Impulzní zdroje a měniče II. - Přehled topologií impulzních měničů (bez galvanického oddělení)

    Neoddělující měniče se používají všude tam, kde není požadavek na galvanické oddělení vstupního napětí od výstupního. To umožňuje obvod značně zjednodušit. Místo pulzního transformátoru se většinou používá pouze tlumivka (feritová/železoprachová). Není často potřeba ani oddělovat snímač výstupního napětí. Výhodou měničů A,B,C,G,H,J,K,L je také fakt, že měnič nemění celý přenášený výkon, ale pouze rozdíl vstupního a výstupního napětí (měněný výkon P = (U1-U2).I). Všechny typy popsaných měničů však ztrácejí svoje výhody (hlavně účinnost) při velkých měnících poměrech (více než 5:1 až 10:1, popřípadě méně než 1:5 až 1:10). Pro velké měnící poměry je vhodnější použít měnič s transformátorem. Těm se věnuji v článku o impulzních zdrojích s oddělením. Měniče mohou pracovat 1) s nestabilizovaným vstupním a s pevným (stabilizovaným) výstupním napětím, 2) s pevným vstupním napětím a nastavitelným výstupním napětím a 3) s nestabilizovaným vstupním a nastavitelným výstupním napětím. Podle požadavků na U1 a U2 se volí typ měniče (zvyšovač pro větší U2 než U1, snižovač pro menší U2 než U1, měniče D,E,F,I pro provoz, kde mohou nastat obě varianty). Všechny měniče samozřejmě potřebují vhodný řídící obvod (budící gejty), který na gejt přivádí vhodný obdélníkový signál s řízenou střídou (PWM) a zpětnou vazbou (snímá se výstupní napětí, někdy i vstupní napětí a výstupní proud či proud tranzistorem). Dnes se většinou jedná o integrované obvody s minimem okolních součástek, informace a zapojení najdete v jejich datasheetech. Snímače proudu (bočníky) nejsou pro zjednodušení znázorněny. Napěťové špičky si níže uvedené obvody omezují samy. Při použití pro velká napětí a/nebo velké výkony je však potřeba omezovat i dU/dt (pomocí článků RC nebo RDC).

Podrobnější informace o buzení gejtů a omezování dU/dt najdete v tomto článku .

Poznámka: Ve schématech jsou znázorněny MOSFETy, ale návrhy lze aplikovat i na IGBT a bipolární tranzistory. Ultrarychlé diody mohou být v nízkonapěťových aplikacích nahrazeny schottkyho diodami.

Přehled topologií impulzních (spínaných) měničů (zvyšující, snižující, invertor, aktivní PFC)
Přehled topologií impulzních měničů


    A) zvyšovač
Zvyšující měnič (zvyšovač), jak název napovídá, zvyšuje vstupní napětí (U2 = 1× až n× U1). Po sepnutí tranzistoru se připojí napětí U1 na cívku L, působením napětí roste lineárně proud (v cívce se shromažďuje energie) až do okamžiku rozpojení tranzistoru. Poté se polarita napětí na cívce obrátí, napětí cívky se přičítá k napětí U1, proud teče z cívky přes D (rychlou diodu) do kondenzátoru C2. Energie z cívky se přenáší do C2, tím proud postupně klesá až do chvíle, kdy se tranzistor opět sepne.

Výhodou zvyšujícího měniče je, že tranzistor pracuje s uzemněným surcem (emitorem) a díky tomu není potřeba plovoucí buzení (ani proudové trafo). Nevýhodou je, že ho nelze nijak vypnout a nemůže být odolný proti zkratu a přetížení. I když se tranzistor zavře, vstupní napětí stále prochází přes L a D na výstup. Funkci řídícího obvodu zvyšovače může plnit např. známá řada obvodů UC3842, UC3843, UC3844 a UC3845 (snímání proudu přímo v surcu / emitoru). Praktický příklad tohoto měniče.

    B) snižovač
Snižující měnič (snižovač) slouží k nízkoztrátovému snižování napětí (U2 = 0 až 1× U1). Je to efektivnější alternativa ke spojitým stabilizátorům, které musejí celý rozdíl (P=(U1-U2).I) přeměnit na teplo. Po sepnutí tranzistoru se na cívce objeví rozdíl U1-U2. Proud cívkou lineárně roste, dioda je zavřená. Rozdílová energie (E=t.I.(U1-U2)) se shromažďuje v cívce. Po rozepnutí tranzistoru se polarita napětí na cívce obrátí, otevře se dioda, proud teče z cívky přes diodu do kondenzátoru, proud lineárně klesá. Energie nashromážděná v cívce se tedy přenáší do C2 a na výstup.

