När ett system med switchade DC/DC-omvandlare parallellkopplas för att få högre uteffekt gör skillnader i arbetsfrekvenser att oönskade svävningsfrekvenser bildas på den gemensamma ingångsbussen. Det leder till en oönskad ökning av de AC-rippelströmmar som cirkulerar i omvandlarnas ingångsdelar. Kai Johnstad, marknadschef för transport-, flyg- och rymd- samt försvarsprodukter, Vicor Corporation, berättar här om hur man kan lösa problemet.

Genom att använda enkla ingångsfilter kan AC-rippelströmmen på ingången minskas väsentligt. Om DC/DC-omvandlarna har högre grundswitchfrekvens (>1 MHz) kan man använder mindre filterkomponenter. Det passar för system där det sammanlagda utrymmet och vikten är av största betydelse.
Medan en enda DC/DC-omvandlare ofta är den lösning som föredras, behövs det i många fall två eller tre omvandlare för att tillgodose effektkraven i ett militärt system. Där kan två eller flera DC/DC-omvandlare parallellkopplas för att ge nödvändig effekt. Om en tillämpning måste vara robust utnyttjar man feltoleranta eller “N+1”-redundanta spänningsenheter för att tillgodose kapacitetskraven.
I viktiga militära tillämpningar, där kraftmatningsfel kan vara katastrofala, utnyttjar man “N+1”-liknande feltoleranta spänningsomvandlare för att ge mycket hög tillförlitlighet. Tack vare redundans ser feltoleranta system till att det finns åtminstone ytterligare en modul mer än det minsta antal som krävs för att bära lasten vid omvandlarfel.

Fig 1. En uppkoppling av två 270 W DC/DC-omvandlare för hög inspänning med ingångsfilter-baserade induktanser, L1 och L2,  som visas i grönt.

Om DC/DC-omvandlarna i en uppsättning har samma matningsspänning placeras de normalt tillsammans för att dra största möjliga fördel av ett gemensamt temperatur- och skärmningsskydd, samtidigt som man sparar kortutrymme. Även om omvandlarna är av samma typ kommer switchfrekvenserna att skilja om man inte väljer DC/DC-omvandlare som kan synkroniseras.
På grund av små variationer, eller missanpassning av icke-synkrona DC/DC-omvandlare som drivs parallellt från samma ingående busspänning, kommer dessa omvandlare att ha lite olika arbetsfrekvens. Skillnaden i arbetsfrekvens hos omvandlarna resulterar i oönskade svävningsfrekvenser i inströmmen till systemet. Därmed ökar den AC-rippelström som cirkulerar i omvandlarnas ingångsdel.
Visserligen kan man undvika svävningsfrekvenser med synkroniserade omvandlare. Nackdelen är att det bara finns ett begränsat urval hyllfärdiga omvandlare att tillgå. Det kan leda till system med lägre sammanlagd verkningsgrad och effektdensitet.
Genom att implementera enkla ingångsfilter kan man enkelt och i hög grad undertrycka rippelströmmen på ingången hos sammankopplade osynkroniserade omvandlare och undvika komponenter av svävningsfrekvenser. Det gör att man kan räkna med att använda osynkroniserade omvandlare.

Svävningsfrekvenser
För att illustrera problemet och påverkan av ingångsfiltrering, låt oss ta en titt på militära kraftsystem för radiosändare eller mikrovågsbaserade radiolänkar, vilka förbrukar hög effekt. Tag som exempel ett system som kräver en uteffekt på 2,1 kW från en MIL-STD-704E matningsenhet där exempelvis åtta 270 W bussomvandlare ansluts parallellt för att skapa ett DC/DC-system med hög effekt. För enkelhets skull kommer en nedskalad version – en uppkoppling av två parallella 270 W “Sine Amplitude”-baserade bussomvandlare för hög inspänning, med total uteffekt på 540 W, – att utnyttjas för mätningen. Se fig 1.
Trots att “Sine Amplitude”-bussomvandlare switchar vid fasta multi-MHz frekvenser kommer variationer mellan familjens komponenter att omvandlarna i uppkopplingen arbetar på litet olika switchfrekvenser. Interaktionen mellan switch-störningarna från respektive DC/DC-omvandlare i uppkopplingen ger upphov till de oönskade svävningsfrekvenserna mellan multiplar av omvandlarnas arbetsfrekvenser.
De oönskade svävningsfrekvensernas inverkan märks tydligast i den rippelström som cirkulerar bland uppkopplingens DC/DC-omvandlare. Rippelströmmarna för switchfrekvenserna summeras och ger en amplitudmodulering av den sammanlagda rippelströmmen hos omvandlarna.

Fig 2. Tidsdomänkurvorna (2a) visar att rippelströmmen utan filtrerande induktanser är hög (844 mA topp-till-topp).  Kurvan (2b) visar att rippelströmmen minskar väsentligt (143 mA topp-till-topp) med filtrerande induktanser.

