AC/DC Converters

Circuits vereisen vaak een geïntegreerde AC stroombron als de optimale strategie om afmetingen of kosten te reduceren of als gevolg van applicatie-specifieke behoeften. Inzicht in de belangrijkste concepten die met conversie samenhangen en de beschikbare praktische alternatieven is een goede start voor een succesvol ontwerp.

Safety First!
Wanneer de wisselstroombron een stopcontact is, moet grote zorgvuldigheid worden betracht om te verzekeren dat een implementatie veilig is voor gebruik. Zonder uitzondering moet dit subsysteem worden ontworpen en geïmplementeerd door een gekwalificeerde deskundige. Gebruik, indien mogelijk, een vooraf goedgekeurd stekkergoed uit de handel.

Compliance is Compulsory!
Wanneer u iets op een stopcontact aansluit, moet het voldoen aan de wettelijke certificatienormen in het land waar het zal worden gebruikt. Meer dan dit, het moet getest en gecertificeerd zijn om dit te doen – een duur proces. Dit is om er zeker van te zijn dat het veilig is, andere mensen niet stoort en geen ruis bijdraagt aan de wisselstroom-hoofdleidingen.

Wat is een AC/DC convertor?
Elektrische stroom wordt getransporteerd via draden, hetzij als gelijkstroom (DC) die in één richting stroomt bij een niet-oscillerende constante spanning, hetzij als wisselstroom (AC) die heen en weer stroomt als gevolg van een oscillerende spanning. Wisselstroom is de overheersende methode om stroom te transporteren omdat deze verschillende voordelen biedt ten opzichte van gelijkstroom, waaronder lagere distributiekosten en een eenvoudige manier om tussen spanningsniveaus om te schakelen dankzij de uitvinding van de transformator. Wisselstroom die onder hoogspanning over lange afstanden wordt getransporteerd en vervolgens wordt omgezet in een lagere spanning is een efficiëntere en veiligere stroombron in woningen. Afhankelijk van de locatie kan de hoogspanning variëren van 4 kV (kilovolt) tot 765 kV. Ter herinnering, het wisselstroomnet in woningen varieert van 110V tot 250V, afhankelijk van in welk deel van de wereld u woont. In de V.S. is de typische AC hoofdlijn 120V.

Omvormers sturen een wisselstroom, omdat de spanning ervan ook wisselt, naar reactieve impedantie-elementen, zoals spoelen (L) en condensatoren (C), waar het wordt opgeslagen en geïntegreerd. Dit proces scheidt het vermogen dat met de positieve en negatieve potentialen is verbonden. Filters worden gebruikt om de opgeslagen energie af te vlakken, waardoor een gelijkstroombron voor andere schakelingen ontstaat. Deze schakeling kan vele vormen aannemen, maar bestaat altijd uit dezelfde essentiële elementen, en kan een of meer omzettingstrappen hebben. De in figuur 1 afgebeelde omvormer wordt een “voorwaartse omvormer” genoemd, die een hoger rendement heeft dan een iets eenvoudiger architectuur; een “flyback omvormer”. Hoewel niet in detail besproken, verschilt een flyback-omvormer van een voorwaartse omvormer in die zin dat de werking afhankelijk is van energie die is opgeslagen in de luchtspleet van de transformator in de schakeling. Afgezien van dit verschil kunnen zij gebruik maken van dezelfde essentiële blokken.

Figuur 1: Functioneel blokschema van een Forward Converter AC/DC-voeding

Input Filtering Block
Een input filter is belangrijk omdat het voorkomt dat ruis die in de schakelelementen van de voeding wordt geproduceerd, terugkomt in de netvoeding. Het voorkomt ook dat ruis die zich op de netvoeding bevindt, in volgende circuits terechtkomt. Het filter passeert de 50/60Hz netfrequentie, en dempt ruis en harmonischen met een hogere frequentie die aanwezig kunnen zijn. Zoals bij andere onderdelen van een AC naar DC convertor vervullen reactieve elementen zoals condensatoren en spoelen de belangrijke rol van frequentie – selectieve onderdrukking. Condensatoren geven geen DC door, en kunnen in serie worden gebruikt (als DC-blokkerende ‘high pass filter’-elementen), of parallel (om hoge frequenties naar aarde te shunten, zodat ze niet in de converter terechtkomen).

