Решения компании Power Integrations для построения экономичных силовых преобразователей
Кристиан Ионеску-Катрина (Cristian Ionescu-Catrina )
Эдвард Онг (Edward Ong ),
Аднан Локхандвала (Adnaan Lokhandwala )
Крис Ли (Chris Lee ), Power Integrations
В статье рассматриваются микросхемы управления питанием производства компании Power Integrations. Описываются семейства микросхем, предназначенные для использования в разных приложениях, начиная с зарядных устройств для мобильных телефонов и заканчивая управлением инверторами электроприводов
Введение
Электропривод потребляет значительную долю вырабатываемой в мире электроэнергии. Существуют разные оценки доли электропривода в мировом потреблении электроэнергии. Например, исследовательский центр в Нидерландах ECN оценивает ее в 45%.
Поэтому во многих странах законодательно вводятся регуляторные правила на энергоэффективность электропривода. В основном, эти правила нацелены на увеличение минимального КПД электродвигателей.
Учитывая, что срок службы электродвигателей нередко превышает 10 лет, крайне желательно, чтобы изготавливаемые в настоящее время электроприводы имели запас по КПД, позволяющий удовлетворить новые возможные ограничения, которые будут введены спустя несколько лет после выпуска этих электродвигателей. Заметим, что новые регуляторные правила охватывают практически весь ряд производимых электродвигателей, начиная с мощных промышленных установок и заканчивая маломощными двигателями настольных вентиляторов.
В настоящее время наиболее перспективными с точки зрения энергоэффективности и надежности являются бесщеточные двигатели постоянного тока (BLDC). Они работают с высоким КПД в широком диапазоне нагрузок и скоростей вращения. Напомним, что в качестве ротора в этих двигателях используются постоянные магниты. Следовательно, отсутствует коллекторно-щеточный узел и потери на трение в нем. Управление электродвигателем BLDC осуществляется путем регулировки напряжения на обмотках статора с помощью инвертора напряжения. Напомним, что речь идет об эффективности всего электропривода, а не только входящего в его состав электродвигателя, поэтому требования к инвертору напряжения требования такие же строгие, что и к электродвигателю.
Помимо инверторов управления электроприводом высокая энергоэффективность необходима и зарядным устройствам, и источникам питания.
Семейства микросхем управления питанием компании Power Integrations позволят решить многие из перечисленных задач. Некоторые из них мы и рассмотрим в настоящей статье.
Семейство драйверов IHB BridgeSwitch
Компании Power Integrations хорошо известна – она существует уже более 30 лет, имеет большой опыт разработки и производства микросхем управления питанием, высоковольтных ИС с высокой степенью интеграции для управления силовыми преобразователями, а также драйверов затворов. Создание решений для высокоэффективного управления можно разделить на две задачи.
К первой из них относится создание эффективной архитектуры управления силовым преобразователем, а ко второй – создание отдельных драйверов затворов для управления силовыми ключами, чтобы обеспечить масштабируемость решения и для однофазных, и для многофазных преобразователей разной мощности. Решение этих задач обеспечит гибкость и позволит разработчику «тасовать» микросхемы для обеспечения той конфигурации, которая требуется для конкретного проекта.
Результатом такого подхода стало создание семейства интегрированных полумостовых драйверов IHB BridgeSwitch. Их можно использовать для управления бесщеточными электродвигателями, синхронными электродвигателями с постоянными магнитами (PMSM), а также асинхронными электродвигателями. КПД драйверов IHB BridgeSwitch достигает 98,5%. Они могут управлять инверторами с максимальной мощностью 30–400 Вт.
В состав семейства IHB входят драйверы верхнего и нижнего плечей, контролеры, устройства сдвига уровня напряжения, два n-канальных 600‑В эпитаксиальных диода с быстрым восстановлением, MOS FET (FRE DFET ) с интегрированными датчиками тока. Поскольку время восстановления обратного сопротивления внутренних диодов FRE DFET чрезвычайно мало, ключи отлично подходят для коммутации индуктивной нагрузки. Использование FRE DFET позволяет снизить коммутационные потери и уменьшить электромагнитные помехи, возникающие при работе любого силового преобразователя.
