Měniče AC/DC

Obvody často vyžadují integrovaný zdroj střídavého proudu jako optimální strategii pro snížení velikosti, nákladů nebo z důvodu specifických potřeb aplikace. Pochopení klíčových pojmů spojených s převodem a dostupných praktických alternativ je dobrým začátkem k úspěšnému návrhu.

Bezpečnost především!“
Pokud je zdrojem střídavého proudu síťová zásuvka, je třeba věnovat velkou pozornost tomu, aby byla realizace bezpečná. Tento subsystém by měl bez výjimky navrhovat a realizovat kvalifikovaný odborník. Pokud je to možné, použijte předem schválený hotový balíček zástrček.

Soulad je povinný!
Pokud cokoli připojujete do síťové zásuvky, musí to splňovat zákonné certifikační normy v zemi, kde se to bude používat. Ba co víc, musí být testována a certifikována, což je nákladný proces. To proto, aby bylo zajištěno, že je to bezpečné, neruší to ostatní lidi a nepřispívá to k rušení hlavního vedení střídavého proudu.

Co je to měnič AC/DC?
Elektrická energie se po vodičích přenáší buď jako stejnosměrný proud (DC) tekoucí jedním směrem při nekmitavém konstantním napětí, nebo jako střídavý proud (AC) tekoucí dopředu a dozadu díky kmitavému napětí. Střídavý proud je dominantním způsobem přenosu energie, protože oproti stejnosměrnému proudu nabízí několik výhod, včetně nižších nákladů na distribuci a jednoduchého způsobu převodu mezi napěťovými úrovněmi díky vynálezu transformátoru. Střídavý proud, který je přenášen při vysokém napětí na dlouhé vzdálenosti a poté převeden na nižší napětí, je účinnějším a bezpečnějším zdrojem energie v domácnostech. V závislosti na lokalitě se vysoké napětí může pohybovat od 4 kV (kilovoltů) až po 765 kV. Pro připomenutí, střídavá síť v domácnostech se pohybuje od 110 V do 250 V v závislosti na tom, ve které části světa žijete. V USA je typické hlavní vedení střídavého proudu 120 V.

Měniče usměrňují střídavý proud, protože se střídá i jeho napětí, do jalových impedančních prvků, jako jsou induktory (L) a kondenzátory (C), kde se ukládá a integruje. Tento proces odděluje výkon spojený s kladným a záporným potenciálem. K vyhlazení uložené energie se používají filtry, což vede k vytvoření stejnosměrného zdroje pro další obvody. Tento obvod může mít mnoho podob, ale vždy se skládá ze stejných základních prvků a může mít jeden nebo více stupňů přeměny. Měnič znázorněný na obrázku 1 se nazývá „přímý měnič“, který má vyšší účinnost než o něco jednodušší architektura; „zpětný měnič“. Ačkoli o tom podrobně nepojednáváme, flyback konvertor se od přímého konvertoru liší tím, že jeho provoz závisí na energii uložené ve vzduchové mezeře transformátoru v obvodu. Kromě tohoto rozdílu mohou využívat stejné základní bloky.

Obrázek 1: Funkční blokové schéma napájecího zdroje střídavého/stejnosměrného proudu s dopředným převodníkem

Vstupní filtrační blok
Vstupní filtr je důležitý, protože zabraňuje tomu, aby se šum vznikající ve spínacích prvcích zdroje dostal zpět do napájecí sítě. Zabraňuje také tomu, aby se šum, který může být na síťovém napájení, dostal do následných obvodů. Filtr propouští síťový kmitočet 50/60 Hz a tlumí šum vyšších kmitočtů a harmonické, které mohou být přítomny. Stejně jako u ostatních částí měniče střídavého proudu na stejnosměrný plní jalové prvky, jako jsou kondenzátory a cívky, důležitou úlohu frekvenčně selektivního potlačení. Kondenzátory nepropouštějí stejnosměrný proud a mohou být použity v sérii (jako prvky blokující stejnosměrný proud „vysokofrekvenční filtr“) nebo paralelně (k odstínění vysokých frekvencí na zem, čímž se zabrání jejich průniku do měniče).

Součástí vstupního filtračního bloku je obvykle také napěťově závislý rezistor nebo varistor, aby se zabránilo poškození zdroje vysokými napěťovými špičkami v elektrické síti. Jedná se o obdélníkový rámeček s úhlopříčkou, která jím prochází na vstupu na obrázku 1. Nejběžnějším typem varistoru je varistor z oxidu kovu (MOV). Jakékoli napětí nad „upínacím napětím“ zařízení způsobí, že se MOV stane vodivým, odstíní špičku vysokého napětí a potlačí přepětí.