Het ingangsfilterblok bevat meestal ook een spanningsafhankelijke weerstand, of varistor om te voorkomen dat hoogspanningspieken op het elektriciteitsnet de voeding kunnen beschadigen. Dit is het rechthoekige vakje met de diagonale lijn erdoor op de ingang in figuur 1. Het meest gebruikelijke type varistor is een metaal-oxide varistor (MOV). Elke spanning die hoger is dan de ‘klemspanning’ van het apparaat, veroorzaakt dat de MOV gaat geleiden, waardoor de piekspanning wordt afgeschermd en de spanningspiek wordt onderdrukt.

Rectificatie
De eenvoudigste AC/DC-omzetters bestaan uit een transformator die de ingangsfiltering volgt, die vervolgens naar een gelijkrichter gaat om gelijkspanning te produceren. In dit geval vindt de gelijkrichting plaats na de transformator, omdat transformatoren geen gelijkstroom doorgeven. Veel AC/DC-omzetters maken echter gebruik van meer geavanceerde, meerfasige omzettingstopologieën, zoals afgebeeld in figuur 1, vanwege de voordelen van kleinere transformatorvereisten en minder ruis die naar de netvoeding wordt teruggekoppeld.

Regelijkrichters worden geïmplementeerd met halfgeleiderelementen die de stroom slechts in één richting geleiden, zoals dioden. Tot de meer geavanceerde halfgeleidergelijkrichters behoren thyristoren. Siliciumgestuurde gelijkrichters (SCR) en triode voor wisselstroom (TRIAC) zijn analoog aan een relais, in die zin dat een kleine hoeveelheid spanning de stroom van een grotere spanning en stroom kan regelen. De werking is dat zij alleen geleiden wanneer een controlerende “poort” door een ingangssignaal wordt geactiveerd. Door het apparaat aan of uit te schakelen op het juiste moment als de AC golfvorm vloeit – wordt de stroom gestuurd om een DC scheiding tot stand te brengen. Er zijn vele schakelingen om dit te doen, met signalen die van de AC golfvorm worden afgetapt die als controlesignalen worden gebruikt die de fasekwadranten instellen thyristors zijn aan of uit. Dit is commutatie, en kan zowel natuurlijk zijn (in het geval van een eenvoudige diode) of geforceerd, zoals in het geval van apparaten die meer geavanceerd zijn.

Hoge efficiëntie voedingen kunnen actieve apparaten zoals MOSFET’s gebruiken als schakelaars in dergelijke circuits. De reden voor het gebruik van complexere topologieën is gewoonlijk de verbetering van het rendement, het verlagen van de ruis of het fungeren als vermogensregeling. Diodes hebben een intrinsieke spanningsval over zich wanneer zij geleiden. Hierdoor wordt er vermogen in gedissipeerd, maar andere actieve elementen kunnen een veel lagere daling hebben en daardoor een lager vermogensverlies. SCR- en TRIAC-schakelingen komen vooral voor in goedkope stroomregelcircuits zoals het lichtdimmervoorbeeld hieronder – gebruikt om de stroom die aan de belasting wordt geleverd rechtstreeks te sturen en te regelen naarmate het ingangsnet wisselt. Merk op dat deze implementaties niet galvanisch zijn wanneer zij geen transformator in het circuit hebben – alleen nuttig in circuits die geschikt zijn zoals direct op het lichtnet aangesloten lichtregeling. Ze worden ook gebruikt in industriële en militaire voedingen met hoog vermogen, waar eenvoud en robuustheid essentieel zijn

