AC/DC-omvandlare

Kretsar kräver ofta en integrerad växelströmskälla som den optimala strategin för att minska storlek och kostnad eller på grund av applikationsspecifika behov. Att förstå nyckelbegreppen i samband med omvandling och de praktiska alternativen som finns tillgängliga är en bra start mot en lyckad konstruktion.

Säkerheten först!
När växelströmskällan är ett eluttag måste stor försiktighet iakttas för att se till att en implementering är säker att använda. Utan undantag bör detta delsystem konstrueras och implementeras av en kvalificerad expert. Om det är möjligt, använd ett förhandsgodkänt plug pack från hyllan.

Kompatibilitet är obligatorisk!
När du ansluter något till ett nätuttag måste det uppfylla de lagstadgade certifieringsstandarderna i det land där det kommer att användas. Dessutom måste det ha testats och certifierats för att göra det – en dyr process. Detta för att säkerställa att den är säker, inte stör andra människor eller bidrar med buller till växelströmsnätet.

Vad är en växelströms- och likströmsomvandlare?
Elektrisk ström transporteras på ledningar antingen som likström (DC) som flödar i en riktning vid en icke oscillerande konstant spänning, eller som växelström (AC) som flödar fram och tillbaka på grund av en oscillerande spänning. Växelström är den dominerande metoden för att transportera ström eftersom den erbjuder flera fördelar jämfört med likström, bland annat lägre distributionskostnader och ett enkelt sätt att konvertera mellan spänningsnivåer tack vare uppfinningen av transformatorn. Växelström som skickas med hög spänning över långa avstånd och sedan omvandlas ner till en lägre spänning är en effektivare och säkrare strömkälla i hemmen. Beroende på platsen kan högspänningen sträcka sig från 4kV (kilovolt) upp till 765kV. Som en påminnelse kan nämnas att växelströmsnätet i hemmen varierar från 110V till 250V, beroende på vilken del av världen du bor i. I USA är den typiska växelströmshuvudledningen 120V.

Konverterare styr en växelström, eftersom dess spänning också växlar, till reaktiva impedanselement, t.ex. induktorer (L) och kondensatorer (C), där den lagras och integreras. Denna process separerar den kraft som är förknippad med den positiva och negativa potentialen. Filter används för att jämna ut den lagrade energin, vilket resulterar i skapandet av en likströmskälla för andra kretsar. Denna krets kan ha många olika former men består alltid av samma väsentliga delar och kan ha ett eller flera omvandlingssteg. Den omformare som visas i figur 1 kallas ”forwardkonverter” och har högre verkningsgrad än en något enklare arkitektur, en ”flybackkonverter”. Även om detta inte diskuteras i detalj skiljer sig en flyback-omvandlare från en forward-omvandlare genom att dess funktion är beroende av den energi som lagras i luftgapet i transformatorn i kretsen. Bortsett från denna skillnad kan de använda samma viktiga block.

Figur 1: Funktionellt blockdiagram för ett AC/DC-strömförsörjningsaggregat med framåtgående omvandlare

Inputfiltreringsblock
Ett inputfilter är viktigt eftersom det förhindrar att buller som produceras i strömförsörjningens kopplingselement kommer tillbaka till nätströmmen. Det förhindrar också att buller som kan finnas på nätaggregatet kommer in i efterföljande kretsar. Filtret släpper igenom 50/60 Hz nätfrekvens och dämpar högre frekvensbrus och övertoner som kan förekomma. Liksom andra delar av en växelströms- till likströmsomvandlare har reaktiva element, t.ex. kondensatorer och induktorer, en viktig roll i fråga om frekvensselektiv dämpning. Kondensatorer släpper inte igenom likström och kan användas i serie (som likströmsblockerande ”högpassfilterelement”) eller parallellt (för att shunta höga frekvenser till jorden och hindra dem från att nå omvandlaren).

Ingångsfiltreringsblocket innehåller också vanligen ett spänningsberoende motstånd eller en varistor för att förhindra att högspänningsspikar i elnätet skadar strömförsörjningen. Detta är den rektangulära rutan med den diagonala linjen genom den på ingången i figur 1. Den vanligaste typen av varistor är en metalloxidvaristor (MOV). Varje spänning över enhetens ”klämspänning” gör att MOV:n blir ledande, vilket gör att den höga spänningsspiken överbryggas och att spänningen dämpas.

