Czy potrzebujesz przekształtnika DC-DC z przeplotem?

Utworzono: kwiecień 29, 2022
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Nie wszyscy projektanci są inżynierami systemów zasilania, ale warto wiedzieć coś o różnych sposobach budowy wysokosprawnych przetwornic mocy. Obejmuje to konwersję AC-DC i DC-DC, przekształtniki, obwody PFC i wiele innych urządzeń do konwersji mocy i zwiększania efektywności. Chociaż większość projektantów może nie budować zasilaczy od podstaw, będą musieli je wybrać i zrozumieć, jak zintegrować je z większymi systemami, w tym z systemami, które mogą współdziałać z siecią energetyczną.

Z uwagi na niedawne skupienie się na energii odnawialnej i jej integracji z istniejącą siecią energetyczną, zwłaszcza w USA, więcej projektantów może przejść na inteligentną infrastrukturę i elektronikę mocy. Konwersja mocy jest ważną częścią tej integracji, a zaawansowane projekty przetwornic mocy z pewnością będą bardzo poszukiwane, gdy sieci elektryczne są modernizowane.

Jednym z ważnych typów przetwornic przełączających, o których powinni wiedzieć projektanci, jest przetwornica DC-DC z przeplotem. Ten typ przetwornicy wykorzystuje prosty pomysł, aby zapewnić wysoką efektywność konwersji DC-DC, ale jest wyjątkowo przystosowana do warunków w odnawialnej sieci, pojeździe z wieloma bateriami i złożonych systemach z niezależnymi obciążeniami. Te przetwornice mogą być konstruowane jako duży system z wielu etapów przetwornic, ale dostępne są również małe przetwornice jako układy scalone. Jeśli zdecydujesz się użyć tej topologii przetwornicy w swoim następnym systemie, czytaj dalej, aby dowiedzieć się o jej funkcji i niektórych najlepszych praktykach wyboru komponentów.

Co to jest przetwornica DC-DC z przeplotem?

Przetwornica DC-DC jest zwykle obsługiwana z określoną topologią podczas interakcji z pewnym źródłem DC. Wejście jest przekazywane do przetwornicy 1. etapu, zwykle w celu obniżenia napięcia i mocy wyjściowej do magistrali. Przetwornica 2. etapu pobiera moc z magistrali wyjściowej 1. etapu i może przekształcać w górę lub w dół, w zależności od potrzeb w tej sekcji PDN. W projektach, które tworzymy, użyjemy przetwornicy przełączającej jako przetwornicy 1. etapu, a następnie możliwe małego regulatora napięcia LDO IC do ponownego obniżenia do niższych poziomów logiki. Daje to topologię pokazaną na poniższym obrazie:

W powyższej topologii mamy przetwornicę jednowejściową jednowyjściową (SISO), która następnie łączy się z przetwornicą SISO znajdującą się dalej w dół, i tak dalej. Zazwyczaj obejmuje to 2 lub 3 etapy, aby obniżyć napięcie do różnych poziomów logiki z regulowanego lub nierównego wejścia DC, a blok DC IN może być zasilany przez mostek prostowniczy.

Co się dzieje, gdy mamy wiele izolowanych obciążeń, wiele źródeł lub oboje? Tutaj pojawia się przeplot.

MIMO, MISO lub SIMO z przeplotem

Przeplot to technika, w której używa się wielu etapów przetwornicy z pojedynczym źródłem zasilania do napędzania wielu obciążeń, z wieloma źródłami zasilania do napędzania pojedynczego obciążenia, lub pewnej mieszanki tych dwóch. Przetwornica DC-DC z przeplotem wykorzystuje wiele równoległych etapów przetwornicy przełączającej podłączonych do wspólnej magistrali wejściowej i wyjściowej. Istnieją trzy ogólne topologie używane w przetwornicach DC-DC z przeplotem:

Pojedyncze wejście, wiele wyjść (SIMO): To prawdopodobnie najczęstszy typ przetwornicy DC-DC z przeplotem. Pojedyncze źródło zasilania dostarcza energię do wielu równoległych etapów przetwornicy na pojedynczej magistrali. Każdy etap przetwornicy dostarcza moc wyjściową do własnego obciążenia, które może być galwanicznie izolowane od pozostałych obciążeń na magistrali wyjściowej.
Wiele wejść, pojedyncze wyjście (MISO): To odwrotność przetwornicy SIMO z przeplotem. Te przetwornice działają z wieloma źródłami zasilania, gdzie źródła zasilania są generalnie niezależne od siebie i nie dzielą tej samej magistrali wejściowej. Magistrala wyjściowa jest wspólna, ponieważ wszystkie przetwornice dostarczają moc do pojedynczego obciążenia.
Wiele wejść, wiele wyjść (MIMO): To prawdopodobnie najbardziej skomplikowane przetwornice DC-DC z przeplotem, ale jest to standardowy typ przetwornicy używany w ładowarkach baterii w instalacjach solarnych. Wiele źródeł jest przeplatanych z wieloma etapami mocy, które mogą następnie dzielić moc na wiele obciążeń.

