare S₂, S₃ sono SPENTO, L'energia viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore. NS₂, D₂e Lo.

Quando l'interruttore S₂, S₃ sono ON e commutare S₁, S₄ sono SPENTO, L'energia viene trasferita al carico attraverso il secondario del trasformatore. NS₁,  D₁e Lo.

V_fuori/V_in relazione

V_in > V_fuori

Intervallo del ciclo di lavoro < 1

Lo squilibrio del flusso può essere un problema con il convertitore a ponte intero. Un condensatore opzionale CB Si può aggiungere una coppia di interruttori in modo che se una coppia di interruttori conduce più corrente dell'altra coppia, la tensione su CB si sposterà verso l'alto o verso il basso in modo da equalizzare il flusso di corrente attraverso gli interruttori. Il totem La disposizione degli interruttori (in cui uno è impilato sopra l'altro) è suscettibile di corrente sparatoria dal V_autobus di alimentazione verso il ritorno quando un interruttore è in funzione. SPENTO mentre l'altro sta girando ON. Per evitare lo shoot-through, è necessario inserire un tempo morto tra ogni transizione di commutazione.

Vantaggi

• Il fatto di richiedere un condensatore di regolazione di rete, rispetto ai due del mezzo ponte, consente di risparmiare spazio.
• Gestisce un'ampia gamma di livelli di tensione in ingresso e in uscita
• Alta densità di potenza
• La sollecitazione di tensione sull'interruttore è V_in
• Un utilizzo elevato del core (oscillazione completa del flusso nei quadranti 1 e 3) consente l'uso di un core più piccolo.

Svantaggi

• I dispositivi di commutazione possono essere costosi, quindi è opportuno includere circuiti di controllo adeguati che offrano una buona protezione del dispositivo, una capacità di soft-start e circuiti di pilotaggio veloci e ad alta corrente.
• Il circuito di temporizzazione è più complesso e sono necessari due driver high-side.
• Numero di componenti più elevato, in particolare con più uscite regolate.
• Costoso rispetto ad altri convertitori, poiché utilizza più componenti.

Applicazioni

• Forniture per computer mainframe.
• Forniture per grandi attrezzature da laboratorio.
• Sistemi di telecomunicazione.
• Azionamenti per servomotori DC.
• Generazione di tensione CA per azionamenti di motori CA.
• Riscaldamento RF.
• Caricabatterie.

Il prossimo articolo della serie SMPS sarà incentrato su convertitori risonanti e le loro principali applicazioni.