Konwertery AC/DC

Obwody często wymagają zintegrowanego źródła zasilania AC jako optymalnej strategii w celu zmniejszenia rozmiaru, kosztów lub z powodu specyficznych potrzeb aplikacji. Zrozumienie kluczowych pojęć związanych z konwersją i dostępnych praktycznych alternatyw jest dobrym początkiem w kierunku udanego projektu.

Safety First!
Gdy źródłem prądu zmiennego jest gniazdo sieciowe, należy zachować wielką ostrożność, aby zapewnić, że implementacja jest bezpieczna w użyciu. Bez wyjątku, podsystem ten powinien być zaprojektowany i wdrożony przez wykwalifikowanego eksperta. Jeśli to możliwe, użyj zatwierdzonego wcześniej pakietu wtyczek.

Zgodność jest obowiązkowa!
Gdy podłączasz cokolwiek do gniazda sieciowego, musi to być zgodne z normami certyfikacji prawnej w kraju, w którym będzie używane. Więcej niż to, to musi być przetestowane i certyfikowane, aby to zrobić – kosztowny proces. Ma to na celu zapewnienie, że jest bezpieczny, nie przeszkadza innym ludziom lub nie przyczynia się do hałasu w głównych liniach zasilania AC.

Co to jest konwerter AC/DC?
Energia elektryczna jest transportowana po przewodach albo jako prąd stały (DC) płynący w jednym kierunku przy nieoscylującym stałym napięciu, lub jako prąd zmienny (AC) płynący w przód i w tył dzięki oscylującemu napięciu. Prąd przemienny jest dominującą metodą przesyłu energii, ponieważ ma kilka zalet w porównaniu z prądem stałym, w tym niższe koszty dystrybucji oraz prosty sposób zmiany poziomów napięcia dzięki wynalezieniu transformatora. Prąd przemienny, który jest przesyłany pod wysokim napięciem na duże odległości, a następnie konwertowany w dół do niższego napięcia, jest bardziej wydajnym i bezpieczniejszym źródłem energii w domach. W zależności od lokalizacji, wysokie napięcie może wynosić od 4kV (kilowoltów) do 765kV. Dla przypomnienia, napięcie sieciowe w domach waha się od 110V do 250V, w zależności od części świata, w której mieszkasz. W Stanach Zjednoczonych typowa linia główna prądu zmiennego to 120V.

Konwertery kierują prąd zmienny, ponieważ jego napięcie również się zmienia, do elementów impedancji biernej, takich jak cewki (L) i kondensatory (C), gdzie jest on przechowywany i integrowany. Proces ten oddziela moc związaną z dodatnimi i ujemnymi potencjałami. Filtry są używane do wygładzenia zmagazynowanej energii, w wyniku czego powstaje źródło prądu stałego dla innych obwodów. Obwód ten może przybierać różne formy, ale zawsze składa się z tych samych podstawowych elementów i może mieć jeden lub więcej etapów konwersji. Konwerter przedstawiony na rysunku 1 jest nazywany „konwerterem forward”, który ma wyższą sprawność niż nieco prostsza architektura – „konwerter typu flyback”. Chociaż nie omówiono go szczegółowo, konwerter typu flyback różni się od konwertera typu forward tym, że jego działanie zależy od energii zmagazynowanej w komorze powietrznej transformatora w obwodzie. Poza tą różnicą mogą one wykorzystywać te same podstawowe bloki.

Rysunek 1: Funkcjonalny schemat blokowy zasilacza AC/DC z przetwornikiem w przód

Blok filtrowania wejścia
Filtr wejściowy jest ważny, ponieważ zapobiega przedostawaniu się szumów wytwarzanych w elementach przełączających zasilacza z powrotem do sieci zasilającej. Zapobiega on również przedostawaniu się szumów, które mogą znajdować się w sieci zasilającej, do kolejnych obwodów. Filtr przepuszcza częstotliwości sieciowe 50/60Hz i tłumi szumy o wyższych częstotliwościach oraz harmoniczne, które mogą być obecne. Podobnie jak w innych częściach konwertera AC na DC, elementy reaktywne takie jak kondensatory i cewki spełniają ważną rolę tłumienia selektywnego częstotliwościowo. Kondensatory nie przepuszczają prądu stałego i mogą być stosowane szeregowo (jako elementy filtru górnoprzepustowego blokujące prąd stały) lub równolegle (do odprowadzania wysokich częstotliwości do masy, zapobiegając ich przedostawaniu się do konwertera).

