AC/DC-konverter

Kredsløb kræver ofte en integreret vekselstrømskilde som den optimale strategi for at reducere størrelse og omkostninger eller på grund af applikationsspecifikke behov. Forståelse af de centrale begreber i forbindelse med konvertering og de praktiske alternativer, der er til rådighed, er en god start på vejen mod et vellykket design.

Sikkerheden først!
Når vekselstrømskilden er en stikkontakt, skal der udvises stor omhu for at sikre, at en implementering er sikker at bruge. Dette delsystem bør uden undtagelse konstrueres og implementeres af en kvalificeret ekspert. Hvis det er muligt, skal der anvendes en på forhånd godkendt stikpakke fra hylden.

Overholdelse er obligatorisk!
Når du tilslutter noget til en stikkontakt, skal det overholde de juridiske certificeringsstandarder i det land, hvor det skal bruges. Mere end det, skal det være blevet testet og certificeret til at gøre det – en dyr proces. Dette er for at sikre, at det er sikkert og ikke forstyrrer andre mennesker eller bidrager med støj til vekselstrømsnettet.

Hvad er en AC/DC-konverter?
Elektrisk strøm transporteres på ledninger enten som en jævnstrøm (DC), der flyder i én retning ved en ikke-svingende konstant spænding, eller som en vekselstrøm (AC), der flyder frem og tilbage på grund af en svingende spænding. Vekselstrøm er den dominerende metode til transport af strøm, fordi den har flere fordele i forhold til jævnstrøm, herunder lavere distributionsomkostninger og en enkel måde at konvertere mellem spændingsniveauer på takket være opfindelsen af transformeren. Vekselstrøm, der sendes med høj spænding over lange afstande og derefter konverteres ned til en lavere spænding, er en mere effektiv og mere sikker strømkilde i husholdningerne. Afhængigt af stedet kan højspændingsspændingen variere fra 4 kV (kilovolt) op til 765 kV. Til minde om, at vekselstrømsnettet i hjemmene varierer fra 110V til 250V, afhængigt af hvilken del af verden du bor i. I USA er den typiske vekselstrømshovedledning 120V.

Konvertere styrer en vekselstrøm, da dens spænding også veksler, ind i reaktive impedanselementer, såsom induktorer (L) og kondensatorer (C), hvor den lagres og integreres. Denne proces adskiller den strøm, der er forbundet med de positive og negative potentialer. Filtre anvendes til at udjævne den lagrede energi, hvilket resulterer i skabelsen af en jævnstrømskilde til andre kredsløb. Dette kredsløb kan antage mange former, men består altid af de samme væsentlige elementer og kan have et eller flere omdannelsestrin. Den omformer, der er vist i figur 1, kaldes en “forward-konverter”, som har en højere effektivitet end en lidt enklere arkitektur, nemlig en “flyback-konverter”. Selv om det ikke diskuteres i detaljer, adskiller en flyback-konverter sig fra en forward-konverter ved, at dens funktion afhænger af den energi, der er lagret i luftspalten i transformeren i kredsløbet. Bortset fra denne forskel kan de anvende de samme væsentlige blokke.

Figur 1: Funktionelt blokdiagram for en AC/DC-strømforsyning med forward-konverter

Inputfilterblok
Et inputfilter er vigtigt, da det forhindrer støj, der produceres i strømforsyningens koblingselementer, i at komme tilbage til netstrømforsyningen. Det forhindrer også, at støj, der måtte være på netforsyningen, kommer ind i efterfølgende kredsløb. Filteret passerer gennem 50/60 Hz netfrekvens og dæmper højere frekvensstøj og harmoniske frekvenser, der måtte være til stede. Som det er tilfældet med andre dele af en vekselstrøms- til jævnstrømsomformer, spiller reaktive elementer som kondensatorer og induktorer en vigtig rolle med hensyn til frekvensselektiv undertrykkelse. Kondensatorer lader ikke DC passere og kan anvendes i serie (som DC-blokerende “high pass filter”-elementer) eller parallelt (til at shunte høje frekvenser til jorden og forhindre dem i at trænge igennem til konverteren).