Заметим, что IHB BridgeSwitch не нуждаются в отдельном источнике питания, что облегчает задачу создания источника питания для всей системы управления. С этой целью можно использовать, например, экономичный ключ LinkSwitch TN 2 производства той же Power Integrations или простой неизолированный драйвер вместо обратноходового преобразователя с несколькими выходами.
В состав микросхем семейства BridgeSwitch входят все необходимые для силовых преобразователей аппаратные средства защиты и мониторинга. Помимо того, что аппаратные защиты ускоряют отклик на аварийную ситуацию, они также упрощают сертификацию изделия, ускоряя его выход на рынок.
Для облегчения проектирования можно использовать оценочные платы, которые производятся для всех микросхем семейства IHB BridgeSwitch.
На рисунке 1 в качестве примера показаны оценочная плата RDK‑873 для управления инвертором мощностью 30 Вт и плата RDK‑853 для управления инвертором мощностью 300 Вт.
Рис. 1. Оценочные платы IHB BridgeSwitch: а) плата RDK-873; б) плата RDK-853
На оценочную плату RDK‑873 установлены две ИС драйвера BridgeSwitch BRD1260C с КПД равным 95%. С помощью этой платы можно управлять мостовым инвертором мощностью 30 Вт. Плата RDK‑853 обеспечивает управление 3‑фазным инвертором мощностью 300 Вт. КПД драйверов платы достигает 98% во всем диапазоне нагрузок. Как видно из рисунка 1, обе платы благодаря достаточно высокому КПД драйверов не нуждаются в радиаторах.
Корректор коэффициента мощности HiperPFS‑4
Чтобы удовлетворить жестким требованиям стандартов электромагнитной совместимости при проектировании силовых преобразователей, неизбежно приходится решать задачу уменьшения гармонических искажений сетевого тока, что равносильно задаче увеличения коэффициента мощности до значений очень близких к 1. Эта задача коррелирует с необходимостью увеличить КПД силового преобразователя, т. к. нелинейные искажения потребляемого тока ведут к возникновению дополнительных потерь и, следовательно, к уменьшению КПД .
На всякий случай напомним причину появления несинусоидального тока, а значит, высших гармонических составляющих в обычном выпрямителе, который показан на рисунке 2.
Рис. 2. Двухполупериодный выпрямитель без ККМ
Ток сети начинает заряжать конденсатор только после того, как сетевое напряжение превысит напряжение сглаживающего конденсатора. Чем больше его емкость и чем меньше подключенная к нему нагрузка, тем меньше разряжается конденсатор. Следовательно, тем меньше интервал, в течение которого протекает ток сети. Если сглаживающий конденсатор отсутствует и нагрузка подключается непосредственно к двухполупериодному выпрямительному мосту, форма тока практически не искажается.
Для устранения нелинейных искажений используется корректор коэффициента мощности (ККМ ). Он может быть пассивным или активным. В первом случае уменьшение гармонических составляющих тока происходит только за счет индуктивного фильтра. В активном ККМ помимо индуктивного фильтра применяется дополнительная схема.
Пассивный ККМ можно использовать лишь при малых искажениях и малой потребляемой мощности. Поскольку в противном случае потребуется увеличить индуктивность дросселя, его размеры могут стать неприемлемо большими. По этой причине в большинстве случаев используют активный ККМ , упрощенная схема которого приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Упрощенная схема активного ККМ
Принцип действия активного ККМ крайне прост и схож с таковым понижающего DC/DC-преобразователя. Сетевой ток протекает только в момент открытия силового ключа и восполняет потерю энергии в дросселе. После выключения силового ключа запасенная в дросселе энергия поступает в сглаживающий конденсатор и нагрузку. Компания Power Integrations производит микросхему активного ККМ HiperPFS‑ 4 (см. рис. 4).