Blok filtracji wejściowej będzie również zazwyczaj zawierał rezystor zależny od napięcia lub warystor, aby zapobiec uszkodzeniu zasilacza przez wysokie skoki napięcia w sieci elektrycznej. Jest to prostokątne pudełko z ukośną linią przechodzącą przez nie na wejściu na rysunku 1. Najczęściej spotykanym typem warystora jest warystor metalowo-tlenkowy (MOV). Jakiekolwiek napięcie powyżej „napięcia zaciskania” urządzenia powoduje, że MOV zaczyna przewodzić, bocznikując skok wysokiego napięcia i tłumiąc przepięcie.

Rektyfikacja
Najprostsze konwertery AC/DC składają się z transformatora podążającego za filtrem wejściowym, który następnie przechodzi do prostownika w celu wytworzenia prądu stałego. W tym przypadku prostowanie następuje po transformatorze, ponieważ transformatory nie przepuszczają prądu stałego. Jednak wiele konwerterów AC/DC wykorzystuje bardziej wyrafinowane, wielostopniowe topologie konwersji, jak pokazano na rysunku 1, ze względu na zalety mniejszych wymagań transformatora i niższych szumów przekazywanych z powrotem do sieci zasilającej.

Prostowniki są realizowane przy użyciu urządzeń półprzewodnikowych, które warunkowo przewodzą prąd tylko w jednym kierunku, jak diody. Bardziej zaawansowane prostowniki półprzewodnikowe obejmują tyrystory. Prostowniki sterowane krzemem (SCR) i trioda dla prądu zmiennego (TRIAC) są analogiczne do przekaźnika w tym, że mała ilość napięcia może kontrolować przepływ większego napięcia i prądu. Ich działanie polega na tym, że przewodzą tylko wtedy, gdy kontrolująca je „bramka” jest wyzwalana przez sygnał wejściowy. Poprzez włączenie lub wyłączenie urządzenia w odpowiednim czasie, gdy przepływa fala AC – prąd jest sterowany w celu utworzenia separacji DC. Istnieje wiele obwodów do tego celu, z sygnałami odciętymi od fali AC używanymi jako sygnały sterujące, które ustawiają kwadranty fazowe tyrystorów są włączone lub wyłączone. To jest komutacja, i może być albo naturalne (w przypadku prostej diody) lub wymuszone, jak w przypadku urządzeń, które są bardziej wyrafinowane.

Wysokiej sprawności zasilacze mogą korzystać z aktywnych urządzeń, takich jak MOSFETs jako przełączniki w takich obwodach. Powodem stosowania topologii, które są bardziej złożone, jest zazwyczaj poprawa sprawności, obniżenie poziomu szumów lub działanie jako regulator mocy. Diody mają nieodłączny spadek napięcia, gdy przewodzą. Powoduje to, że moc jest w nich rozpraszana, ale inne elementy aktywne mogą mieć znacznie niższy spadek i tym samym niższe straty mocy. Obwody SCR i TRIAC są szczególnie powszechne w tanich układach sterowania mocą, takich jak przykład ściemniacza światła poniżej – używane do bezpośredniego sterowania i kontroli prądu dostarczanego do obciążenia, gdy wejście sieci zmienia się. Należy zauważyć, że te implementacje nie są galwaniczne, gdy nie mają transformatora w obwodzie – tylko przydatne w obwodach, które są odpowiednie, jak bezpośrednie sterowanie światłem podłączonym do sieci. Są one również stosowane w przemysłowych i wojskowych zasilaczach dużej mocy, gdzie prostota i solidność jest niezbędna