Indgangsfiltreringsblokken vil også typisk omfatte en spændingsafhængig modstand eller varistor for at forhindre, at høje spændingsspidser på elnettet beskadiger strømforsyningen. Dette er den rektangulære boks med den diagonale linje gennem den på indgangen i figur 1. Den mest almindelige varistortype er en metaloxidvaristor (MOV). Enhver spænding over enhedens “klemmespænding” får MOV’en til at blive ledende, hvorved den høje spændingsspids overføres til en shunt og undertrykker spændingen.

Rektificering
De enkleste AC/DC-konvertere består af en transformer, der følger indgangsfiltreringen, som derefter går videre til en ensretter for at producere jævnstrøm. I dette tilfælde sker ensretningen efter transformeren, fordi transformatorer ikke lader jævnstrøm passere. Mange AC/DC-konvertere anvender imidlertid mere sofistikerede, flertrins-konverterings-topologier som vist i figur 1 på grund af fordelene ved mindre transformerbehov og mindre støj, der refereres tilbage til strømforsyningsnettet.

Rektificatorer implementeres ved hjælp af halvlederkomponenter, der betinget kun leder strømmen i én retning, som f.eks. dioder. Mere sofistikerede halvlederensrettere omfatter thyristorer. Siliciumstyrede ensrettere (SCR) og trioder til vekselstrøm (TRIAC) svarer til et relæ, idet en lille spændingsmængde kan styre strømmen af en større spænding og strøm. Den måde, de fungerer på, er, at de kun virker, når en styrende “gate” udløses af et indgangssignal. Ved at tænde eller slukke for enheden på det rigtige tidspunkt, mens vekselstrømsbølgeformen strømmer, styres strømmen for at skabe en jævnstrømsadskillelse. Der findes mange kredsløb til dette formål, hvor signaler fra vekselstrømsbølgeformen anvendes som styresignaler, der bestemmer, i hvilke fasekvadranter thyristorerne er tændt eller slukket. Dette er kommutation, og kan enten være naturligt (i tilfælde af en simpel diode) eller tvunget, som i tilfælde af mere sofistikerede enheder.

Høj effektivitet strømforsyninger kan bruge aktive enheder som MOSFET’er som switche i sådanne kredsløb. Grunden til at anvende mere komplekse topologier er normalt for at forbedre effektiviteten, for at sænke støjen eller for at fungere som effektstyring. Dioder har et iboende spændingsfald over dem, når de leder. Dette medfører, at der går strøm tabt i dem, men andre aktive elementer kan have et meget lavere fald og dermed et lavere strømtab. SCR- og TRIAC-kredsløb er særligt almindelige i billige strømstyringskredsløb som f.eks. lysdæmpereksemplet nedenfor – de anvendes til direkte at styre og kontrollere den strøm, der leveres til belastningen, efterhånden som indgangsstrømmen skifter. Bemærk, at disse implementeringer ikke er galvaniske, når de ikke har en transformer i kredsløbet – kun nyttige i kredsløb, der er egnede som f.eks. direkte nettilsluttet lysstyring. De anvendes også i industrielle og militære strømforsyninger med høj effekt, hvor enkelhed og robusthed er afgørende