Z powyższej listy wynikają dwie jasne sytuacje, w których możesz potrzebować przetwornicy z przeplotem. Po pierwsze, możesz potrzebować czerpać moc z wielu źródeł, każde o innej napięciu, i każde wymagające różnych współczynników podwyższania lub obniżania napięcia. Po drugie, możesz potrzebować zasilać wiele obciążeń o bardzo różnych impedancjach. Umieszczenie obciążenia o niskiej impedancji na magistrali wyjściowej z przetwornicy SISO może spowodować, że przetwornica wejdzie w tryb pracy nieciągłej, ale izolowanie tego obciążenia do własnego etapu przetwornicy pomaga uniknąć nieciągłej pracy dla wszystkich innych obciążeń.

Cel przeplotu

Jak wspomniałem powyżej, chodzi o zapewnienie ciągłego trybu pracy, ale jest w tym coś więcej niż tylko działanie w tym trybie. Istnieją przykłady przetwornic, które działają całkowicie w trybie nieciągłym. Cały punkt za przeplotem jest prosty: zmniejszenie tętnień w dostarczanym prądzie. Osiąga się to przez przesunięcie faz sygnałów PWM przełączających, jak pokazano w poniższym przykładzie.

W tym przykładzie mamy 2 równe dławiki, a sygnały PWM wysyłane do tranzystorów MOSFET na każdym etapie przetwornicy są przesunięte w fazie o 90 stopni (wykresy oznaczone jako Q1 i Q2). Tutaj, całkowity prąd pobierany do obwodu i dostarczany do wyjścia jest sumą prądów w dławikach wyjściowych. Dodając te dwie krzywe na dolnym wykresie, możemy zobaczyć, jak całkowity prąd będzie miał znacznie mniejsze tętnienia w porównaniu do każdej z krzywych osobno.

Z powyższego wykresu można wywnioskować dwa efekty na prąd pobierany do przetwornicy i dostarczany do komponentów obciążenia:

Na wejściu w przetwornicy SIMO: Różnica faz w prądzie cewki powoduje, że całkowity prąd pobierany ze źródła staje się bardziej płynny. Ponieważ całkowity prąd jest rozdzielany na każde wyjście, prąd każdego wyjścia ma N razy mniejsze tętnienia.
Na wyjściu w przetwornicy MISO: Różnica faz powoduje teraz, że prąd dostarczany do pojedynczego obciążenia ma mniejsze tętnienia. Indywidualne prądy pobierane na wejściu są mniejsze o czynnik N mniejszych tętnień.

Z tego powodu te systemy są czasami nazywane „przetwornicami wielofazowymi”, ponieważ mają one wiele etapów wykorzystujących sygnały PWM o różnych fazach. Te sygnały PWM mogą być zsynchronizowane z zegarem głównym, a do każdego z nich indywidualnie dodawana jest faza, możliwe w sterowniku bramki PWM dla etapu przełączania.

Korekcja współczynnika mocy

Jeśli twój przetwornik będzie podłączony do zasilania AC (jako źródło lub obciążenie), prawdopodobnie będziesz pracować przy wystarczająco wysokim prądzie, aby potrzebować obwodu korekcji współczynnika mocy (PFC). Podobnie jak przetwornice DC-DC mogą być zaprojektowane z topologią przeplatania, tak samo można zaprojektować sekcję PFC. Innymi słowy, obwód PFC może być zastosowany do każdego etapu przetwornicy, dając prosty sposób na usunięcie zniekształceń harmonicznych. Będzie to zgodne ze schematem blokowym pokazanym w następnej sekcji.