Nevýhodou snižovače oproti zvyšovači je nutnost použít plovoucí buzení (surc/emitor není uzemněn). To lze sice obejít použitím mosfetu typu P, ale je to možné jen u obvodů s malým vstupním napětím (U1 menší než max. U G-S mosfetu P). Pro větší napětí a/nebo větší výkony se používají výhradně mosfety typu N (nebo tranzistory NPN, IGBT NPN) a specializované budící obvody umožňující plovoucí buzení či budící transformátorek.

    C) snižovač v záporné větvi
Tento typ snižovače je velice podobný předchozímu snižovači B). Liší se jen v tom, že pracuje v záporné větvi, U1 a U2 mají tedy společný kladný pól. Výhodou je, že surc je uzemněn a není nutné plovoucí buzení. Nevýhodou je, že výstupní napětí nemá společný kladný pól se vstupním napětím a proto je nutné zapojovat zpětnou vazbu pomocí optronu nebo rozdílového zesilovače.

    D) invertor
Invertor v pravém slova smyslu slouží k invertování vstupního napětí. Velikost výstupního napětí může být větší i menší než velikost vstupního napětí. Kladný pól výstupu je spojen se záporným pólem vstupu. Vzniká tedy záporné napětí vůči zemi. Invertor se nejčastěji používá k vytvoření symetrického napětí z nesymetrického nebo k získání záporného napětí tam, kde jeho zdroj chybí. Po sepnutí tranzistoru se připojí kladné napětí k cívce, proud cívkou lineárně roste, v cívce se shromažďuje energie. Po uzavření tranzistoru se napětí na cívce obrátí, otevře se dioda, proud teče diodou z C2 do L. Energie z L se přenáší do C2, vzniká záporné napětí, proud cívkou lineárně klesá až do chvíle opětovného otevření T. Nevýhoda invertoru je stejná jako u snižovače B), tedy nutnost plovoucího buzení. O použití mosfetu P také viz B).

    E) měnič bez společné země
Měnič bez společné země je vlastně jen obrácenou verzí invertoru D). Výstupní napětí může být vyšší i nižší než vstupní. Kladný pól vstupu je spojen se záporným pólem výstupu. Není potřeba plovoucí buzení, ale zpětná vazba musí být provedena pomocí optronu nebo rozdílového zesilovače. Lze ho využít mimo jiné k napájení spotřebičů, které nemusejí mít společnou zem se vstupním napětím a je potřeba regulace napětí v rozmezí vyšším i nižším než vstupní napětí nebo kde nevyhovuje snižovač z důvodu plovoucího buzení.

    F) bezrozptylový měnič
Tento netypický měnič se používá v případech, kde se pracuje se společným záporným pólem, výstupní napětí může být vyšší i nižší než vstupní napětí a pracuje bez plovoucího buzení. Tyto požadavky nesplňuje žádný měnič s jednoduchou cívkou. Používá se proto transformátor se vzduchovou mezerou (v podstatě tlumivka se dvěma vinutími). Výhodou je také to, že ho lze vypnout a doplnit o ochranu proti přetížení a zkratu, což u A) nelze.

Zapojení bezrozptylového měniče vychází ze zapojení jednočinného blokujícího měniče (viz článek o impulzních zdrojích s oddělením, typ I.). Záporné póly jsou spojeny. Předpokládáme, že měnící poměr není extrémně velký (U2 = 0,2×...5× U1). Díky tomu je možné použít poměr závitů 1:1. Potom je střídavá složka na živých koncích obou vinutí (označeny tečkami) stejná. To umožní tyto konce spojit kondenzátorem C3 s velkou kapacitou. Použití kondenzátoru C3 má hned několik výhod. Odstraní se rozptyl trafa (není potřeba chránit tranzistor před špičkami, energie špiček se přenese na výstup), Výrazně se také omezí povrchový jev (skinefekt) - sníží se nároky na konstrukci vinutí (odpadne nutnost použití vf lanka, protože proud se mění pilovitě, nejsou zde žádné ostré hrany) a proud se rozdělí mezi vinutí, což vede k jejich efektivnějšímu využití. Připomínám, že poměr závitů musí být přesně 1:1. Pozn.: Existuje také druhá varianta, kde je transformátor nahrazen dvěma samostatnými tlumivkami. Vazba je pak zajištěna pouze kondenzátorem C3. Praktický příklad tohoto měniče.