Rektifiering
De enklaste växelströms- och likströmsomvandlarna består av en transformator som följer ingångsfiltreringen, som sedan passerar över till en likriktaren för att producera likström. I detta fall sker likriktningen efter transformatorn eftersom transformatorer inte släpper igenom likström. Många växelströms- och likströmsomvandlare använder dock mer sofistikerade omvandlingstopologier med flera steg, som visas i figur 1, på grund av fördelarna med mindre transformatorkrav och lägre brus som återförs till elnätet.

Rektifierare genomförs med hjälp av halvledarkomponenter som villkorligt leder strömmen i endast en riktning, som t.ex. dioder. Mer sofistikerade halvledarlikriktare är t.ex. tyristorer. Kiselstyrda likriktare (SCR) och trioder för växelström (TRIAC) är analoga med ett relä, eftersom en liten mängd spänning kan styra flödet av en större spänning och ström. De fungerar på så sätt att de endast leder när en styrande ”grind” utlöses av en ingångssignal. Genom att koppla på eller stänga av enheten vid rätt tidpunkt när växelströmsvågformen flödar styrs strömmen för att skapa en likströmsavskiljning. Det finns många kretsar för att göra detta, med signaler från växelströmsvågformen som används som styrsignaler för att ställa in faskvadranterna som thyristorerna är på eller av. Detta är kommutering och kan vara antingen naturligt (i fallet med en enkel diod) eller påtvingat, som i fallet med enheter som är mer sofistikerade.

Hög effektivitet i strömförsörjningen kan använda aktiva enheter som MOSFETs som brytare i sådana kretsar. Anledningen till att använda topologier som är mer komplexa är vanligtvis för att förbättra effektiviteten, för att sänka bruset eller för att fungera som effektstyrning. Dioder har ett inneboende spänningsfall över dem när de leder. Detta gör att effekt går förlorad i dem, men andra aktiva element kan ha ett mycket lägre fall och därmed lägre effektförlust. SCR- och TRIAC-kretsar är särskilt vanliga i billiga strömstyrningskretsar som t.ex. ljusdimmerexemplet nedan – de används för att direkt styra och kontrollera den ström som levereras till belastningen när det ingående elnätet växlar. Observera att dessa tillämpningar inte är galvaniska när de inte har en transformator i kretsen – de är endast användbara i kretsar som är lämpliga, t.ex. direkt nätansluten ljusstyrning. De används också i industriella och militära strömförsörjningar med hög effekt där enkelhet och robusthet är viktigt

Figur 2: SCR-baserad omvandling

Power Factor Correction (PFC)
Detta är den mest komplicerade aspekten av en omvandlare att förstå. PFC är en viktig del för att förbättra en omvandlares effektivitet genom att korrigera den relativa fasen mellan strömmen som dras och spänningsvågformen för att bibehålla den optimala effektfaktorn. Detta minskar den ”reaktiva belastning” som omvandlaren annars skulle kunna ge upphov till i elnätet. Detta är viktigt för att upprätthålla effektiva elnät av hög kvalitet, och elförsörjningsföretag kan till och med införa särskilda avgifter för reaktiv ström för kunder som har dåliga effektfaktorer. Passiv eller aktiv PFC avser om det är aktiva eller passiva element som används för att korrigera fasförhållandena. Halvledar-PFC kan hänvisa till IC för speciella ändamål med integrerade styrenheter som är skräddarsydda för att aktivt övervaka och justera PFC-kretsen, vilket minskar antalet komponenter och förenklar den övergripande konstruktionen samtidigt som högre prestanda erhålls. De kan innehålla andra funktioner som över-/underspänningsskydd, överströmsskydd, mjukstart och feldetektering/respons.

Omvandlaren som avbildas i figur 1 är en enstegs PFC-omvandlare. Kondensatorn i denna sektion används för att lagra den obalanserade energin mellan den pulserande ingångseffekten och stegets relativt konstanta utgångseffekt. Se avsnittet ”Lagring av reaktiv energi” för mer information om detta. PFC-omvandlare med två steg används vanligen eftersom de inte behöver hantera ett lika stort spänningsintervall över lagringskondensatorn som du får i universella nätaggregat, vilket har en negativ effekt på omvandlingseffektiviteten. De kan också erbjuda bättre kompromisser när det gäller kondensatorstorleken, vilket kan bidra till att sänka kostnaden.

Power Stage
Effektsteget styr den effekt som levereras från primär- till sekundärsidan genom transformatorn. Det består av en aktiv kopplingsanordning som växlar vid en hög frekvens som kan vara i hundratals kHz. Omkopplingsläget ON/OFF styrs av en pulsbreddsmoduleringsingång (PWM) som ändras beroende på hur mycket effekt som dynamiskt måste levereras till belastningen. Denna information erhålls genom en återkopplingsväg från sekundärsidan som kan kommuniceras genom ett antal tekniker som tar hänsyn till omvandlarens isoleringskrav. Den högre frekvensomkopplingen resulterar i ett mindre transformatorbehov, vilket minskar storlek och kostnad.