Rysunek 2: Konwersja oparta na SCR

Korekcja współczynnika mocy (PFC)
Jest to najbardziej skomplikowany aspekt konwertera do zrozumienia. PFC jest podstawowym elementem poprawy sprawności konwertera poprzez korygowanie względnej fazy prądu pobieranego do kształtu fali napięcia w celu utrzymania optymalnego współczynnika mocy. Zmniejsza to charakterystykę „obciążenia reaktywnego”, które konwerter może w przeciwnym razie prezentować w sieci zasilającej. Ma to zasadnicze znaczenie dla utrzymania wysokiej jakości, wydajnych sieci elektrycznych, a firmy dostarczające energię elektryczną mogą nawet nakładać specjalne taryfy na prąd bierny na klientów, którzy mają niski współczynnik mocy. Pasywne lub aktywne PFC odnosi się do tego, czy elementy aktywne czy pasywne są wykorzystywane do korygowania relacji fazowych. Półprzewodnikowe PFC może odnosić się do układów scalonych specjalnego przeznaczenia ze zintegrowanymi kontrolerami dostosowanymi do aktywnego monitorowania i regulacji obwodu PFC, zmniejszając liczbę komponentów i upraszczając ogólny projekt przy jednoczesnym uzyskaniu wyższej wydajności. Mogą one zawierać inne funkcje, takie jak ochrona przed nadmiernym/niedobrym napięciem, ochrona przed nadmiernym prądem, miękki start i wykrywanie/reagowanie na błędy.

Konwerter przedstawiony na rysunku 1 jest jednostopniowym konwerterem PFC. Kondensator w tej sekcji jest używany do przechowywania niezrównoważonej energii pomiędzy pulsującą mocą wejściową i względnie stałą mocą wyjściową stopnia. Więcej szczegółów na ten temat można znaleźć w rozdziale „Magazynowanie energii biernej”. Dwustopniowe konwertery PFC są powszechnie stosowane, ponieważ nie muszą obsługiwać tak szerokiego zakresu napięcia na kondensatorze magazynującym, jaki występuje w zasilaczach uniwersalnych, co ma negatywny wpływ na sprawność konwersji. Mogą one również oferować lepsze kompromisy w wielkości kondensatora, a to może pomóc obniżyć koszty.

Stopień mocy
Stopień mocy kontroluje moc dostarczaną od strony pierwotnej do wtórnej przez transformator. Składa się on z aktywnego urządzenia przełączającego, które przełącza się z wysoką częstotliwością, która może wynosić setki kHz. Stan ON/OFF przełącznika jest kontrolowany przez wejście modulacji szerokości impulsu (PWM), które zmienia się w zależności od ilości mocy, która musi być dynamicznie dostarczona do obciążenia. Informacja ta jest uzyskiwana przez ścieżkę sprzężenia zwrotnego ze strony wtórnej, która może być przekazywana za pomocą wielu technik, które uwzględniają wymagania izolacyjne konwertera. Wyższa częstotliwość przełączania skutkuje mniejszym zapotrzebowaniem na transformator, zmniejszając rozmiar i koszt.

Transformator
Transformator składa się z przewodów nawiniętych na wspólnym rdzeniu, które sprzęgają się ze sobą poprzez indukcję elektromagnetyczną. Jest to ważne przy podłączaniu do źródeł wysokiego napięcia (sieci) – określane jako konwersja „off-line”, ponieważ sprzężenie indukcyjne odłącza sieć od kolejnego obwodu, co jest znacznie bezpieczniejszym scenariuszem niż połączenie bezpośrednie. To sprzężenie przez pole elektromagnetyczne, a nie przez bezpośredni obwód miedziany, zwane „izolacją galwaniczną” ogranicza maksymalną energię, która może spowodować porażenie prądem elektrycznym lub niebezpieczne wyładowanie iskrowe do energii zmagazynowanej w liniach strumienia pola magnetycznego transformatora. Zdolność (związana z rozmiarem i materiałami) transformatora do przechowywania energii jest ważnym czynnikiem przy projektowaniu konwertera, ponieważ dyktuje, jak dobrze transformator może dostarczyć energię do utrzymania pożądanego potencjału napięcia w zmieniających się warunkach obciążenia.

Szczegóły teorii i działania transformatora można znaleźć tutaj.

Rysunek 1 zawiera blok zwany „Mag Amp Reset” związany z rozmagnesowywaniem transformatora z powodu prądu magnesującego wpisanego w architekturę. Bez tego, remanencja materiału rdzenia nasyciłaby go w ciągu kilku cykli PWM stopnia mocy. Chociaż ten dodatkowy obwód jest zbyt skomplikowany, aby omówić go w tym poradniku, może być bardzo mylący podczas przeglądania schematów konwertera i warto wiedzieć, dlaczego jest on wymagany. Istnieje wiele technik demagnetyzacji, z których najprostsza polega na tym, że gdy przełącznik stopnia mocy jest wyłączony, prąd demagnetyzujący jest podawany z powrotem na diodę poprzez oddzielne uzwojenie pomocnicze. Ten obwód ogranicza maksymalny cykl pracy PWM do 50%, ale bardziej złożone metody mogą być stosowane w celu umożliwienia wyższych cykli pracy.