    G) obousměrný / synchronní měnič
Obousměrný měnič se používá v aplikacích, kde je potřeba přenášet výkon oběma směry. Napětí U1 je vždy větší než U2. Obousměrný měnič je možné si představit jako měniče A) a B) položené na sebe (provozu se účastní antiparalelní diody). Pokud se výkon přenáší ve směru U1 - U2, napětí se snižuje, pokud ve směru U2 - U1, zvyšuje se. Tento měnič si lze představit jako jakýsi obousměrný napěťový "schod". Tranzistory jsou otvírány střídavě. Obousměrný měnič se používá například k plynulé pulzní regulaci motorů s možností brždění rekuperací (motor je na straně U2). Další využití je např. v záložních zdrojích, kde je potřeba pulzně regulovat nabíjecí proud baterie v běžném provozu i stabilizovat výstupní napětí v nouzovém provozu. T1 vyžaduje plovoucí buzení. Když se zvyšuje střída T2 a snižuje střída T1, měnící poměr se zvyšuje, v opačném případě se snižuje. V krajním případě je trvale otevřen T1 a napětí jsou téměř stejná. Pokud se výkon přenáší ve směru U2 - U1, tranzistor T2 nesmí být nikdy trvale otevřen. Pokud budou v tomto typu měniče použity bipolární tranzistory nebo IGBT bez zabudovaných diod, musí se použít vnější antiparalelní diody (rychlé nebo schottky v závislosti na velikosti napětí). K ovládání mosfetů nebo IGBT v tomto měniči se hodí obvody IR2101, IR2102, IR2103 a IR2104. Tyto obvody však nezajišťují řídící funkci, ale jen buzení mosfetů (T1 plovoucí).

Tento typ měniče má ještě jedno zvláštní využití, a to i v případě, že se výkon přenáší jen jedním směrem. Při provozu s malými napětími a velkými proudy může být užitečné synchronní usměrňování - tedy provoz, při kterém se mosfet spíná ve směru S-D, aby snížil úbytek antiparalelní diody (podobně jako běžný synchronní usměrňovač). Synchronní měnič může pracovat v jednosměrném režimu (nahrazovat měnič typu A) nebo B)) i v obousměrném režimu. V případě jednosměrného režimu je jeden z mosfet využit pouze jako synchronní dioda a nikdy nevede v proud ve směru D-S. Synchronní měnič se používá jen ve spojení s mosfety.

    H) aktivní PFC (aktivní korekce účiníku)
Aktivní PFC (z angl. active power factor correction) sice nepatří mezi DC/DC měniče, ale přesto ho zde uvedu. Jedná se o obvod, který zvyšuje účiník síťových usměrňovačů pracujících do filtrační kapacity. (Účiník nikoliv ve významu fázového posunu cos fí, ale ve významu činitele plnění.)

Nevýhoda síťových spotřebičů, které mají na vstupu usměrňovač a za ním velkou filtrační kapacitu, je v tom, že usměrňovač (diodový můstek) spíná jen při napětí blízkém maximu. Proud tedy teče jen v krátkých pulzech. Dochází ke zbytečně vyššímu zatížení vedení a rozvodných transformátorů, nutnosti použít vyšší jištění (pojistky, jističe) a deformaci tvaru sinusovky síťového napětí. Efektivní hodnota proudu je zde mnohem vyšší, než u odpovídající odporové zátěže. Obecně platí, že čím kvalitnější je filtrace (tedy čím menší je zvlnění filtrovaného napětí), tím horší je účiník.

Z výše popsaných důvodů se výkonnější usměrňovače doplnují o PFC. Existují 2 typy PFC: pasivní a aktivní. Pasivní PFC je většinou tvořena jen tlumivkou na jádře ze železných plechů zapojenou do série s usměrňovačem. Je to "jednoduché špinavé" řešení, protože účiník zlepšuje jen částečně, změkčuje filtrované napětí a zvyšuje výrazně hmotnost zařízení. Zde se budu zabývat jen aktivní PFC, která umožňuje zvýšit účiník až na hodnoty blízké 1, zajišťuje nezávislost výstupního napětí na vstupním (ale pozor, nejedná se o úplnou stabilizaci, zůstává zde mírné zvlnění) a umožňuje také univerzální provoz 100-240V~.