Figuur 2: SCR-gebaseerde conversie

Power Factor Correction (PFC)
Dit is het meest ingewikkelde aspect van een converter om te begrijpen. PFC is een essentieel element in het verbeteren van de efficiency van een convertor door de relatieve fase van stroom te corrigeren die aan voltagegolfvorm wordt getrokken om de optimale machtsfactor te handhaven. Dit vermindert de “reactieve belasting” die de omvormer anders op het elektriciteitsnet zou kunnen uitoefenen. Dit is van essentieel belang voor de instandhouding van hoogwaardige, efficiënte elektrische netwerken en elektriciteitsbedrijven kunnen zelfs speciale tarieven voor blindstroom opleggen aan klanten met een slechte vermogensfactor. Passieve of actieve PFC verwijst naar het feit of actieve elementen dan wel passieve elementen worden gebruikt om de faseverhoudingen te corrigeren. Halfgeleider-PFC kan betrekking hebben op IC’s voor speciale doeleinden met geïntegreerde regelaars die op maat zijn gemaakt om het PFC-circuit actief te bewaken en aan te passen, waardoor het aantal componenten wordt beperkt en het totale ontwerp wordt vereenvoudigd, terwijl toch hogere prestaties worden verkregen. Ze kunnen andere functies bevatten zoals over-/onderspanningsbeveiliging, overstroombeveiliging, soft start, en foutdetectie/-reactie.

De in figuur 1 afgebeelde converter is een eentraps PFC converter. De condensator in deze sectie wordt gebruikt om de ongebalanceerde energie tussen het pulserende ingangsvermogen en het relatief constante uitgangsvermogen van de trap op te slaan. Zie de paragraaf “Opslag van reactieve energie” voor meer details hierover. Tweetraps PFC-omzetters worden vaak gebruikt omdat ze niet zo’n groot spanningsbereik over de opslagcondensator hoeven te verwerken als bij universele voedingen, wat een nadelig effect heeft op de omzettingsefficiëntie. Zij kunnen ook betere trade-offs in de condensatorgrootte aanbieden, en dit kan helpen cost.

Power Stage
De machtstrap controleert de macht die van de primaire aan de secundaire kant door de transformator wordt geleverd. Het bestaat uit een actief omschakelingsapparaat dat bij een hoge frequentie schakelt die in de honderden kHz kan zijn. De aan/uit-stand van de schakelaar wordt geregeld door een ingang voor pulsbreedtemodulatie (PWM) die verandert afhankelijk van de hoeveelheid vermogen die dynamisch aan de belasting moet worden geleverd. Deze informatie wordt verkregen via een feedbackpad vanaf de secundaire zijde dat kan worden doorgegeven via een aantal technieken die rekening houden met de isolatie-eisen van de converter. De hogere schakelfrequentie resulteert in een kleinere transformator, waardoor de afmetingen en de kosten worden beperkt.

Transformator
Een transformator bestaat uit draden die op een gemeenschappelijke kern zijn gewikkeld en die door elektromagnetische inductie met elkaar in verbinding staan. Dit is van belang bij aansluiting op hoogspanningsbronnen (netspanning) – “off-line”-omzetting genoemd, omdat de inductieve koppeling het net loskoppelt van het daaropvolgende circuit, een veel veiliger scenario dan rechtstreekse aansluiting. Deze koppeling door een elektromagnetisch veld, in plaats van een direct kopercircuit, “galvanische scheiding” genoemd, beperkt de maximale energie die een elektrische schok of een gevaarlijke vonkoverslag kan veroorzaken tot de opgeslagen energie in de magnetische veldfluxlijnen van de transformator. De capaciteit (met betrekking tot grootte en materialen) van de transformator om energie op te slaan is een belangrijke overweging in convertorontwerp aangezien het dicteert hoe goed de transformator de energie kan leveren om het gewenste voltagepotentieel onder veranderende ladingsvoorwaarden te handhaven.

Details van transformatortheorie en verrichting kunnen hier worden gevonden.

Figuur 1 heeft een blok genoemd “Mag Amp Reset” verbonden met het demagnetiseren van de transformator toe te schrijven aan een magnetiseringsstroom inherent aan de architectuur. Zonder dit zou de remanentie van het kernmateriaal de transformator verzadigen in een paar cycli van het PWM van de eindtrap. Hoewel te complex om in deze tutorial te behandelen, kan deze extra schakeling erg verwarrend zijn bij het bekijken van converter schema’s, en het is nuttig om te weten waarom het nodig is. Er zijn een aantal technieken om demagnetization uit te voeren, is de eenvoudigste wanneer de machtsstadiumschakelaar weg is een demagnetizing stroom terug diode door een afzonderlijke hulp wikkeling wordt gevoed. Deze schakeling beperkt de maximale PWM duty cycle tot 50%, maar er kunnen complexere methoden worden gebruikt om hogere duty cycles mogelijk te maken.

