Zasilacze i transformatory impulsowe

Tendencja światowa idąca w kierunku ciągle wzrastającej wydajności i postepującej miniaturyzacji mająca miejsce w dziedzinie technologii urządzeń elektronicznych, doprowadziła w ostatnich latach do zastąpienia konwencjonalnych zasilaczy sieciowych, przez nowoczesne zasilacze impulsowe (zwane dalej SMPS).

Dostępność nowych materiałów magnetycznych dla transformatorów pracujących w obszarze częstotliwości do około 1MHz, oraz postęp który nastąpił w dziedzinie zasilaczy, dał bodziec do rozwoju nowych transformatorów wysokich częstotliwości.

Tendencja ta spowodowała rozwój w technologii nowych Ferrytów Mn-Zn z bardzo małymi strukturami ziaren lub materiałów ze zredukowanymi stratami histerezy, co umożliwia transmisje mocy w obszarze od 1 do ł MHz . Wysokie czestotliwości pracy wpływają na dalszą redukcje wymiarów rdzeni a przez to i całych zasilaczy. Nowa zasada projektowania w technologii planarnej czyni możliwymi do wykonania transformatory wysokiej częstotliwości o diametralnie zredukowanych wymiarach (transformatory płaskie, transformatory nisko profilowe). Owa technologia bedzie mieć silny wpływ na rozwój konwerterów DC-DC, AC-DC, a także na produkcje hybrydowych zasilaczy impulsowych.

1.Przy projektowaniu transformatorów impulsowych DC-DC zostały postawione nastepujące wymagania:

• wysoka wydajność
• małe rozmiary
• minimalne napięcie pracy
• niski wskaźnik powstających zakłóceń
• niski prąd jałowy

2.Zanim zaprezentujemy nasze transformatory wysokiej mocy na rdzeniach EE , EFD , ETD , i na rdzeniach toroidalnych, wyjaśnimy podstawowe zasady obwodów dla zasilaczy SMPS.

W zasilaczach konwencjonalnych, zmiana napięcia i separacja galwaniczna były realizowane na transformatorze z rdzeniem stalowym, pracującym przy czestotliwości 50Hz, prostowniku półprzewodnikowym oraz na liniowym stabilizatorze napięcia .

Jednakże efektywność tego układu jest bardzo niska (nie przekracza 50%) , ogromna cześć mocy jest zamieniana w transformatorze, w diodzie i stabilizatorze analogowym na ciepło.

Zalecana nominalna moc wyjściowa wymaga ponad wymiarowego transformatora sieciowego i dużych możliwości odprowadzania traconej mocy w postaci ciepła. Owej niedogodności można uniknąć poprzez zwiększenie częstotliwości pracy do zakresu kilkuset kHz i zastąpienie regulatora napięcia, przez klucz elektroniczny inteligentnie sterowany.

Nowoczesne zasilacze SMPS (rys.poniżej) są oparte na takiej właśnie zasadzie. Ich funkcją jest zamiana napięcia sieciowego na napięcie stałe a następnie wysokie napięcie kluczowane jest szybko przełączającymi tranzystorami. Efektem tego jest napięcie prostokątne wysokiej czestotliwości którego wartość jest zamieniana w transformatorze impulsowym i prostowana w zależności od zastosowania.

Stabilizacja mocy wyjściowej jest osiągana przez zmiane szerokości impulsu, przy stałej czestotliwości lub przez załączanie kluczowania w pewnych okresach czasu w zależności od chwilowego obciążenia układu.

Najważniejszymi zaletami SMPS porównywalnymi z konwencjonalnymi zasilaczami są:

• niska waga, zredukowana objetość, poprawiona wydajność (tabela poniżej)
• mała pojemność kondensatorów filtrujących dla wysokich czestotliwości załączania
• brak słyszalnych zakłóceń, co spowodowane jest tym że czestotliwość załączania znajduje się poza obszarem słyszalności
• prosta obsługa różnych wyjść napięciowych
• łatwe regulowanie dużych napieć sieciowych

Wraz z rozwojem szybko załączających tranzystorów dużej mocy dla wysokich czestotliwości stało sie możliwe stosowanie SMPS pracujących przy czestotliwości aż do 1 MHz. Przy tego typu transformatorach rezonansowych czestotliwości pracy mogą być podwyższone nawet do 3 MHz. Niemniej jednak zalety te są pomniejszane przez niepożądane silniejsze promieniowanie wysokiej czestotliwości jak również niższą predkość reakcji przy ewentualnych zmianach obciążenia.