Transformator
En transformator består av trådar som är lindade på en gemensam kärna och som kopplas in i varandra genom elektromagnetisk induktion. Detta är viktigt när man ansluter till högspänningskällor (nät) – så kallad ”off-line”-konvertering – eftersom den induktiva kopplingen kopplar bort nätet från den efterföljande kretsen, vilket är ett mycket säkrare scenario än direkt anslutning. Denna koppling genom ett elektromagnetiskt fält, snarare än en direkt kopparkrets, som kallas ”galvanisk isolering”, begränsar den maximala energi som kan orsaka elektriska stötar eller farliga gnistladdningar till den lagrade energin i transformatorns magnetfältets flödeslinjer. Transformatorns förmåga (relaterad till storlek och material) att lagra energi är ett viktigt övervägande vid omvandlarens utformning eftersom det dikterar hur väl transformatorn kan tillhandahålla energi för att bibehålla den önskade spänningspotentialen under förändrade belastningsförhållanden.

Detaljer om transformatorns teori och funktion finns här.

Figur 1 har ett block som kallas ”Mag Amp Reset” och som är förknippat med avmagnetisering av transformatorn på grund av en magnetiseringsström som är inneboende i arkitekturen. Utan detta skulle remanensen i kärnmaterialet mätta den inom några cykler av effektstegets PWM. Även om den är för komplex för att behandlas i denna handledning kan denna extra krets vara mycket förvirrande när man granskar omvandlarkretsscheman, och det är användbart att veta varför den behövs. Det finns ett antal tekniker för att utföra avmagnetisering, varav den enklaste är att en avmagnetiseringsström matas tillbaka till en diod genom en separat hjälplindning när effektstegets strömbrytare är avstängd. Denna krets begränsar den maximala PWM-tjänstgöringsgraden till 50 %, men mer komplexa metoder kan användas för att möjliggöra högre tjänstgöringsgrader.

Transformatorer eller andra metoder för galvanisk isolering (som optokopplare) används ofta för att kommunicera informationssignaler mellan primär- och sekundärsidan. Detta behövs för att underlätta en mer intrikat styrning av omvandlingsprocessen – vilket gör det möjligt för en styrkrets som ligger på primärsidan att reagera på läget för belastningen på sekundärsidan och dynamiskt ändra hur den styr strömmen för att få lägre brus och högre verkningsgrad.

Utgångskretsar
Som nämndes i avsnittet om filtrering lagrar elektriska fält i passiva reaktiva (lagrings-) element som kondensatorer och induktorer energi. När de används efter den laddningsstyrande likriktningen fungerar de som en energireservoar under den växlande ingångsströmcykeln. Detta är ett viktigt element i en omvandlare eftersom denna energilagring fungerar som en källa och möjliggör en konstant utgångsspänning under varierande belastningsförhållanden. Aktiva element känner av spänningen till belastningen och/eller strömmen till belastningen, och i en negativ återkopplingsslinga används denna information för att justera den energi som pumpas in i dessa lagringselement för att bibehålla en konstant utgångsspänningsnivå. I denna pumpningsprocess används aktiva element för att koppla på och stänga av den ström som strömmar in i lagringselementen, vilket kallas för det breda begreppet reglering.

Reglering
Vi behöver en konstant spänning som presenteras för en belastningskrets, oberoende av belastningens dynamiska impedans. Utan detta kan över- eller underspänningstillstånd uppstå, vilket leder till felaktigt kretsbeteende eller till och med kretsskador. Detta gäller särskilt för digital elektronik med låg spänning, där matningsspänningarna måste begränsas strikt inom ett fönster på några få procent av ett nominellt värde. Reaktiva element har ingen inbyggd kontroll av detta. Det sätt på vilket en växelströms- och likströmsomvandlare uppnår ett noggrant kontrollerat fönster för utgångsspänningen är genom att villkorligt styra den energi som lagras i den reaktiva lagringskällan med låg impedans.

Utgångsspänningen kommer att förändras med tiden när strömmen försvinner från dessa element, och den kan också ha en variation som orsakas av enheternas icke-ideala egenskaper, t.ex. serieresistans eller parasitkapacitans. Det krävs någon form av dynamisk styrning för att ladda denna källa. Detta kallas reglering. Belastningar som mikroprocessorer ändrar den effekt de kräver när de utför olika operationer, och detta förvärrar behovet av att ha en aktiv dynamisk reglering.