Figur 2: SCR-baseret konvertering

Power Factor Correction (PFC)
Dette er det mest komplicerede aspekt af en konverter at forstå. PFC er et væsentligt element til forbedring af en konverters effektivitet ved at korrigere den relative fase mellem den strøm, der trækkes, og spændingsbølgeformen for at opretholde den optimale effektfaktor. Dette reducerer de “reaktive belastningskarakteristika”, som omformeren ellers kan præsentere for strømforsyningen. Dette er afgørende for at opretholde effektive elnet af høj kvalitet, og elforsyningsvirksomheder kan endda pålægge kunder med dårlige effektfaktorer særlige takster for reaktivstrøm. Passiv eller aktiv PFC henviser til, om der anvendes aktive elementer eller passive elementer til at korrigere faseforholdene. Halvleder-PFC kan henvise til IC’er til særlige formål med integrerede controllere, der er skræddersyet til aktivt at overvåge og justere PFC-kredsløbet, hvilket reducerer antallet af komponenter og forenkler det samlede design, samtidig med at der opnås en højere ydeevne. De kan indeholde andre funktioner som f.eks. beskyttelse mod over-/underspænding, beskyttelse mod overstrøm, blød start og fejldetektering/reaktion.

Den omformer, der er vist i figur 1, er en entrins PFC-omformer. Kondensatoren i dette afsnit bruges til at lagre den ubalancerede energi mellem den pulserende indgangseffekt og trinets relativt konstante udgangseffekt. Se afsnittet “Lagring af reaktiv energi” for yderligere oplysninger om dette. Der anvendes almindeligvis totrins PFC-konvertere, da de ikke behøver at håndtere et så bredt spændingsområde over lagringskondensatoren, som man får i universelle strømforsyninger, hvilket har en skadelig indvirkning på konverteringseffektiviteten. De kan også tilbyde bedre kompromiser i kondensatorstørrelsen, og det kan være med til at reducere omkostningerne.

Power Stage
Effekttrinnet styrer den effekt, der leveres fra primær- til sekundærsiden gennem transformeren. Det består af en aktiv koblingsanordning, der skifter ved en høj frekvens, der kan være i hundreder af kHz. Omskifterens tænd/sluk-tilstand styres af et PWM-indgangssignal (pulsbreddemodulation), der ændres afhængigt af den mængde strøm, der dynamisk skal leveres til belastningen. Disse oplysninger fås ved hjælp af en feedbackvej fra sekundærsiden, som kan kommunikeres ved hjælp af en række teknikker, der tager hensyn til konverterens isolationskrav. Den højere frekvensomskiftning resulterer i et mindre transformerbehov, hvilket reducerer størrelse og omkostninger.

Transformer
En transformer består af ledninger, der er viklet om en fælles kerne, og som kobles ind i hinanden ved elektromagnetisk induktion. Dette er vigtigt ved tilslutning til højspændingskilder (net) – kaldet “off-line”-konvertering, da den induktive kobling afbryder nettet fra det efterfølgende kredsløb, hvilket er et langt sikrere scenario end direkte tilslutning. Denne kobling via et elektromagnetisk felt i stedet for et direkte kobberkredsløb, kaldet “galvanisk isolation”, begrænser den maksimale energi, der kan forårsage elektrisk stød eller farlige gnistudladninger, til den lagrede energi i transformatorens magnetfeltfluxlinjer. Transformatorens evne (relateret til størrelse og materialer) til at lagre energi er en vigtig overvejelse i konverterdesignet, da den dikterer, hvor godt transformeren kan levere energi til at opretholde det ønskede spændingspotentiale under skiftende belastningsforhold.

Detaljer om transformatorens teori og funktion kan findes her.

Figur 1 har en blok kaldet ‘Mag Amp Reset’, der er forbundet med at afmagnetisere transformeren på grund af en magnetiseringsstrøm, der er indbygget i arkitekturen. Uden dette ville kernematerialets remanens mætte det i løbet af nogle få cykler af effekttrinets PWM. Selv om det er for komplekst at dække i denne vejledning, kan dette ekstra kredsløb være meget forvirrende, når man gennemgår konverterkredsløbsdiagrammer, og det er nyttigt at vide, hvorfor det er nødvendigt. Der findes en række teknikker til at foretage afmagnetisering, hvoraf den enkleste er, at der, når afbryderen i effekttrinnet er slukket, føres en afmagnetiseringsstrøm tilbage som en diode gennem en separat hjælpevikling. Dette kredsløb begrænser den maksimale PWM duty cycle til 50%, men der kan anvendes mere komplekse metoder til at muliggøre højere duty cycles.