Transformatory lub inne metody izolacji galwanicznej (jak transoptory) są często używane do przekazywania sygnałów informacyjnych między stroną pierwotną i wtórną. Jest to konieczne, aby ułatwić bardziej złożone sterowanie procesem konwersji – umożliwiając obwodowi sterowania po stronie pierwotnej reagowanie na stan obciążenia po stronie wtórnej i dynamiczną zmianę sposobu sterowania prądem w celu uzyskania niższych szumów i wyższej sprawności.

Obwody wyjściowe
Jak wspomniano w sekcji dotyczącej filtrowania, pola elektryczne w pasywnych elementach reaktywnych (magazynujących), takich jak kondensatory i cewki, przechowują energię. Kiedy są one używane po prostowaniu sterującym ładunkiem, działają jako rezerwuar energii podczas cyklu zasilania wejścia zmiennego. Jest to bardzo ważny element w konwerterze, ponieważ magazyn energii działa jak źródło – umożliwiając utrzymanie stałego napięcia wyjściowego przy zmiennych warunkach obciążenia. Elementy aktywne wyczuwają napięcie prezentowane na obciążeniu i/lub prąd płynący do obciążenia i w pętli sterowania z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wykorzystują te informacje do regulacji energii pompowanej do tych elementów magazynujących w celu utrzymania stałego poziomu napięcia wyjściowego. Ten proces pompowania wykorzystuje elementy aktywne do włączania i wyłączania prądu płynącego do elementów magazynujących, co jest określane szerokim pojęciem regulacji.

Regulacja
Potrzebujemy stałego napięcia prezentowanego w obwodzie obciążenia, niezależnie od impedancji dynamicznej obciążenia. Bez tego mogą wystąpić warunki zbyt wysokiego lub zbyt niskiego napięcia, prowadzące do niepożądanego zachowania obwodu, a nawet jego uszkodzenia. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku niskonapięciowej elektroniki cyfrowej, gdzie napięcia zasilania muszą być ściśle ograniczone w zakresie kilku procent wartości nominalnej. Elementy reaktywne nie mają żadnej wbudowanej kontroli w tym zakresie. Sposób, w jaki konwerter AC/DC osiąga ściśle kontrolowane okno napięcia wyjściowego, polega na warunkowym kontrolowaniu energii zmagazynowanej w niskoimpedancyjnym reaktywnym źródle pamięci.

Napięcie wyjściowe będzie się zmieniać w czasie, ponieważ moc odpływa z tych elementów i może również mieć wariancję spowodowaną nieidealną charakterystyką urządzeń – jak rezystancja szeregowa lub pasożytnicza pojemność. Wymagany jest jakiś rodzaj dynamicznej kontroli, aby naładować to źródło. Nazywa się to regulacją. Obciążenia takie jak mikroprocesory zmieniają moc, na którą mają zapotrzebowanie, ponieważ wykonują różne operacje, a to zaostrza potrzebę posiadania aktywnej regulacji dynamicznej.

Regulacja jest obwodem ze sprzężeniem zwrotnym, który kontroluje elementy przełączające. W tym przypadku element przełączający znajduje się po stronie pierwotnej przekształtnika. Aby przełącznik był wydajny, musi być albo mocno włączony (najniższa możliwa impedancja), albo mocno wyłączony (najwyższa możliwa impedancja) – ponieważ stany pomiędzy nimi prowadzą do rozproszenia i marnowania mocy przechodzącej przez przełącznik. Przełączniki półprzewodnikowe, takie jak MOSFET-y, nie są idealne i wykazują pewną impedancję, rozpraszają energię, a to obniża sprawność konwersji.

