Przetwornice

Linki:

"Przetwornica" - krótkie i jakże treściwe określenie w języku polskim, oznaczające zazwyczaj najistotniejszą część zasilacza impulsowego (ang. SMPS - switched-mode power supply). Jeśli szukasz definicji - masz ją tutaj: http://pl.wikipedia.org/wiki/Przetwornica_napięcia - ja zajmę się stroną praktyczną przetwornic opartych na elementach indukcyjnych.

Skąd wziąć elementy indukcyjne?

Należy je po prostu kupić (jeśli są w miarę standardowe) lub zamówić. Ceny na współczesnym rynku są naprawdę przyzwoite i nasi producenci często przychylni dla amatorów. Jeśli masz pomysł na przetwornicę i potrzebujesz nietypowych elementów - zwróć się np. do Ferystera - zapewniam, że tam znajdziesz pomoc.

Podział przetwornic

W literaturze spotyka się wiele sposobów usystematyzowania przetwornic:
 - jedno- i dwutaktowe, nazywane często również przepustowymi (forward) i zaporowymi (flyback) - jest to podział związany ze sposobem gromadzenia energii w polu magnetycznym dławika,
 - izolowane i nieizolowane,
 - transformatorowe i beztransformatorowe.

Gromadzenie energii w polu magnetycznym

Bez względu na topologię przetwornicy, w każdej z nich występuje zjawisko gromadzenia energii w polu magnetycznym. Jeśli jest to przetwornica wykonana zgodnie ze sztuką a nie projektowana przez chińskiego księgowego - gromadzenie i oddawanie energii następuje w dławiku. I to dławik jest kluczowym elementem każdej przetwornicy opartej na elementach indukcyjnych. Przeglądając różne topologie na znanej stronie http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/vgw_smps_e.html zauważysz, że jest jedna - zdawałoby się - bez dławika: flyback. Jednak nic bardziej mylnego - to, co zdaje się być transformatorem, jest w rzeczywistości dławikiem sprzężonym gromadzącym i oddającym energię. Zwróć uwagę, ze jedynie w tej topologii "transformator" na rdzeniu ferrytowym wykonuje się ze szczeliną.

Dobór topologii przetwornicy

Jednym z najtrudniejszych zadań przy konstruowaniu przetwornicy jest poprawny dobór jej topologii.
Zdecydowanie najprostsza sprawa jest w przypadku zasilania sieciowego. Wiadomo, że w takim przypadku potrzebujemy zazwyczaj izolacji galwanicznej, czyli mamy do wyboru albo topologię flyback albo którąś z transformatorowych. Dobrym kryterium podziału jest moc przetwornicy.
Przyjmijmy wstępny podział:

 <= 150W - flyback
 100-300W(kilka kW) - forward
 150-1000W - half-bridgde
 > 500W - full-bridge

Jak widać - bardzo trudno ściśle określić granice i zakresy zastosowań poszczególnych topologii pokrywają się. Wynika to z pewnych zalet i wad poszczególnych konfiguracji, które ujawniają się przy konkretnych zastosowaniach. Skupmy się przez chwilę na wadach i zaletach:

Flyback:


+ prostota realizacji,
+ bardzo elastyczna praca w szerokim zakresie napięć wejściowych i wyjściowych,
- wysoki prąd szczytowy klucza,
- wysokie napięcie klucza,
- energia rozproszenia wymaga stosowania układów tłumiących.

Bardzo rozpowszechniona topologia małych mocy. Zarówno w zasilaczach sieciowych jak i w małych przetwornicach DC/DC. Ograniczeniem jej stosowania jest narastająca i trudna do opanowania energia rozproszenia przy większych prądach po stronie pierwotnej. Ale przy mniejszych mocach - niezastąpiona.

Forward jednotranzystorowy:

+ prostota realizacji niemal porównywalna z flybackiem,
+ mniejszy prąd klucza niż dla flybacka,
+ mniejszy prąd RMS strony wtórnej,
- ograniczenie wypełnienia <50%,
- wysokie napięcie klucza,
- wysokie napięcie po stronie wtórnej,
- energia rozproszenia wymaga stosowania układów tłumiących.

Konfiguracja spotykana stosunkowo rzadko - zdarzały się zasilacze komputerowe korzystające z tej topologii.

Forward dwutranzystorowy:

+ mniejszy prąd klucza niż dla flybacka,
+ mniejszy prąd RMS strony wtórnej,
+ niskie napięcia na kluczach,
+ energia rozproszenia oddawana do zasilania,
- bardziej skomplikowana konstrukcja, wymagająca stosowania transformatora sterującego lub specjalizowanego drivera kluczy,
- ograniczenie wypełnienia <50%,
- wysokie napięcie po stronie wtórnej.

