Konstruera digitalt styrda AC/DC-kraftaggregat som tillgodoser den allra senaste miljöstandarden – platina! Andreas Reiter och Alex Dumais från Microchip Technology beskriver här hur man kan konstruera ett 720 W AC/DC-kraftaggregat som klarar alla CSCIs platina-specifikationer.

För att tillgodose de senaste miljöstandarderna för kraftaggregat inom samtliga industriområden, inklusive fordons- och konsumenttillämpningar, är det nödvändigt att konstruera för ökad verkningsgrad och tillförlitlighet. En viktig aktör inom detta område är gruppen “Climate Savers Computing Initiative”, CSCI, partner till “Energy Star”-programmet och delaktig i satsningen på att uppmuntra tillverkare att förbättra verkningsgraden för datorernas kraftmatning, samtidigt som energiförbrukningen minskas i “standby”- eller overksamt läge. CSCI klassar produkter som bas, brons, silver, guld och nu, i den senaste specifikationen, platina.

I denna artikel visar vi hur man skapar ett digitalt styrt 720 W AC-till-DC-baserat kraftaggregat som tillgodoser samtliga av CSCIs platina-specifikationer, och som även tillhandahåller tillämpningsspecifika egenskaper och funktioner. Platina-specifikationen gäller för växelströmsbaserade enfas-aggregat inom effektområdet 500 W till 1 kW, mätt vid AC-ingången vid 230 V. Den definierar även effektfaktorn som en funktion av lasten.

Maskinvara
Sammansatta s k “interfolierade” (”interleaving” på engelska) topologier ger fördelar när man behöver hög verkningsgrad, tillförlitlighet och effektdensitet. Att dela upp varje topologi i två parallella faser och “interfoliera” deras drift med en fasförskjutning på 180 grader ger mindre strömrippel. Strömmens minskade topp-till-topp-värden i interfolierade topologier resulterar i lägre arbetstemperaturer, som motsvaras av minskade förluster. Eftersom varje fas måste bära endast hälften av den totala strömmen minskar förlusterna i kondensatorer, kopparledningar på kretskortet och magneter med en faktor fyra; detta eftersom strömmens värde är upphöjt i kvadrat i ekvationer för förlustberäkning.

En annan fördel med interfolierade topologier är den halverade märkströmmen för vardera fas, vilket resulterar i en mindre sammanlagd storlek på drosslar och transformatorer, och mindre storlek på PCB-spåren, MOSFETar, värmesänkor och dioder.

I referenskonstruktionen i fig 1 har både effektfaktorkorrigeringens (PFCs) ”boost”-steg och den framåtriktade omvandlaren med två switchar utformats i en tvåfas-baserad interfolierad arkitektur.

Fig 1. Högnivåbaserat blockdiagram för referenskonstruktionen (klicka för större bild)

De första komponenterna, som placeras vid nätterminalerna, är en filterdrossel och en 1 μF kondensator över terminalerna för EMI-undertryckning. Drosseln följs av två säkringar, en på linjen och en på neutralledaren. En 470 V varistor över nätterminalerna ger extra skydd mot övergående spänningsspikar, transienter.

Ingångsfiltersteget utnyttjar ytterligare två filter, bestående av en “common mode”-drossel, två Y-kondensatorer kopplade till jord, och en störningsundertryckande kondensator (X-kondensator) baserad på metalliserad polypropylenfilm, som kopplas över linjen och neutralen.

En negativ temperaturkoefficient, NTC, med ett motstånd på 10 Ω vid 25˚C och noll effekt, utnyttjas för att begränsa inrusningsströmmen till under 40 A (normalt 20 A). Denna NTC kommer att kringgås av ett relä så snart som lastspänningen har stabiliserats och styrkretsen börjar starta upp systemet.

Inspänningen är kopplad till en brygglikriktare med en märkspänning på 1,3 kV och märkström på 43 A. Över brygglikriktarens utgång har ytterligare en varistor och en störningsundertryckande kondensator placerats för transientskydd.

Den interfolierade PFC-omvandlaren (IPFC-omvandlaren), som visas i fig 2, utnyttjar två identiska “boost”-omvandlare som är parallellkopplade och fasförskjutna 180 grader gentemot varandra.

Figur 2. Interfolierat effektfaktorkorrigerande ”boost”-steg (klicka för större bild)

IPFC-steget är en AC/DC-omvandlare, som omvandlar den ingående AC-matningsspänningen till en reglerad utgående högspännings-DC. PFC-steget formar också induktansströmmen så att den liknar den hos den likriktade AC-spänningen för att bibehålla en hög effektfaktor och låg sammanlagd övertonsstörning. Steget arbetar på kontinuerligt ledningssätt (continuous conduction mode, CCM) för att minska antalet övertoner i inströmmen.
Denna “boost”-PFC-topologi kräver endast en MOSFET på lågsidan för drift. Microchips tvåkanaliga MOSFET-drivkrets MCP14E4, med CMOS “push-pull”-utgångar som klarar 3,5 A vid 12 V (source/sink), valdes för drift av båda faserna.

Två strömavkännande transformatorer (CTer) med lindningsförhållandet 50:1 utnyttjades för strömavkänning. Dessa placerades på uttagssidan av lågsides-MOSFETen istället för på källsidan för att få bättre återkoppling med mindre switchbrus.

Strömutgången omvandlas till en spänningssignal av ett 15 Ω belastningsmotstånd. Ett ”serieparallellt” nätverk med fyra motstånd – två seriekopplade 15 Ω motstånd och två parallellkopplade 15 Ω motstånd – utnyttjades för denna CT-belastning för att minska de relativa toleranserna hos shunten, vilket ger högre noggrannhet. Seriekopplingen används också för att dela spänningen i två för komparatoringångarna hos den digitala dsPIC-styrkretsen (DSCn).