Transformere eller andre galvaniske isoleringsmetoder (som optokoblere) anvendes ofte til at kommunikere informationssignaler mellem primær- og sekundærside. Dette er nødvendigt for at muliggøre en mere indviklet styring af konverteringsprocessen – hvilket gør det muligt for et primærsiden beliggende styrekredsløb at reagere på tilstanden af sekundærsidens belastning og dynamisk ændre, hvordan det styrer strømmen for at opnå lavere støj og højere effektivitet.

Udgangskredsløb
Som nævnt i afsnittet om filtrering lagrer elektriske felter i passive reaktive (lagrings)elementer som kondensatorer og induktorer energi. Når de anvendes efter den ladestyrende ensretning, fungerer de som et energireservoir i løbet af den vekslende indgangseffektcyklus. Dette er et vigtigt element i en konverter, da denne energilagring fungerer som en kilde og muliggør en konstant udgangsspænding under varierende belastningsforhold. Aktive elementer registrerer den spænding, der er tilført belastningen og/eller den strøm, der strømmer ind i belastningen, og i et negativt feedback-kontrolkredsløb bruger de disse oplysninger til at justere den energi, der pumpes ind i disse lagerelementer, for at opretholde et konstant udgangsspændingsniveau. Denne pumpeproces anvender aktive elementer til at tænde og slukke for den strøm, der strømmer ind i lagringselementerne, hvilket er omfattet af det brede begreb regulering.

Regulering
Vi har brug for en konstant spænding til et belastningskredsløb, uanset belastningens dynamiske impedans. Uden dette kan der opstå over- eller underspændingstilstande, hvilket kan føre til fejlkoblet kredsløbsadfærd eller endog kredsløbsskader. Dette gælder især for digital elektronik med lav spænding, hvor forsyningsspændingerne skal begrænses nøje inden for et vindue på få procent af en nominel værdi. Reaktive elementer har ikke nogen indbygget kontrol af dette. Den måde, hvorpå en AC/DC-konverter opnår et stramt kontrolleret vindue for udgangsspændingen, er ved betinget at kontrollere den energi, der er lagret i den reaktive kilde med lav impedans.

Den udførte spænding vil ændre sig over tid, efterhånden som strømmen tappes fra disse elementer, og kan også have variationer forårsaget af enhedernes ikke-ideelle egenskaber – som f.eks. seriemodstand eller parasitær kapacitet. Der er behov for en eller anden form for dynamisk styring til genopladning af denne kilde. Dette kaldes regulering. Belastninger som f.eks. mikroprocessorer ændrer den effekt, de kræver, når de udfører forskellige operationer, og dette forværrer behovet for at have en aktiv dynamisk regulering.

Reguleringsstyring er et feedbackkredsløb, der styrer koblingselementerne. I dette tilfælde er koblingselementet på den primære side af omformeren. For at en switch kan være effektiv, skal den enten være hårdt ON (lavest mulige impedans) eller hårdt OFF (højest mulige impedans) – da mellemtilstande fører til, at den strøm, der bevæger sig gennem switchen, går tabt og spildes. Halvlederkontakter som f.eks. MOSFETS er ikke ideelle og udviser en vis impedans, og de udleder energi, hvilket sænker konverteringseffektiviteten.