Aktivní PFC je vlastně zvyšovač napětí, který je napájen napětím s téměř 100% zvlněním. Zapojuje se mezi můstek a filtrační kapacitu. Usměrňovač pracuje do kondenzátoru s velmi malou kapacitou, který slouží pouze jako blokace vf proudu, nikoliv jako filtrace sdružných frekvencí 100/120Hz. Výstupní napětí musí být větší, než amplituda vstupního napětí. V případě vstupního střídavého napětí 220-240V~ (amplituda 310-340V) nebo univerzálního napájení 100-240V~ se volí výstupní napětí 390-400V. V případě vstupního napětí 100-127V~ (amplituda 140-180V) se volí výstupní napětí 200-250V. Buzení tranzistoru je řízeno tak, aby vstupní proud odpovídal přibližně sinusovce a výstupní napětí se pohybovalo v požadovaných mezích (nepřekračovalo maximum). Jak již bylo zmíněno, aktivní PFC má kromě zvýšení účiníku ještě jednu velkou výhodu: umožňuje univerzální provoz s napětím 100-240V~ 50-60Hz bez přepínání. Výstupní napětí PFC konstruované pro univerzální provoz je totiž jen nepatrně závislé na velikosti vstupního střídavého napětí. Umožňuje tím univerzální provoz i propustným typům zdrojů, které samy o sobě nemají pro univerzální provoz dostatečný rozsah regulace. Dioda D2 nemá na ustálený provoz obvodu žádný vliv, uplatňuje se jen v okamžiku zapnutí, kdy je C2 s velkou kapacitou vybitý. Díky této diodě neteče velký počáteční proud přes tlumivku a nedojde tedy k jejímu přesycení (což by mohlo způsobit zničení tranzistoru). Nejčastějšími obvody pro řízení aktivní PFC jsou L6560, L6561. Tyto obvody jsou napájeny z pomocného vinutí na tlumivce PFC (není ve schématu). U velmi výkonných spotřebičů je PFC téměř nutností, u malých spotřebičů nemá smysl. PFC je však často vynechávána z důvodu snižnování výrobních nákladů.

    I) Bezrozptylový invertor (Ćuk)
Bezrozptylový invertor (nazývaný také Ćuk, podle svého autora Slobodana Ćuka) pracuje obdobně jako bezrozptylový měnič F). Používá se v případě, že je potřeba vytvořit invertované (záporné) napětí a chceme se vyhnout plovoucímu buzení, které se používá v běžném invertoru D). Záporné napětí může být vyšší i nižší, než vstupní kladné napětí. Obvod se chová podobně jako blokující měnič, kde záporný pól vstupu je spojen s kladným pólem výstupu a živé konce trafa jsou propojeny kondenzátorem C3 pro snížení rozptylu a lepší rozdělení proudu mezi vinutími. Poměr vinutí musí být vždy 1:1. C3 musí být dimenzován na součet absolutních hodnot vst. a výst. napětí. Pozn.: Podobně jako v případě měniče F) existuje také druhá varianta, kde je transformátor nahrazen dvěma samostatnými tlumivkami.

    J) Vícefázový zvyšovač
Vícefázový zvyšovač funguje podobně, jako obyčejný zvyšovač A), ale výkon je rozdělen do několika menších měničů. Těch může být 2 až n. Na obrázku je příklad s dvěma fázemi. Jednotlivé fáze pracují s fázovým posuvem 360° / počet fází. Např. pro 2 fáze to tedy je 180° a pro 3 fáze 120°. Výhodou fázového posuvu je snížení zvlnění. Sníží se tím nároky na filtraci. Frekvence zvlnění se zvýší počtem fází, takže stačí menší filtrační kapacita a případně i indukčnost tlumivek dalších LC filtrů (nejsou ve schématu).

    K) Vícefázový snižovač
Podobně jako vícefázový zvyšovač J) funguje i vícefázový snižovač. Opět se jedná o 2 až několik snižovačů pracujících s fázovým posuvem. Všechny tranzistory vyžadují plovoucí buzení. Používá se např. v základních deskách PC.

    L) Synchronní vícefázový snižovač
Kombinuje výhody vícefázového snižovače K) a synchronního měniče G). Pracuje jako 2 až několik synchronních snižovačů s fázovým posuvem. Sníží se nároky na filtraci a zvlnění a také se eliminují velké ztráty na diodách klasického snižovače. Horní tranzistory vyžadují plovoucí buzení. S tímto krkolomným snižovačem se setkáte na většině základních desek PC, kde vytváří nízké napětí pro procesor (méně než 2V) z vyššího napětí zdroje (většinou 12V). Praktický příklad tohoto měniče.




zpět na úvodní stránku