MOSFETen är den 600 V CoolMOS C6 krafttransistorn (IPW60R160C6) från Infineon Technologies. Den utvalda IPFC-dioden är Z-Rec-likriktaren (C3D20060D), som är en kiselkarbid-baserad Schottky-diod från CREE. Dioden valdes för sin omvända märkspänning, framåtriktade märkström, låga framåtriktade spänningsfall och snabba switchförmåga. De omvända återhämtningsförlusterna utgör normalt en betydande procentsats av ”boost”-omvandlarens effektförluster. Förlusterna minskas genom användning av dioder av kiselkarbid, eftersom dessa nästan inte har någon omvänd återhämtningstid.

Fig 3 visar den grundläggande topologin med dess strömvägar och spänningar i den interfolierade framåtriktade omvandlarkonstruktionen med två switchar.

Fig 3. Interfolierad framåtriktad omvandlare med två switchar (klicka för större bild)

I motsats till en “flyback”-omvandlares topologi utnyttjar framåtriktade omvandlare spänningstransformatorer för att föra  energi till utgången under den tid som MOSFETarna är på.

I en framåtriktad omvandlare med två switchar utnyttjas MOSFETar på högsidan och lågsidan för att lägga spänning över primärlindningen. Båda switchas av och på samtidigt. Så snart spänningen läggs på över primärlindningen blir samtliga lindningar positiva. När MOSFET Q3 switchas på börjar strömmen öka i den sekundära lindningen.

Eftersom ström eventuellt fortfarande flödar genom L1 och C1, lasten och returvägen genom D3, kommer strömmen att öka tills dess värde uppnår och överträffar strömmen genom D3. Vid den tidpunkten kommer den framåtriktade strömmen genom D3 att upphöra och spänningen VS över den sekundära lindningen kommer att läggas till början av L1. När så sker kommer drosseln L1 och utkondensatorn C1 att laddas och kraft levereras till utgången.

När MOSFETarna Q1 och Q2 switchas av kommer spänningen på samtliga lindningar att vända. ”Flyback”-effekten under den processen skulle resultera i höga spänningsnivåer över primärlindningen hos transformatorn. Dessa toppar hålls i schack av de parallella dioderna D1 och D2. Dioderna matar den energi som är lagrad i det magnetiska fältet tillbaka till matningslinjerna. Eftersom laddnings- och urladdningsprocessen tar ungefär lika lång tid, får pulslängden inte överstiga 50%, eftersom det skulle resultera i en upptrappad mättnad av transformatorkärnan.

När spänningen på den sekundära sidan vänder switchas MOSFETen Q3 av och drosseln L1 fortsätter att driva strömmen in i C1 och lasten gör att D3 blir framåtriktat förspänd.

I en interfolierad arkitektur kastas faserna A och B om med 180-gradig fasförskjutning. Eftersom det maximala pulsförhållandet är begränsat till 50% blir den sammanlagda tiden då utströmmen drivs genom L1, C1 och D3 mycket kort.

Trots att en grinddrivkrets även kan konstrueras med direkt drift på lågsidan och en extra transformator för grinddrift på högsidan, kan det eventuellt resultera i olika timing för de båda switcharna, vilket leder till minskad verkningsgrad och mer komponentstress. Därför är det lättare att använda en transformator för grinddrift med ett jämnt antal varv i sekundärlindningen.

För att åstadkomma hög bandbreddsåterkoppling för ökad prestanda utnyttjades ett shuntmotstånd på högsidan för utströmmens återkoppling. Motståndet placerades mellan utkondensatorerna och utgångsfiltret för att så fort som möjligt detektera laststeg. För att minska förluster orsakade av resistansen hos detta shuntmotstånd användes två parallellkopplade 500 μΩ motstånd. En strömövervakare på högsidan med Microchips op-förstärkare MCP6H02 tillhandahöll återkoppling.

Framåtriktade omvandlare utformas normalt med en likriktardiod och en frigångsdiod. I denna referenskonstruktion ersattes dock likritardioden med en MOSFET för att öka verkningsgraden och för att kompensera för signalfördröjningar orsakade av läckinduktansen från transformatorns sekundärlindning.

Förbättrade prestanda
För ökad verkningsgrad modifieras PFC-stegets switchperiod när systemet är i jämvikt (”steady state”) för att minska switchförlusterna. Switchfrekvensen justeras dynamiskt beroende på lastförhållandet. De olika möjliga värdena för PFC-switchperioden lagras i en uppslagstabell. Värden väljs från uppslagstabellen utifrån strömstyrslingans beräknade strömreferens.

En programvarubaserad frekvensjitteralgoritm implementerades för förbättrade EMI-testprestanda. Jitteralgoritmen åstadkommer detta genom att systemets EMI-brus sprids ut över ett frekvensområde med hjälp av triangelmodulering av switchfrekvensen.

Den utgående bulkspänningen för PFC-steget sänks under “steady state” för att förbättra verkningsgraden vid lätt last. Detta styrs direkt från sekundärsidan genom att information om lastströmmen sänds tillbaka till primärsidan.

Slutsats
Miljövänlig s k ”grön” kraft är ett av de hetaste områdena inom utveckling av kraftaggregat. Här har visats implementeringen av en AC/DC-referenskonstruktion som utnyttjar en digital dsPIC-signalstyrkrets för platinamärkning enligt CSCI.
Andreas Reiter, applikationsingenjör, och Alex Dumais, applikationsingenjör, Microchip Technology

Filed under: Embedded