Der er kun to reelle måder at styre en kontakt på, nemlig ved at variere den duty cycle, som en kontakt er tændt eller slukket, kaldet PWM (Pulse Width Modulation), eller ved at styre frekvensen af tændt eller slukket tilstand. Konvertere uden Resonant Mode-konverter anvender hårde switching-teknikker, men Resonant Mode-konvertere anvender en mere intelligent soft-switching-teknik. Soft switching betyder, at vekselstrømsbølgeformerne tændes eller slukkes ved nulpunktet for spænding eller nulpunktet for strøm, hvilket eliminerer koblingstab og fører til arkitekturer med meget høj effektivitet. Teknikker som synkron ensretning erstatter ensretningsdioderne med aktive koblingselementer som MOSFETS. Ved at styre skiftet synkroniseret med den indgående vekselstrømsbølgeform kan MOSFET’en lede med en meget lav ON-modstand og mindre spændingsfald på det rigtige tidspunkt – hvilket fører til højere effektivitet sammenlignet med diodegentering.

Hvordan ved reguleringskredsløbet, hvornår det skal skifte? Der er to principielle metoder til reguleringstilstand: spændingsstyring og strømstyring. Regulatorer anvender en eller en kombination af begge metoder til at regulere den spænding, der præsenteres for belastningskredsløbet.

Spændingsstyringstilstand

Reguleringskredsløbet registrerer udgangsspændingen og sammenligner den med en referencespænding for at skabe en fejlfunktion. Fejlsignalet ændrer koblingsforholdet for at bringe udgangen tættere på det ønskede niveau. Dette er den enkleste reguleringsmetode.

Current Control Mode

Både udgangsspænding og induktorstrøm registreres, og kombinationen bruges til at styre duty cycle. Dette indre “strømfølerloop” giver hurtigere responstid på belastningsændringer, men er mere kompleks end spændingsreguleringstilstand.

Det komplicerer reguleringselementet yderligere, idet den måde, hvorpå en konverter fungerer som en kommuteringscyklus, ud over reguleringsmetoden, kaldes en kontinuerlig eller diskontinuerlig driftstilstand. En kontinuerlig driftstilstand er en driftstilstand, hvor induktionsstrømmen aldrig falder til nul (hvis konvertertopologien har en sådan). Dette er en driftsform med lavere udgangsripple og dermed lavere støj, men da induktoren altid er ledende, afgiver den altid noget energi i sine ikke-ideelle serieledningstab. I diskontinuerlig tilstand får induktorstrømmen lov til at gå til nul, hvilket får belastningen til at hente energi fra lagerkondensatorerne. Dette er en driftstilstand med højere effektivitet, men har potentielt mere ripple og dårligere reguleringskontrol.

Convertertyper
Som kort berørt er der flere konvertertyper i relation til deres topologi, herunder flyback- og buck- flyback-arkitekturer. Disse er almindelige topologier, da de inkorporerer transformatorer, har et lavt antal komponenter og kan være billige i forhold til andre muligheder. Flyback-konvertere er en buck-boost-konverter (step-up/step-down), hvor spolen er erstattet med en transformer. Den oplagrede energi i transformeren bruges til at kommutere sekundæret gennem et aktivt eller passivt ensretningskredsløb. Den mest almindelige type flyback-konverter anvender diskontinuerlig tilstand (DCM) – hvor strømmen i transformeren går til nul – da dette typisk har det enkleste kontrolkredsløb og de laveste omkostninger. Flyback-konvertere med kontinuerlig strømtilstand (CCM) er nødvendige for højere effektniveauer, men resulterer i større tab af transformatorviklinger på grund af den kontinuerlige ledende strøm. Mange strømforsyninger skifter mellem forskellige tilstande afhængigt af belastningsniveauet. Quasi-resonant (QR) og dalskifte/variable frekvensvariationer af flyback-topologien er mere komplekse kredsløb, der optimerer, hvornår og hvordan skiftet sker, for at forbedre effektiviteten. QR-flyback opnår dette ved at genanvende energi fra ikke-ideelle lækinduktanser, og dalomskiftning reducerer spidser forårsaget af overskridelse. De anvendes typisk i applikationer med lav effekt.