Transformatoren of andere galvanische isolatiemethoden (zoals optocouplers) worden vaak gebruikt om informatiesignalen tussen primaire en secundaire zijde door te geven. Dit is nodig om een meer ingewikkelde controle van het omzettingsproces mogelijk te maken – waardoor een primaire zijde gesitueerde regelkring kan reageren op de toestand van de secundaire zijde belasting en dynamisch kan veranderen hoe het stroom stuurt om minder ruis en een hoger rendement te krijgen.

Uitgangscircuits
Zoals vermeld in het filtergedeelte, slaan elektrische velden in passieve reactieve (opslag) elementen zoals condensatoren en spoelen energie op. Wanneer ze worden gebruikt na de gelijkrichting van de ladingssturing, fungeren ze als een energiereservoir tijdens de cyclus van het wisselend ingangsvermogen. Dit is een essentieel element in een convertor, aangezien deze energieopslag als bron fungeert – waardoor een constante uitgangsspanning mogelijk is bij wisselende belastingsomstandigheden. Actieve elementen voelen de spanning die aan de belasting wordt aangeboden en/of de stroom die in de belasting vloeit, en in een negatieve terugkoppellus gebruiken zij deze informatie om de energie aan te passen die in deze opslagelementen wordt gepompt om een constant uitgangsspanningsniveau te handhaven. Dit pompproces maakt gebruik van actieve elementen om de stroom die in de opslagelementen vloeit in en uit te schakelen, waarnaar wordt verwezen onder het brede concept van regeling.

Regulering
We hebben een constante spanning nodig die aan een belastingscircuit wordt aangeboden, ongeacht de dynamische impedantie van de belasting. Zonder dit kunnen over- of onderspanningscondities optreden, die leiden tot oneigenlijk circuitgedrag of zelfs circuitschade. Dit is met name het geval bij digitale laagspanningselektronica, waar de voedingsspanningen strak moeten worden ingeperkt binnen een bereik van enkele procenten van de nominale waarde. Reactieve elementen hebben hier geen ingebouwde controle over. De manier waarop een AC/DC convertor een strak gecontroleerd venster van uitgangsspanning bereikt, is door voorwaardelijke regeling van de energie die is opgeslagen in de reactieve opslagbron met lage impedantie.

De spanningsoutput zal in de loop van de tijd veranderen naarmate het vermogen uit deze elementen wegvloeit en kan ook variatie vertonen die wordt veroorzaakt door de niet-ideale kenmerken van de apparaten – zoals serieweerstand of parasitaire capacitantie. Een of andere vorm van dynamische regeling om deze bron op te laden is vereist. Dit wordt regulering genoemd. Belastingen zoals microprocessoren veranderen het vermogen dat zij vragen naarmate zij verschillende bewerkingen uitvoeren, en dit vergroot de behoefte aan een actieve dynamische regeling.

Regulatieregeling is een terugkoppelingsschakeling die de schakelelementen regelt. In dit geval bevindt het schakelelement zich aan de primaire zijde van de convertor. Wil een schakelaar efficiënt zijn, dan moet hij of hard AAN (laagste impedantie mogelijk) of hard UIT (hoogste impedantie mogelijk) staan – omdat in de tussenliggende toestanden de stroom die door de schakelaar gaat, verloren gaat en wordt verspild. Halfgeleiderschakelaars zoals MOSFETS zijn niet ideaal en vertonen een zekere impedantie, zij verspillen energie en dit verlaagt het omzettingsrendement.