Wybór komponentów dla przeplatanych przetwornic DC-DC

W powyższym przykładzie nie pokazałem konkretnego schematu obwodu, ponieważ przeplot można zaimplementować z dowolną ze standardowych topologii przetwornic przełączających. Jako przykład, rozważ poniższy schemat blokowy. Istnieje sekcja PFC, która może obsługiwać wiele wejść, a sekcja PFC łączy się z wieloma przetwornicami na wyjściu. Sekcje przetwornic mogą być w dowolnej ze standardowych topologii regulatorów przełączających i sterowane typowym sterownikiem/kontrolerem PWM. Przykłady niektórych wielokanałowych komponentów PFC/kontrolera zostaną pokazane w następnej sekcji.

Do tej pory nie ma w pełni zintegrowanej przeplatanej przetwornicy DC-DC. Jednak, podobnie jak inne komponenty regulatorów, istnieje wiele układów scalonych, które można użyć jako główny kontroler/sterownik dla przeplatanej przetwornicy przełączającej o standardowej topologii. Jeśli jesteś gotowy do rozpoczęcia projektowania przeplatanej przetwornicy DC-DC, rozważ te przykładowe komponenty. Te komponenty mogą dać ci dobry punkt wyjścia dla nowego projektu, a przedstawione poniżej obwody aplikacyjne powinny ładnie zilustrować, jak są budowane obwody przeplatane.

Texas Instruments, LM5032

LM5032 od Texas Instruments to podwójny, przeplatany sterownik PWM do zastosowań w konwersji mocy DC-DC. Urządzenie akceptuje zasilanie DC od 36 V do 75 V i zwiększa lub zmniejsza napięcie wyjściowe za pomocą dwóch sygnałów sterujących PWM. Te sygnały sterujące PWM mogą przełączać tranzystory MOSFET w standardowym obwodzie przetwornicy mocy po stronie wyjściowej z programowalną częstotliwością do 2 MHz. Szeroki zakres napięcia wejściowego sprawia, że ten komponent znajduje zastosowanie w systemach zarządzania mocą EV/HEV do ładowania/rozładowywania baterii. Inne obszary zastosowań obejmują systemy przemysłowe i systemy telekomunikacyjne.

Texas Instruments, TPS40322TPS40322 od Texas Instruments to podwójny sterownik/przetwornica typu buck, który może być używany w aplikacjach przeplatanych. Ten kontroler może zapewniać sprawność przekraczającą 90% w całym zakresie napięcia wejściowego. Napięcie wyjściowe można skonfigurować za pomocą pasywnych elementów na 3 pinach, a zewnętrzny rezystor ograniczający prąd może być użyty do ustawienia pożądanej ochrony przed przeciążeniem. Docelowe zastosowania obejmują sprzęt sieciowy niskonapięciowy oraz inne produkty znajdujące się w małych centrach danych.

ON Semiconductor, FAN9672

FAN9672 od ON Semiconductor to kontroler PFC z dwoma kanałami przeplatania zaprojektowany do wspierania przetwornic mocy, które łączą się z siecią elektryczną. Poniższy przykładowy schemat aplikacji ilustruje standardowe zastosowanie z sekcją prostowania i filtrem EMI, po których następują dwa etapy przetwornicy, z których każdy ma zewnętrzny obwód sterownika. Przykładowe zastosowania obejmują sprzęt HVAC, centra danych, telekomunikację i produkty przemysłowe.

Inne komponenty do systemów mocy przeplatanej

Jedną z wielkich zalet pracy z topologią przetwornicy DC-DC z przeplataniem jest to, że komponenty filtrujące, które można użyć w projekcie, mogą być znacznie mniejsze. Nie odnosi się to tylko do ich wartości składowych, ale także do ich rozmiaru fizycznego. Prąd tętnień na wyjściu jest naturalnie niższy dzięki strategii przeplatania, więc nie musisz używać większych kondensatorów i dławików, aby zmniejszyć całkowite tętnienie.

Ponieważ będziesz potrzebować wielu innych komponentów do wsparcia systemu mocy przeplatanej, skompilowaliśmy poniżej listę, która pomoże Ci zacząć. Zakres komponentów elektroniki mocy jest już duży, a wiele z nich może być dostosowanych do użytku w przetwornicach mocy przeplatanej. Niektóre inne ważne komponenty, których możesz potrzebować, to:

Kiedy będziesz gotowy do budowy przetwornicy DC-DC z przeplotem, znajdziesz te i inne ważne komponenty, używając zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Wyszukiwarka elektroniki w Octopart daje dostęp do aktualizowanych danych o cenach dystrybutorów, zapasach części, specyfikacjach części oraz danych CAD, i wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zobacz naszą stronę z układami scalonymi, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Zostań na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.