Rektifikace
Nejjednodušší měniče AC/DC se skládají z transformátoru, který následuje za vstupní filtrací, která pak přechází na usměrňovač a vytváří stejnosměrný proud. V tomto případě dochází k usměrnění až za transformátorem, protože transformátory nepropouštějí stejnosměrný proud. Mnoho měničů AC/DC však používá sofistikovanější, vícestupňové topologie převodu, jak je znázorněno na obrázku 1, a to kvůli výhodám menších nároků na transformátor a nižšího šumu přenášeného zpět do napájecí sítě.

Rektifikátory jsou realizovány pomocí polovodičových součástek, které podmíněně vedou proud pouze jedním směrem, podobně jako diody. Mezi složitější polovodičové usměrňovače patří tyristory. Křemíkem řízené usměrňovače (SCR) a triody pro střídavý proud (TRIAC) jsou obdobou relé v tom smyslu, že malým množstvím napětí lze řídit tok většího napětí a proudu. Fungují tak, že vedou proud pouze tehdy, když je řídicí „hradlo“ spuštěno vstupním signálem. Zapnutím nebo vypnutím zařízení ve správný čas při průtoku střídavého proudu – proud je řízen tak, aby se vytvořilo stejnosměrné oddělení. K tomuto účelu existuje mnoho obvodů, přičemž signály odposlouchávané z průběhu střídavého proudu se používají jako řídicí signály, které nastavují fázové kvadranty, v nichž jsou tyristory zapnuté nebo vypnuté. Jedná se o komutaci, která může být buď přirozená (v případě jednoduché diody), nebo vynucená, jako v případě složitějších zařízení.

Vysoce účinné zdroje mohou v takových obvodech používat jako spínače aktivní zařízení, jako jsou MOSFETy. Důvodem použití složitějších topologií je obvykle zvýšení účinnosti, snížení šumu nebo funkce řízení výkonu. Diody mají vlastní úbytek napětí, když vedou. To způsobuje, že se v nich rozptyluje výkon, ale jiné aktivní prvky mohou mít mnohem nižší úbytek, a tedy i nižší ztráty výkonu. Obvody SCR a TRIAC jsou zvláště běžné v levných obvodech řízení výkonu, jako je níže uvedený příklad stmívače světla – používají se k přímému řízení a kontrole proudu dodávaného do zátěže při střídání vstupní sítě. Všimněte si, že tato provedení nejsou galvanická, pokud nemají v obvodu transformátor – jsou užitečná pouze v obvodech, které jsou vhodné jako přímé řízení světla připojeného k síti. Používají se také ve vysoce výkonných průmyslových a vojenských napájecích zdrojích, kde je důležitá jednoduchost a robustnost

Obrázek 2: Převodník na bázi SCR

Korekce účiníku (PFC)
Je to nejsložitější aspekt převodníku, kterému je třeba porozumět. PFC je základním prvkem pro zlepšení účinnosti měniče tím, že koriguje relativní fázi odebíraného proudu vůči průběhu napětí, aby byl zachován optimální účiník. Tím se snižují charakteristiky „jalového zatížení“, které by jinak měnič mohl představovat pro napájecí síť. To je nezbytné pro udržení vysoce kvalitních a účinných elektrických sítí a společnosti dodávající elektřinu mohou dokonce zákazníkům, kteří mají špatný účiník, uložit zvláštní tarify za jalový proud. Pasivní nebo aktivní PFC se týká toho, zda se ke korekci fázových poměrů používají aktivní nebo pasivní prvky. Polovodičové PFC se může týkat speciálních integrovaných obvodů s integrovanými regulátory přizpůsobenými k aktivnímu monitorování a regulaci obvodu PFC, což snižuje počet součástek a zjednodušuje celkovou konstrukci při dosažení vyššího výkonu. Mohou obsahovat další funkce, jako je ochrana proti přepětí/podpětí, nadproudová ochrana, měkký rozběh a detekce/reakce na poruchu.

Měnič zobrazený na obrázku 1 je jednostupňový měnič PFC. Kondenzátor v této části slouží k ukládání nesymetrické energie mezi pulzujícím vstupním výkonem a relativně konstantním výstupním výkonem stupně. Podrobnější informace o tom najdete v části „Ukládání jalové energie“. Běžně se používají dvoustupňové měniče PFC, protože nemusí zvládat tak široký rozsah napětí na akumulačním kondenzátoru, jaký se dostává do univerzálních napájecích zdrojů, což má nepříznivý vliv na účinnost konverze. Mohou také nabídnout lepší kompromisy ve velikosti kondenzátoru, což může pomoci snížit náklady.