Tak naprawdę istnieją tylko dwa sposoby sterowania przełącznikiem, poprzez zmianę cyklu pracy przełącznika w stanie włączonym lub wyłączonym, zwaną modulacją szerokości impulsu (PWM) lub kontrolowanie częstotliwości bycia w stanie włączonym lub wyłączonym. Non-Resonant Mode konwertery zatrudniają twarde techniki przełączania, ale konwertery Resonant Mode zatrudnia bardziej inteligentny soft-technikę przełączania. Miękkie przełączanie oznacza włączanie lub wyłączanie fali prądu przemiennego przy zerowym napięciu lub punkcie zerowym prądu, eliminując straty przełączania i prowadząc do bardzo wysokiej wydajności architektur. Techniki takie jak prostowanie synchroniczne zastępują diody prostownicze aktywnymi elementami przełączającymi, takimi jak MOSFET-y. Sterowanie przełączaniem zsynchronizowanym z wejściową falą AC umożliwia MOSFET-owi przewodzenie z bardzo niską rezystancją włączenia i mniejszym spadkiem napięcia w odpowiednim czasie – co prowadzi do wyższej sprawności w porównaniu z prostowaniem diodowym.

Skąd obwód regulacji wie, kiedy przełączać? Istnieją dwie podstawowe metody sterowania: sterowanie napięciem i sterowanie prądem. Regulatory wykorzystują jedną lub kombinację obu metod do regulacji napięcia podawanego do obwodu obciążenia.

Tryb kontroli napięcia

Obwód regulacji wyczuwa napięcie wyjściowe, porównuje je z napięciem odniesienia w celu utworzenia funkcji błędu. Sygnał błędu modyfikuje współczynnik przełączania, aby przybliżyć wyjście do żądanego poziomu. Jest to najprostsza metoda sterowania.

Tryb sterowania prądem

Oba rodzaje napięcia wyjściowego i prądu induktora są wykrywane, a ich kombinacja jest wykorzystywana do sterowania cyklem pracy. Ta wewnętrzna „pętla wyczuwania prądu” umożliwia szybszy czas reakcji na zmiany obciążenia, ale jest bardziej złożona niż tryb sterowania napięciowego.

Dalsze komplikowanie elementu regulacji, poza metodą sterowania, sposób działania przekształtnika jako cykl komutacji nazywany jest ciągłym lub nieciągłym trybem pracy. Tryb pracy ciągłej to taki, w którym prąd cewki nigdy nie spada do zera (jeśli topologia przekształtnika go posiada). Jest to tryb pracy o niższych tętnieniach wyjściowych, a zatem o niższym poziomie szumów, ale ponieważ cewka indukcyjna zawsze przewodzi, zawsze rozprasza pewną ilość energii w nieidealnych szeregowych stratach przewodzenia. W trybie nieciągłym, prąd cewki indukcyjnej może spaść do zera, powodując, że obciążenie pobiera energię z kondensatorów magazynujących. Jest to tryb pracy o wyższej sprawności, ale potencjalnie ma więcej tętnień i gorszą kontrolę regulacji.

Typy konwerterów
Jak dotknięto krótko, istnieje kilka typów konwerterów odnoszących się do ich topologii, w tym architektury typu flyback i buck- flyback. Są to powszechne topologie, ponieważ zawierają transformatory, mają niską liczbę komponentów i mogą być tanie w porównaniu z innymi opcjami. Przetworniki Flyback są przetwornikami typu buck-boost (step-up/step down) z cewką indukcyjną zastąpioną transformatorem. Zmagazynowana energia wewnątrz transformatora jest używana do komutacji wtórnika poprzez aktywny lub pasywny obwód prostowniczy. Najpopularniejszym typem przekształtnika typu flyback jest tryb nieciągły (DCM), w którym prąd płynący w transformatorze jest równy zeru, ponieważ ma on zazwyczaj najprostszą pętlę sterowania i najniższy koszt. Przetworniki flyback pracujące w trybie prądu ciągłego (CCM) są wymagane dla wyższych poziomów mocy, ale powodują większe straty w uzwojeniach transformatora ze względu na ciągłe przewodzenie. Wiele zasilaczy przełącza się pomiędzy trybami w zależności od poziomu obciążenia. Quasi rezonansowe (QR) i przełączanie doliny / zmienna częstotliwość wariacje na temat topologii flyback są bardziej złożone obwody, które optymalizują, kiedy i jak przełączanie występuje w celu poprawy wydajności. QR flyback osiąga to poprzez recykling energii z nieidealnych indukcyjności upływu, a przełączanie dolinowe redukuje skoki spowodowane przeregulowaniem. Są one zazwyczaj używane w aplikacjach o niskiej mocy.

.