Regleringskontroll är en återkopplingskrets som styr kopplingselementen. I det här fallet är kopplingselementet på omvandlarens primärsida. För att en omkopplare ska vara effektiv måste den antingen vara hårt påslagen (lägsta möjliga impedans) eller hårt avstängd (högsta möjliga impedans) – eftersom mellanliggande tillstånd leder till att den effekt som går genom omkopplaren går förlorad och slösas bort. Halvledaromkopplare som MOSFETS är inte idealiska och uppvisar en viss impedans, de förlorar energi och detta sänker omvandlingseffektiviteten.

Det finns egentligen bara två sätt att styra en omkopplare, genom att variera den arbetscykel som omkopplaren är på eller av, vilket kallas pulsbreddsmodulering (PWM), eller genom att styra frekvensen av att vara på eller av. Omvandlare som inte är i resonerande läge använder hårda omkopplingstekniker, men i konverterare som är i resonerande läge används en intelligentare teknik för mjuka omkopplingar. Soft switching innebär att växelströmsvågformerna kopplas på eller stängs av vid nollspänning eller nollström, vilket eliminerar kopplingsförluster och leder till arkitekturer med mycket hög verkningsgrad. Tekniker som synkron likriktning ersätter likriktningsdioderna med aktiva kopplingselement som MOSFETS. Genom att styra omkopplingen synkroniserat med den ingående växelströmsvågformen kan MOSFET:n leda med ett mycket lågt ON-motstånd och mindre spänningsfall vid rätt tidpunkt – vilket leder till högre verkningsgrad jämfört med diodlikriktning.

Hur vet regleringskretsen när den ska koppla om? Det finns två principiella metoder för reglerläge: spänningsreglering och strömreglering. Regulatorer använder en eller en kombination av båda metoderna för att reglera den spänning som presenteras för belastningskretsen.

Spänningsregleringsläge

Regleringskretsen känner av utgångsspänningen och jämför den med en referensspänning för att skapa en felfunktion. Felsignalen ändrar kopplingsförhållandet för att föra utgången närmare den önskade nivån. Detta är den enklaste regleringsmetoden.

Current Control Mode

Både utgångsspänningen och induktorsströmmen avkänns och kombinationen används för att styra arbetscykeln. Denna inre ”strömavkänningsslinga” möjliggör en snabbare responstid vid belastningsändringar, men är mer komplicerad än spänningsstyrningsläge.

För att ytterligare komplicera regleringselementet, utöver styrmetoden, kallas omvandlarens sätt att agera som en kommuteringscykel för ett kontinuerligt eller diskontinuerligt driftsläge. Ett kontinuerligt driftläge är ett driftläge där induktionsströmmen aldrig faller till noll (om omvandlarens topologi har ett sådant). Detta är ett driftsläge med lägre utgångsrippel och därmed lägre brus, men eftersom induktorn alltid är ledande, förlorar den alltid en del energi i sina icke-ideala seriekopplingsförluster. I diskontinuerligt läge tillåts induktionsströmmen gå till noll, vilket gör att belastningen får energi från lagringskondensatorerna. Detta är ett driftsläge med högre verkningsgrad men har potentiellt mer rippel och sämre regleringskontroll.

Konvertertyper
Som kortfattat berörts finns det flera konvertertyper med avseende på deras topologi, bland annat flyback- och buck- flyback-arkitekturer. Dessa är vanliga topologier eftersom de innehåller transformatorer, har lågt antal komponenter och kan vara billiga i förhållande till andra alternativ. Flyback-omvandlare är en buck-boost-omvandlare (step-up/step-down) där induktorn har ersatts med en transformator. Den lagrade energin i transformatorn används för att koppla om sekundären genom en aktiv eller passiv likriktningskrets. Den vanligaste typen av flybackomvandlare använder diskontinuerligt läge (DCM) – där strömmen i transformatorn går till noll – eftersom detta vanligtvis har den enklaste styrslingan och den lägsta kostnaden. Flybackomvandlare med kontinuerligt strömläge (CCM) krävs för högre effektnivåer men resulterar i högre transformatorlindningsförluster på grund av kontinuerlig ledning. Många strömförsörjningar växlar mellan olika lägen beroende på belastningsnivån. Kvasiresonant (QR) och variationer av flyback-topologin med dalskifte/variabel frekvens är mer komplexa kretsar som optimerar när och hur skiftet sker för att förbättra effektiviteten. QR-flyback uppnår detta genom att återvinna energi från icke-ideala läckageinduktanser, och dalomkoppling minskar de toppar som orsakas av översvängning. De används vanligtvis i tillämpningar med låg effekt.