I den parallella uppkoppling av DC/DC-omvandlare och test som beskrivs i fig 1 kan ett par ihopkopplade bussomvandlare med nominell switchfrekvens på 1,7 MHz ha verkliga switchfrekvenser på f1=1 700 kHz och f2=1 702,7 kHz. Skillnaden på 2,7 kHz mellan dessa två innebär att den totala inströmmen kommer att ha en mycket lägre frekvenskomponent mot det märkbara ripplet.

Ökade förluster
Under tidsperioder då rippelamplituderna är som högst är ledningsförlusterna i förbindningen av de båda omvandlarna i fråga högre än de behöver vara – den cirkulerande AC-rippelströmmen utnyttjas inte av DC/DC-omvandlarna, men den flyter ändå genom ledare med ett begränsat motstånd. Höga sammanlagda rippelströmmar kan dessutom vara påfrestande för ingångens avkopplingskondensatorer och störningsnivån i systemet kan öka beroende på kortlayouten. I vissa fall kan dessa cirkulerande strömmar bygga upp interferenser med tillräckligt hög amplitud för att leda till ett oförutsett beteende hos omvandlarna. Ett exempel på det är felaktig detektering av överström inne i en modul.

Praktisk demonstration
För att praktiskt visa på problemet med ökad rippelström på ingången och generering av lågfrekvent svävning kopplas ett par högspända 270 W BCM-omvandlare i en enkel, parallell uppkoppling såsom visas i fig 1. För den initiala mätningen är ingångens induktanser L1 och L2 inte inkluderade och ingen ingångsfiltrering sker bortom ingångens avkopplingskondensatorer, C1 och C2.
På grund av att två moduler i uppkopplingen switchar asynkront skiljer sig även frekvenserna för ingångens AC-rippelström. Med en gemensam ingång, och utan induktiv filtrering, blandas AC-rippelströmmarna och ger rippel med en modulerad amplitud som bygger den ovan beskrivna lägre svävningsfrekvensen.
Uppkopplingen består av två bussomvandlare som fungerar vid 270 VIN och 45 VUT. Den nominella grundswitchfrekvensen för denna omvandlarmodell är 1,7 MHz, och även i detta fall ingick inte de filtrerande induktanserna i kretsen till att börja med. Rippelströmmen på ingången till en av modulerna, som visas i fig 1, uppmättes. Tidsdomänkurvan för resulterande prestanda visas i fig 2(a). Den totala inströmmen för den bussomvandlaruppkopplingen som utnyttjades i denna mätning var cirka 2,1 ADC för drift med full belastning.

Undertryckta svävningar
Med ganska enkla ingångsfilter kan de oönskade AC-rippelströmmar som cirkulerar mellan osynkroniserade omvandlare i ett system lätt hållas under kontroll. Ingångarnas induktanser, märkta L1 och L2 i fig 1, är inkluderade för att fungera som extra ingångsfilter. I denna experimentuppkoppling var induktanserna 0,4 µH och placerade i serie med +In-benet hos vardera bussomvandlare i uppsättningen. Induktanserna på ingången ökar impedansen mellan ingångssteget hos en omvandlare och övriga omvandlare i uppsättningen vid switchfrekvensen. I detta fall är induktansernas impedans ungefär 4 ohm vid bussomvandlarnas grundswitchfrekvens på 1,7 MHz. Denna impedans minskar systemets högfrekventa cirkulerande AC-strömmar.
Resulterande prestanda efter att induktanserna lagts till visas i fig 2(b).

Minskat rippel
Den sammanlagda rippelamplituden har minskat väsentligt, med en motsvarande minskning av den lågfrekventa moduleringen av rippelströmmen. Som ett resultat av induktanser i ingångsfiltret sjunker amplituden hos rippelströmmen på ingången från 844 mA topp-till-topp till under 143 mA topp-till-topp.
Det visade sig att den cirkulerande AC-rippelströmmen på ingången hos en uppkoppling av icke-synkroniserade DC/DC-omvandlare kan vara betydligt högre om ingen filtrering användes på den gemensamma inbussen för de parallellkopplade omvandlarna. AC-rippelströmmen kan faktiskt vara betydande jämfört med DC-inströmmen. Men genom att utnyttja enkla ingångsfilter kan ripplet på AC-ingången minskas väsentligt.

Denna typ av 270 W omvandlare från Vicor används i exemplen.

Eftersom de bussomvandlare som används i exemplet fungerar vid högre grundswitchfrekvenser (>1 MHz) används mindre filterkomponenter med mindre förluster, jämfört med de som krävs för omvandlare med lägre switchfrekvenser. Detta kan vara fördelaktigt för system där det sammanlagda utrymmet, vikten och verkningsgraden är av största vikt.

Ingångsfilter tämjer ripplet
Det är uppenbart, från de resultat som visas i fig 2, att ingångsfilter spelar en viktig roll för att väsentligen dämpa inverkan av svävningsfrekvenser i en uppkoppling av switchade parallellkopplade DC/DC-omvandlare. Genom att induktanser baserade på enkla ingångsfilter utnyttjades kunde amplituden hos ingångens AC-rippelström i en av bussomvandlarna i en uppkoppling minskas med 80 procent.
Kai Johnstad, marknadschef för transport-, flyg- och rymd- samt försvarsprodukter, Vicor Corporation
 

Filed under: Avstorning