Er zijn eigenlijk maar twee manieren om een schakelaar te regelen, door de duty cycle van een schakelaar te variëren, Pulse Width Modulation (PWM) genoemd, of door de frequentie van aan- of uitschakelen te regelen. Niet-Resonante-Modus omzetters gebruiken harde schakeltechnieken, maar Resonante-Modus omzetters gebruiken een intelligentere zacht-schakeltechniek. Zacht schakelen betekent het in- of uitschakelen van de wisselstroomgolfvormen bij nulspannings- of nulstroompunten, waardoor schakelverliezen worden geëlimineerd en zeer efficiënte architecturen tot stand komen. Technieken zoals synchrone gelijkrichting vervangen de gelijkrichtingsdiodes door actieve schakelelementen zoals MOSFETS. Door het schakelen synchroon met de AC-ingangsgolfvorm te regelen, kan de MOSFET op het juiste moment met een zeer lage inschakelweerstand en minder spanningsval geleiden – wat leidt tot een hoger rendement in vergelijking met diodegelijkrichting.

Hoe weet de regelkring wanneer hij moet schakelen? Er zijn twee principiële methoden voor de regelmodus: spanningsregeling en stroomregeling. Regelaars maken gebruik van een of een combinatie van beide methoden om de spanning te regelen die aan het belastingscircuit wordt aangeboden.

Voltage Control Mode

De regelkring registreert de uitgangsspanning, vergelijkt deze met een referentiespanning om een foutfunctie te creëren. Het foutsignaal wijzigt de schakelverhouding om de uitgang dichter bij het gewenste niveau te brengen. Dit is de eenvoudigste methode van regeling.

Current Control Mode

Zowel de uitgangsspanning als de inductorstroom worden gemeten en de combinatie wordt gebruikt om de duty cycle te regelen. Deze innerlijke ‘current sensing loop’ maakt een snellere reactietijd op verandering van belasting mogelijk, maar is complexer dan de spanningsregelmodus.

Het regelelement wordt verder gecompliceerd door, naast de regelmethode, de manier waarop een converter als commutatiecyclus werkt, een continue of discontinue werkingsmodus te noemen. Een continue werkingsmodus is er een waarbij de spoelstroom nooit tot nul daalt (als de convertertopologie er een heeft). Dit is een lagere uitgangsrimpel en daardoor een lagere ruis, maar omdat de spoel altijd geleidt, gaat er altijd wat energie verloren in de vorm van niet-ideale seriegeleidingsverliezen. In de discontinue modus mag de stroom van de spoel naar nul gaan, waardoor de belasting energie verkrijgt van de opslagcondensatoren. Dit is een efficiëntere wijze van werking, maar heeft potentieel meer rimpel en slechtere regeling.

Omvormertypes
Zoals kort aangestipt, zijn er verschillende omvormertypes met betrekking tot hun topologie, waaronder flyback en buck- flyback architecturen. Dit zijn gemeenschappelijke topologieën aangezien zij transformatoren omvatten, een lage componententelling hebben en lage kosten in vergelijking met andere opties kunnen zijn. Flyback converters zijn een buck-boost convertor (step-up/step-down) waarbij de spoel is vervangen door een transformator. De opgeslagen energie in de transformator wordt gebruikt om de secundaire te commuteren via een actief of passief rectificatiecircuit. Het meest gebruikelijke type flyback converter maakt gebruik van discontinue modus (DCM) – waarbij de stroom in de transformator tot nul wordt gereduceerd – omdat dit gewoonlijk de eenvoudigste regelkring en de laagste kosten heeft. Continue stroom modus (CCM) flyback convertors zijn vereist voor hogere vermogensniveaus, maar resulteren in hogere transformator wikkelverliezen als gevolg van continue geleiding. Veel voedingen schakelen tussen modi afhankelijk van het belastingsniveau. Quasi resonante (QR) en dal schakelingen/variabele frequentie variaties op de flyback topologie zijn complexere schakelingen die optimaliseren wanneer en hoe er geschakeld wordt om de efficiëntie te verbeteren. QR flyback bereikt dit door energie van niet-ideale lekinducties te recycleren, en dalschakeling vermindert pieken veroorzaakt door overshoot. Zij worden typisch gebruikt in toepassingen met laag vermogen.