Výkonový stupeň
Výkonový stupeň řídí výkon dodávaný z primární na sekundární stranu přes transformátor. Skládá se z aktivního spínacího zařízení, které spíná při vysoké frekvenci, která může být v řádu stovek kHz. Stav zapnutí/vypnutí je řízen vstupem šířkově pulzní modulace (PWM), který se mění v závislosti na množství výkonu, který je třeba dynamicky dodat do zátěže. Tato informace se získává cestou zpětné vazby ze sekundární strany, která může být sdělována různými technikami, jež zohledňují požadavky na izolaci měniče. Vyšší frekvence spínání vede k menší potřebě transformátoru, což snižuje jeho velikost a náklady.

Transformátor
Transformátor se skládá z vodičů navinutých na společném jádře, které se vzájemně spojují elektromagnetickou indukcí. To je důležité při připojování k vysokonapěťovým (síťovým) zdrojům – označuje se jako „off-line“ převod, protože indukční vazba odpojuje síť od následného obvodu, což je mnohem bezpečnější scénář než přímé připojení. Toto spojení elektromagnetickým polem namísto přímého měděného obvodu, nazývané „galvanické oddělení“, omezuje maximální energii, která může způsobit úraz elektrickým proudem nebo nebezpečný jiskrový výboj, na energii uloženou v magnetických siločárách transformátorů. Schopnost (související s rozměry a materiály) transformátoru uchovávat energii je důležitým hlediskem při návrhu měniče, protože určuje, jak dobře může transformátor poskytovat energii pro udržení požadovaného potenciálu napětí při měnících se podmínkách zatížení.

Podrobnosti o teorii a fungování transformátoru lze nalézt zde.

Na obrázku 1 je blok nazvaný „Mag Amp Reset“ spojený s demagnetizací transformátoru v důsledku magnetizačního proudu, který je vlastní architektuře. Bez něj by došlo k nasycení materiálu jádra remanencí během několika cyklů PWM výkonového stupně. Ačkoli je tento přídavný obvod příliš složitý na to, abychom se jím zabývali v tomto návodu, může být při prohlížení schémat zapojení měničů velmi matoucí a je užitečné vědět, proč je vyžadován. Existuje řada technik demagnetizace, přičemž nejjednodušší je, že při vypnutém spínači výkonového stupně je demagnetizační proud přiváděn zpětnou diodou přes samostatné pomocné vinutí. Toto zapojení omezuje maximální pracovní cyklus PWM na 50 %, ale lze použít složitější metody umožňující vyšší pracovní cykly.

K přenosu informačních signálů mezi primární a sekundární stranou se často používají transformátory nebo jiné metody galvanického oddělení (např. optočlen). To je nutné k usnadnění složitějšího řízení procesu přeměny – umožňuje řídicímu obvodu situovanému na primární straně reagovat na stav zátěže sekundární strany a dynamicky měnit způsob řízení proudu, aby se dosáhlo nižšího šumu a vyšší účinnosti.

Výstupní obvody
Jak bylo zmíněno v části o filtraci, elektrická pole v pasivních jalových (akumulačních) prvcích, jako jsou kondenzátory a induktory, uchovávají energii. Při použití po usměrnění řízení náboje fungují jako zásobárna energie během střídavého vstupního napájecího cyklu. Jedná se o důležitý prvek v měniči, protože toto úložiště energie funguje jako zdroj – umožňuje konstantní výstupní napětí při měnících se podmínkách zatížení. Aktivní prvky snímají napětí dodávané do zátěže a/nebo proud tekoucí do zátěže a v regulační smyčce se zápornou zpětnou vazbou využívají tyto informace k úpravě energie čerpané do těchto akumulačních prvků, aby byla zachována konstantní úroveň výstupního napětí. Tento proces čerpání využívá aktivní prvky k zapínání a vypínání proudu tekoucího do akumulačních prvků, což se označuje širokým pojmem regulace.

Regulace
Potřebujeme konstantní napětí předkládané zátěžovému obvodu bez ohledu na dynamickou impedanci zátěže. Bez toho mohou nastat stavy nad nebo pod napětím, které vedou k falešnému chování obvodu nebo dokonce k jeho poškození. To platí zejména pro nízkonapěťovou digitální elektroniku, kde musí být napájecí napětí pevně omezeno v rozmezí několika procent jmenovité hodnoty. Reaktivní prvky nemají v tomto ohledu žádnou vestavěnou kontrolu. Způsob, jakým měnič AC/DC dosahuje přísně kontrolovaného okna výstupního napětí, je podmíněné řízení energie uložené v jalovém zdroji s nízkou impedancí.

Výstupní napětí se bude v průběhu času měnit, jak bude z těchto prvků odtékat energie, a může mít také odchylky způsobené neideálními vlastnostmi zařízení – jako je sériový odpor nebo parazitní kapacita. Je zapotřebí nějaký druh dynamického řízení pro dobíjení tohoto zdroje. Tomu se říká regulace. Zátěže, jako jsou mikroprocesory, mění výkon, který vyžadují, když provádějí různé operace, a to ještě zhoršuje potřebu mít aktivní dynamickou regulaci.