Jako producent elementów indukcyjnych jesteśmy w stanie dostarczyć właściwe elementy indukcyjne do wszystkich układów zasilaczy impulsowych powszechnego użytku, takich jak:

• transformatory mocy
• dławiki magazynujące energię
• transformatory sterujące
• dławiki przeciwzakłóceniowe

Dzięki naszym badaniom w dziedzinie zasilaczy elektronicznych jesteśmy w stanie doradzić Panstwu w projektowaniu transformatorów SMPS.

Zasady działania zasilaczy SMPS.

Różne typy zasilaczy stosowane są w zależności od wymaganej mocy wyjściowej.

Kryteria wyboru dla różnych rodzajów transformatorów:
Główne typy transformatorów:

• flyback
• forward jedno-impulsowe
• push/pull
• rezonansowe(tylko dla wyższych częstotliwości)

Różne rodzaje obwodów transformatorów:

Transformatory flyback.

Wykres poniżej ilustruje podstawowe przebiegi prądu i napiecia dla transformatora typu flyback

W pierwszej fazie cyklu, klucz podłącza dławik L bezpośrednio do napiecia wejściowego. Dzieki stałemu napieciu wejściowemu Ue, prąd który wzrasta liniowo przepływa przez dławik.

W tej fazie dioda D jest blokowana. Gdy klucz S otwiera sie, polaryzacja na dławiku jest odwracana, tak że dioda otwiera sie a energia zmagazynowana w dławiku jest przekazywana do kondensatora ładującego CLi obciążenia Rl. Dławik zachowuje sie jak źródło energii. Tak wiec poprzez regulacje czasu ładowania tinput, przy, danej czestotliwości możliwe jest zróżnicowanie energii zmagazynowanej w dławiku

W celu uzyskania separacji galwanicznej pomiedzy wejściem a wyjściem obwodu, dławik jest zastąpiony przez transformator (ilustracja poniżej). Ten element wystepuje jako pośredni magazyn energii, tak też obwód obciążeniowy może używać energii zmagazynowanej w transformatorze i nie dochodzi do bezpośredniego obciążenia źródła zasilania.

Warunkiem magazynowania energii jest to, aby rdzen transformatora posiadał szczeline powietrzną w środkowej kolumnie, albo przekładke izolacyjną miedzy obydwoma połówkami rdzenia (co daje ten sam efekt co szczelina powietrzna w środkowej kolumnie rdzenia), przy czym zastosowanie szczeliny powietrznej w środkowej kolumnie rdzenia zapewnia lepsze sprzeżenie miedzy uzwojeniami

Transformatory typu forward

Poniższa ilustracja pokazuje podstawowy układ transformatora typu forward. Gdy klucz S jest zamkniety wówczas prąd który wzrasta liniowo przepływa przez cewke wprost do kondensatora Ca i do obciążenia Rl. W tej fazie energia jednocześnie transportowana jest do dławika i do obciążenia. Dioda D jest blokowana. Gdy klucz otwiera sie pole magnetyczne dławika zostaje przerwane. Polaryzacja dławika zostaje obrócona powodując tym samym otwarcie sie diody. Energia z dławika dostarczana jest przez diode do kondensatora i do obciążenia. Ponieważ transport energii do układu wyjściowego odbywa sie również podczas gdy klucz jest zamkniety typ tego transformatora nazywany jest forward Analogicznie do transformatorów typu flyback energia w tym typie zasilaczy magazynowana w dławiku może być zmieniona przez różne czasy kluczowania.

Wykres poniższy przedstawia rozbudowany zasilacz typu forward wraz z transformatorem dla separacji i zamiany napiecia sieci. Przy zastosowaniu rdzenia bez szczeliny powietrznej utrzymywane jest stałe sprzeżenie magnetyczne jest pomiedzy uzwojeniem pierwotnym a wtórnym. Jednakże gromadzenie i wygładzanie prądu wyjściowego musi być realizowane w oddzielnym dławiku magazynującym energie Ls dla każdego napiecia wyjściowego oddzielnie. Energia magazynowana przez transformator podczas fazy przewodzenia jest transportowana do L1, Dł, Ce w fazie blokowania. Dioda otwiera sie dzieki zmianie polaryzacji dławika magazynującego energie.

W zasadzie transformatory typu push/pull składają sie z dwóch sprzeżonych ze sobą transformatorów (ilustracja poniżej).