Рис. 4. а) схема включения активного ККМ HiperPFS-4; б) микросхема HiperPFS-4
В ее состав входит диод с очень быстрым восстановлением, силовой MOS FET с низким сопротивлением открытого канала RDS(ON ) и контроллер, обеспечивающий работу активного ККМ в режиме непрерывного тока. Схема включения активного ККМ HiperPFS‑ 4 приведена на рисунке 4. На этом же рисунке показана микросхема HiperPFS‑ 4.
Преобразователи семейства LinkSwitch-TN Z с детектированием нулевого напряжения
Рис. 5. а) схема понижающего преобразователя на основе LinkSwitch-TNZ; б) временная диаграмма работы узла ZCD
При коммутации токоприемников сети переменного тока используются либо электромагнитные реле, либо симисторы. В обоих случаях в зависимости от фазы коммутации могут возникать значительные сверхтоки или перенапряжения. Это обстоятельство способно привести к проблемам с выбором защиты цепей, а также с электромагнитной совместимостью (ЭМС ). Кроме того, если коммутация осуществляется электромагнитными реле, сверхтоки приведут к дополнительному износу контактов и сокращению срока службы, хотя механическая износостойкость реле может превышать 10 млн циклов.
При скачках пускового тока также деградируют характеристики управляющего электрода симисторов.
Для устранения упомянутых проблем коммутации Power Integrations разработала семейство микросхем LinkSwitchTN Z, в состав которых входит 725‑В силовой MOS FET , узел детектора перехода напряжения через ноль и контроллер управления источником питания. Таким образом, рассматриваемое семейство микросхем формирует сигнал при переходе напряжения через ноль и одновременно выполняет функцию контроллера силового преобразователя.
Микросхемы LinkSwitch-TN Z можно использовать для создания изолированных и неизолированных DC/DC -и AC/DC преобразователей. В качестве примера на рисунке 5 приведен пример схемы понижающего преобразователя на основе LinkSwitch-TN Z и временная диаграмма работы узла ZCD. Сигнал перехода напряжения через ноль подается на микроконтроллер (МК ) или другое устройство, которое, в свою очередь, формирует управляющий сигнал для коммутации сети. Контроллер может работать в режиме преимущественно прерывистого тока (MDCM) и в режиме непрерывного тока (CCM).
Выходная мощность преобразователей семейства LinkSwitch-TN Z находится в диапазоне 3–18 Вт. При построении силовых преобразователей необходимо корректно выбрать выходной обратный диод, время восстановления которого не должно превышать 35 нс. Как и для описанных выше микросхем, для ускорения проектирования с использованием ИС LinkSwitch-TN Z выпускаются оценочные платы.
ИС управления питанием семейств InnoSwitch3 и InnoSwitc h4‑CZ
Мобильные телефоны стали настолько привычными в нашей повседневности, что уже невозможно представить себе жизнь без этих гаджетов. Появился даже специальный термин nomophobia (no mobile-phone phobia – боязнь остаться без мобильного телефона). Более того, при низком уровне заряда батареи смартфона у многих пользователей появляется чувство страха от того, что они могут остаться без мобильной связи.
Нет ничего удивительного в том, что целый ряд компаний, в число которых входит и Power Integrations, разрабатывает специальные источники питания для мобильных устройств, позволяющие максимально продлить срок службы батареи без подзарядки.
В Power Integrations разработали серию источников питания InnoSwitch3 специально для мобильных устройств. Микросхемы этого семейства производятся в корпусах для поверхностного монтажа. В их состав входит силовой MOS FET и все функциональные узлы для управления обратноходовым преобразователем, в т. ч. синхронным выпрямителем вторичной стороны. Кроме того, микросхемы этого семейства могут применяться и в качестве зарядных устройств, работающих в режиме CV/CC (постоянное напряжение/постоянный ток) и в режиме постоянной мощности CP.
В микросхемах серии InnoSwitch3 применяется проприетарная технология FluxLink, позволяющая не использовать оптроны в обратной связи обратноходового преобразователя. Еще одной инновацией в этом семействе является применение проприетарной технологии PowiGaN. К ак нетрудно догадаться из названия, в ней вместо традиционных кремниевых MOSFET используются силовые ключи на основе нитрида галлия GaN FET .