Regulace je zpětnovazební obvod, který řídí spínací prvky. V tomto případě je spínací prvek na primární straně měniče. Aby byl spínač účinný, musí být buď tvrdě zapnutý (nejnižší možná impedance), nebo tvrdě vypnutý (nejvyšší možná impedance) – protože mezistavy vedou k tomu, že se energie procházející spínačem rozptyluje a ztrácí. Polovodičové spínače, jako jsou MOSFETS, nejsou ideální a vykazují určitou impedanci, rozptylují energii a to snižuje účinnost konverze.

Existují vlastně jen dva způsoby řízení spínače , a to změnou pracovního cyklu, kdy je spínač zapnutý nebo vypnutý, což se nazývá pulzně šířková modulace (PWM), nebo řízením frekvence zapnutí nebo vypnutí. Měniče bez rezonančního režimu používají techniku tvrdého spínání, ale měniče s rezonančním režimem používají inteligentnější techniku měkkého spínání. Měkké spínání znamená zapínání nebo vypínání střídavých proudových vln v nulových bodech napětí nebo proudu, což eliminuje spínací ztráty a vede k architekturám s velmi vysokou účinností. Techniky jako synchronní usměrnění nahrazují usměrňovací diody aktivními spínacími prvky, jako jsou MOSFETS. Řízení spínání synchronizované se vstupním průběhem střídavého proudu umožňuje MOSFETu vést ve správný čas s velmi nízkým zapínacím odporem a menším úbytkem napětí – což vede k vyšší účinnosti ve srovnání s diodovým usměrněním.

Jak regulační obvod pozná, kdy má spínat? Existují dva principiální způsoby režimu regulace: napěťová regulace a proudová regulace. Regulátory využívají jednu nebo kombinaci obou metod k regulaci napětí předkládaného zátěžovému obvodu.

Režim regulace napětí

Regulační obvod snímá výstupní napětí, porovnává ho s referenčním napětím a vytváří chybovou funkci. Chybový signál upravuje spínací poměr tak, aby se výstupní napětí přiblížilo požadované úrovni. Jedná se o nejjednodušší způsob regulace.

Režim proudové regulace

Snímá se výstupní napětí i proud induktoru a jejich kombinace se používá k řízení pracovního cyklu. Tato vnitřní „proudová snímací smyčka“ umožňuje rychlejší reakci na změnu zátěže, ale je složitější než režim napěťové regulace.

Další komplikací regulačního prvku nad rámec způsobu regulace je způsob, jakým se měnič chová jako komutační cyklus, který se nazývá spojitý nebo nespojitý provozní režim. Spojitý pracovní režim je takový, při kterém proud induktoru nikdy neklesne na nulu (pokud ho topologie měniče má). Jedná se o režim provozu s nižším výstupním zvlněním, a tedy s nižším šumem, ale protože induktor vždy vede, vždy rozptyluje určitou energii ve svých neideálních sériových ztrátách na vedení. V nespojitém režimu může proud induktoru klesnout na nulu, což způsobí, že zátěž získá energii z akumulačních kondenzátorů. Jedná se o provozní režim s vyšší účinností, ale potenciálně má větší zvlnění a horší regulační řízení.

Typy měničů
Jak jsme se již krátce dotkli, existuje několik typů měničů souvisejících s jejich topologií, včetně architektur flyback a buck- flyback. Tyto topologie jsou běžné, protože obsahují transformátory, mají malý počet součástek a mohou být levné ve srovnání s jinými možnostmi. Flyback měniče jsou měniče typu buck-boost (step-up/step down) s induktorem nahrazeným transformátorem. Energie uložená v transformátoru se využívá ke komutaci sekundáru prostřednictvím aktivního nebo pasivního usměrňovacího obvodu. Nejběžnější typ flyback měniče využívá nespojitý režim (DCM) – proud protékající transformátorem se dostává na nulu – protože má obvykle nejjednodušší regulační smyčku a nejnižší náklady. Pro vyšší výkony jsou zapotřebí měniče flyback se spojitým proudovým režimem (CCM), které však mají za následek vyšší ztráty ve vinutí transformátoru v důsledku spojitého vedení. Mnoho napájecích zdrojů přepíná mezi režimy v závislosti na úrovni zatížení. Kvazirezonanční (QR) a údolní spínání/variace frekvence na flyback topologii jsou složitější obvody, které optimalizují, kdy a jak dochází ke spínání, aby se zlepšila účinnost. QR flyback toho dosahuje recyklací energie neideálních svodových indukčností a údolní spínání snižuje špičky způsobené přeběhem. Obvykle se používají v aplikacích s nízkou spotřebou energie.