Przełączniki S1 i S2 naprzemiennie łączą uzwojenie pierwotne z źródłem Ue. W porównaniu z transformatorem typu flyback, i forward ta konfiguracja oferuje możliwość pracy na pełnej petli histerezy. Dzieki układowi bipolarnemu możliwe jest uzyskanie dwukrotnie wiekszej mocy przy tej samej wielkości rdzenia.

Nawet przy dużych zmianach obciążenia transformator typu push/pull generuje symetryczne napiecie wyjściowe co czyni możliwym bezpośrednie użycie napiecia zmiennego bez wcześniejszego prostowania, stosowane na przykład w oświetleniu halogenowym.

Kryteria wyboru różnych wariantów układu zasilacza

nr. 1

Single transistor forward converter

Zalety:

• łatwe rozmagnesowanie rdzenia
• niewielki koszt

Wady:

• napiecie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds>2Ue
• konieczne uzwojenie rozmagnesowujące
• konieczne dobre sprzężenie magnetyczne miedzy uzwojeniem pierwotnym i rozmagnesowującym

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 2

Push-pull converter

Zalety:

• napiecie sterujące tranzystory ma jednakową wartość

Wady:

• napiecie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds>2Ue
• problemy związane z symetryzacją
• konieczne dobre sprzeżenie magnetyczne miedzy uzwojeniami pierwotnymi
• niebezpieczenstwo jednoczesnego przewodzenia tranzystorów

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 3

Two transistor forward converter

Zalety:

• napięcia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue
• łatwe rozmagnesowanie rdzenia
• transformator może mieć dużą indukcyjność rozproszenia

Wady:

• napiecia sterujące muszą być oddzielone galwanicznie

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 4

Single-ended push-pull converter

Zalety:

• napięcia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue
• transformator może miea dużą indukcyjność rozproszenia

Wady:

• problemy związane z symetryzacją
• niebezpieczenstwo jednoczesnego przewodzenia tranzystorów
• napięcia sterujące muszą być oddzielone galwanicznie

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 5

Full-bridge push-pull converter

Zalety:

• napięcia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue
• transformator może mieć dużą indukcyjność rozproszenia

Wady:

• problemy związane z symetryzacją
• niebezpieczenstwo jednoczesnego przewodzenia tranzystorów jednej gałezi mostka
• napiecia sterujące muszą być oddzielone galwanicznie

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 6

Flyback converter

Zalety:

• jednocześnie można regulować wiele napieć wyjściowych
• duży zakres regulacji przy zmianach napiecia wejściowego

Wady:

• napiecie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds>2Ue
• silne obciążenie kondensatora i diody na wyjściu
• konieczne dobre sprzeżenie magnetyczne
• konieczny rdzeń o dużym przekroju ze szczeliną powietrzną
• problemy związane z promieniowaniem elektromagn. i prądami wirowymi

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

W przypadku trapezowego przebiegu prądu w tranzystorze bądź w uzwojeniu pierwotnym.

nr. 7

Buck converter

Zalety:

• napięcia na tranzystorze w kierunku Uds@Ue
• prosty dławik
• nie wystepujż problemy ze sprzeżeniem magnetycznym
• niewielkie obciążenie kondensatora wejściowego
• możliwy współczynnik wypełnienia Twt/T=1

Wady:

• brak separacji galwanicznej wejścia z wyjściem
• napiecie sterujące musi być "pływające"

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 8

Boost converter

Zalety:

• prosty dławik
• nie wystepują problemy ze sprzeżeniem magnetycznym

Wady:

• napiecie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds@Ua>Ue
• brak separacji galwanicznej wejścia z wyjściem
• średnie obciążenie kondensatora wyjściowego

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 9

Buck-boost converter

Zalety:

• prosty dławik
• nie wystepują problemy ze sprzeżeniem magnetycznym

Wady:

• napiecie na tranzystorze w kierunku zaporowym Uds@Ua+Ue
• brak separacji galwanicznej wejścia z wyjściem
• silne obciążenie kondensatora wyjściowego
• napiecie sterujące musi być "pływające"
• napiecie wyjściowe jest ujemne wzgledem napiecia wejściowego

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

nr. 10

Flyback converter

Zalety:

• podwyższa i obniża napiecie z zachowaniem separacji galwanicznej wejścia z wyjściem (układ identyczny z nr 6)

Wady:

• patrz nr 6

Twt/T - współczynnik wypełnienia

• przebieg napiecia na tranzystorze
• prąd wyjściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wejściowy
• przebieg prądu przepływającego przez kondensator wyjściowy

W przypadku trójkątnego przebiegu prądu przepływającego przez tranzystor bądź uzwojenie pierwotne.