Новая технология позволяет заметно снизить коммутационные потери, потери на проводимость и увеличить КПД изолированного обратноходового преобразователя до 95% во всем диапазоне нагрузок. Уменьшение потерь позволило увеличить мощность источника до 100 Вт без использования радиатора.
Технология FluxLink увеличивает полосу пропускания канала обратной связи, улучшая динамические свойства источника питания, уменьшая колебательность и время протекания переходного процесса, а также повышая помехоустойчивость. В микросхемах семейства InnoSwitch3 используется еще одна инновационная проприетарная технология – EcoSmart, которая уменьшает потребляемую мощность в режиме ожидания до 14 мВт, позволяя использовать ИС в устройствах USB PD.
Подробный типовой проект применения микросхем семейства InnoSwitch3 в решении USB PD см. в [1]. В этом проекте описывается зарядное устройство с использованием двух микросхем INN 3266C-H210 семейства InnoSwitch3 и контроллера
CYPD4225 USB Type-C компании Cypress Semiconductors (в настоящее время Cypress Semiconductors входит в состав компании Infineon). Входное напряжение устройства находится в диапазоне 85–265 В АС , а входное напряжение составляет 27 В по каждому из двух выходных каналов; выходная мощность каждого из них достигает 27 Вт. Помимо описанного устройства на сайте компании представлены и другие примеры исходных проектов с подробным описанием и перечнем элементов.
В микросхемы InnoSwitch3 интегрированы все необходимые функциональные узлы защиты: тепловая защита, защита от провалов напряжения и перегрузок по току, а также ограничение выходного напряжения. Производятся модификации с возможностью компенсации потерь напряжения в соединительных проводах. На рисунке 6 приводится упрощенная схема обратноходового преобразователя на основе микросхемы семейства InnoSwitch3.
Рис. 6. Упрощенная схема обратноходового преобразователя на микросхеме семейства InnoSwitch3
Все микросхемы могут работать в режимах постоянного выходного напряжения (CV), постоянной выходной мощности (CP) и постоянного выходного тока (CC). На рисунке 7 показаны все перечисленные режимы работы, а в таблице 1 приводит с я максимальна я выходная мощность обратноходовых преобразователей на основе микросхем InnoSwitch3 в зависимости от конструктивного исполнения и входного напряжения.
Рис. 7. Работа в режимах постоянного выходного напряжения (CV), постоянной выходной мощности (CP) и постоянного выходного тока (CC)
Таблица 1. Выходная мощность обратноходовых преобразователей, базирующихся на микросхемах семейства InnoSwitch3 в зависимости от конструктивного исполнения и входного напряжения
* Закрытое исполнение без принудительной вентиляции.
Максимальная выходная мощность определялась из условия нагрева корпуса микросхемы до температуры не выше 125°C.
Если в основу угла ставится компактность, следует обратить внимание на следующее поколение микросхем – InnoSwitch4‑CZ. По сравнению с предыдущим поколением InnoSwitch, в новые ИС добавлен драйвер для управления узлом активного ограничения перенапряжений. Преобразователь работает в режиме коммутации при нулевом напряжении (ZVS). Кроме того, рабочая частота микросхем нового семейства возросла до 140 кГц, что позволяет уменьшить размеры конденсатора сглаживающего фильтра и трансформатора. Максимальная выходная мощность обратноходовых преобразователей на основе микросхем семейства InnoSwitch4‑CZ приведена в таблице 2.
Таблица 2. Выходная мощность обратноходовых преобразователей на основе ИС InnoSwitch4-CZ в зависимости от конструктивного исполнения и входного напряжения
Схема обратноходового преобразователя на базе nnoSwitch4‑CZ приведена на рисунке 8.
* Закрытое исполнение без принудительной вентиляции.
Рис. 8. Схема обратноходового преобразователя на основе микросхемы InnoSwitch4-CZ
Для упрощения разработки с использованием всех перечисленных в этом разделе семейств ИС компания Power Integrations выпускает оценочные платы.
Литература
- DER‑551–54 W Dual USB PD Charger Using InnoSwitch3‑CP and Cypress CCGA Controller//www.power.com.