Tu pojawia się dość zaskakujące zastosowanie, które obraca na swoją korzyść jedną z wad - wysokie napięcie po stronie wtórnej. Okazuje się, że ta konfiguracja daje wyjątkowo dobre efekty w spawarkach. To, co jest wadą w innych zastosowaniach ułatwia zajarzenie łuku w spawarce bez utraty innych możliwości. Bardzo poważną zaletą jest również to, że prąd RMS w uzwojeniu wtórnym jest znacznie niższy od prądu wyjściowego, co ułatwia nawijanie transformatora.

Push-pull z odczepem (center-tapped transformer):

+ prostota sterowania kluczy,
+ niskie straty na kluczach,
- duża pojemność własna transformatora,
- wysokie napięcie klucza,
- energia rozproszenia wymaga stosowania układów tłumiących.

Konfiguracja praktycznie niestosowana w układach zasilanych z sieci ze względu na wyjątkowo dokuczliwe nagromadzenie wad przy praktycznym braku zalet dla zasilaczy sieciowych. Natomiast bardzo dobra dla zasilaczy niskonapięciowych, gdzie prostota sterowania oraz najniższe straty na kluczach dają tej topologii znaczącą przewagę.

Half-bridge (półmostek):

+ niskie napięcia na kluczach,
+ energia rozproszenia oddawana do zasilania,
- bardziej skomplikowana konstrukcja, wymagająca stosowania transformatora sterującego lub specjalizowanego drivera kluczy,
- konieczność zapewnienia odseparowania składowej stałej po stronie pierwotnej.

Bardzo zrównoważona topologia, bardzo chętnie stosowania w układach zasilania sieciowego średniej mocy. Większość zasilaczy komputerowych jest zrealizowana w tej konfiguracji.

Full-bridge (pełny mostek):

+ niskie napięcia na kluczach,
+ energia rozproszenia oddawana do zasilania,
+ możliwość uzyskania dużych mocy przy stosunkowo niskich stratach na kluczach,
- najbardziej skomplikowana konstrukcja, używająca aż 4 kluczy, wymagająca stosowania transformatora sterującego lub specjalizowanego drivera kluczy,

Duża moc po prostu.

Przetwornice izolowane DC/DC

Trochę inaczej wygląda sprawa doboru topologii izolowanej przetwornicy w przypadku zasilania jej z niskiego napięcia. Tu, w zależności od mocy, królują dwie topologie: flyback dla prądu pobieranego rzędu 0.5A i mniej, oraz push-pull z odczepem dla większych mocy. Paradoksalnie układ, który przy zasilaniu wyższym napięciem wykazuje praktycznie same wady, przy napięciu niższym okazuje się niezastąpionym.

Przetwornice nieizolowane DC/DC

Kryterium podziału topologii przetwornic nieizolowanych DC/DC jest zależność pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym. Mamy trzy podstawowe układy takich przetwornic oparte na pojedynczym kluczu, jednym dławiku i jednej diodzie:

Step-down (buck) - przetwornica obniżająca napięcie

Step-up (boost) - przetwornica podwyższająca napięcie

Buck-boost - przetwornica zmieniająca napięcie i polaryzację (odwracająca)

Najtrudniejszym przypadkiem jest ten, w którym napięcie wejściowe zmienia się i może być niższe lub wyższe od wyjściowego. Tu już niestety nie ma prostego rozwiązania układu nieizolowanego. Dwa najbardziej znane, to SEPIC i step-up/down Motoroli. SEPIC wymaga dwóch dławików lub dławika sprzężonego 1:1 oraz kondensatora sprzęgającego i przypomina w zachowaniu flyback. Step-up/down Motoroli natomiast wymaga dwóch kluczy i dwóch diod. W obu przypadkach uzyskane wyniki sprawności są dość zniechęcające i układy nadają się do przenoszenia stosunkowo niewielkich mocy - rzędu kilkunastu W.

Przy większych mocach zdecydowanie lepiej zastosować typowy układ transformatorowy zamiast przetwornicy typowo nieizolowanej.
Jednak szczególnym przypadkiem są przetwornice step-down dla niskich (3.3V i niżej) napięć wyjściowych. Tutaj stosuje się rozwiązanie niedostępne dla amatorów: wielofazowe przetwornice synchroniczne.

Oprócz omówionych tutaj układów istnieje wiele mutacji układowych, mniej lub bardziej skomplikowanych i udziwnionych. Jedną z ciekawszych jest topologia CUK, gdzie zarówno po stronie pierwotnej jak i wtórnej płyną prądy w trybie CCM.

RoMan