DC-DC Converters (Παλμοτροφοδοτικά). Μέρος 3ο.

Σημείωση: Τα παρακάτω αποτελούν εκπαιδευτικό βοήθημα για αρχάριους και σε καμία περίπτωση δεν απευθύνεται σε επαγγελματίες σχεδιαστές κτλ.

Σε προηγούμενα άρθρα (ΕΔΩ και ΕΔΩ) είδαμε πως περίπου λειτουργούν ένας Buck ή Step-Down Converter, ένας Boost ή Step-Up Converter και ένας Buck-Boost Converter. Θα δούμε παρόμοια πράγματα για κάποιες άλλες κατηγορίες DC-DC μετατροπέων.

SEPIC. Single-Ended Primary Inductor Converter.

Ο SEPIC είναι ένας DC σε DC μετατροπέας που η τάση στην έξοδο του μπορεί να είναι μεγαλύτερη, μικρότερη ή ίση με την τάση στην είσοδο του. Ο SEPIC μοιάζει με τον Buck-Boost μετατροπέα, έχοντας το πλεονέκτημα της μη ανεστραμμένης πολικότητας στην έξοδο. Επίσης, χρησιμοποιεί έναν πυκνωτή για την μεταφορά της ενέργεια από την είσοδο στην έξοδο (αντιδρώντας με τον τρόπο αυτό καλύτερα και σε καταστάσεις βραχυκυκλώματος της εξόδου). Ο SEPIC είναι χρήσιμος σε περιπτώσεις που η τάση μιας μπαταρίας για παράδειγμα, μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την τάση που απαιτεί το φορτίο. Για παράδειγμα μια μπαταρία Λιθίου-Πολυμερών (Li-Po) ενός κινητού τηλεφώνου μπορεί να παρέχει ισχύ (χωρίς να πάθει μόνιμη ζημιά) από τα 3,6 έως τα 3 volts. Αν το φορτίο απαιτεί 3,3 volts τότε ένας SEPIC είναι αυτό που χρειαζόμαστε. Όσο η μπαταρία είναι πάνω από τα 3,3 volts ο SEPIC θα λειτουργεί ως Buck Converter. Αν η τάση της μπαταρίας πέσει στα 3,3 volts τότε η έξοδος του SEPIC θα είναι 3,3 volts. Αν η τάση της μπαταρίας πέσει κάτω από τα 3,3 volts ο SEPIC θα λειτουργεί ως Boost Converter.

Όπως βλέπουμε από το παραπάνω σχήμα ο SEPIC είναι ποιο περίπλοκος σε σχέση με τις άλλες τοπολογίες. Και σε αυτή την τοπολογία όμως η τάση της εξόδου εξαρτάται από την PWM που ελέγχει τον ηλεκτρονικό μας διακόπτη.

Παρακάτω βλέπουμε το κύκλωμα και την εξομοίωση ενός SEPIC στο πρόγραμμα LTSpice.

Στο παραπάνω κύκλωμα ο ηλεκτρονικός διακόπτης (το MOSFET δηλαδή) ανοιγοκλείνει στον ρυθμό της PWM που έχει συχνότητα 31 kHz. Το εύρος της (κύκλος εργασίας, duty cycle) μεταβάλλεται από 10% έως 90%.

Παραπάνω βλέπουμε την τάση εξόδου για τον παραπάνω μετατροπέα. Βλέπουμε πως η τάση εξόδου είναι πολύ μικρότερη από αυτή της εισόδου (Vin=5 v) όταν το εύρος του παλμού της PWM είναι μικρό. Όσο αυξάνεται το εύρος του παλμού της PWM, αυξάνεται και η τάση στην έξοδο του μετατροπέα, που μπορεί να γίνει ίση με την τάση εισόδου ή μεγαλύτερη.

Flyback Converter.

Ο μετατροπέας Flyback είναι ένας DC σε DC μετατροπέας που προσφέρει γαλβανική απομόνωση μεταξύ της εισόδου και της εξόδου. Για να είμαστε ακριβείς ο μετατροπέας Flyback είναι ένας Boost μετατροπέας, που το πηνίο έχει διαιρεθεί ώστε να σχηματίσει έναν μετασχηματιστή. Έτσι η τάση εξόδου εξαρτάται και από τον λόγο σπειρών του μετασχηματιστή, με το τεράστιο πλεονέκτημα της γαλβανικής απομόνωσης.

Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός, το πρωτεύον του μετασχηματιστή συνδέεται απευθείας στην πηγή. Το ρεύμα και η μαγνητική ροή στο πρωτεύον αυξάνεται, αποθηκεύοντας ενέργεια στον μετασχηματιστή. Η τάση στο δευτερεύον είναι αντίθετη από της πηγής και μπλοκάρεται από την δίοδο.

Όταν ο διακόπτης ανοίξει, η μαγνητική ροή και το ρεύμα στο πρωτεύον του μετασχηματιστή πέφτει. Το ρεύμα που προκαλείται στο δευτερεύον πολώνει τώρα την δίοδο ορθά και τροφοδοτεί το φορτίο. Η διαδικασία αποθήκευσης ενέργειας σε έναν μετασχηματιστή, πριν την μεταφορά στην έξοδο, επιτρέπει την δημιουργία πολλαπλών εξόδων με την ίδια τοπολογία.

Σε αντίθεση με τους μετασχηματιστές τάσης ή ήχου, ο μετασχηματιστής σε έναν Flyback μετατροπέα δεν χρησιμοποιείται για την μεταφορά ενέργειας, αλλά και για την αποθήκευση της για σημαντικό κλάσμα της περιόδου της συχνότητας διακοπής. Αυτό επιτυγχάνεται τυλίγοντας τα πηνία σε έναν πυρήνα από φερίτη με διάκενο αέρα.

Το κενό αυτό στον πυρήνα αυξάνει μαγνητική αντίδραση του μαγνητικού κυκλώματος και κατά συνέπεια την ικανότητα του να αποθηκεύει ενέργεια. Το ρεύμα δεν ρέει ταυτόχρονα στο πρωτεύον και το δευτερεύον τύλιγμα. Για τον λόγο αυτό ο μετασχηματιστής σε έναν Flyback μετατροπέα είναι δύο πηνία σε χαλαρή σύζευξη, σε αντίθεση με έναν απλό μετασχηματιστή που το ρεύμα ρέει ταυτόχρονα σε όλα τα μαγνητικά συζευγμένα κυκλώματα.

Παρακάτω βλέπουμε το κύκλωμα και την εξομοίωση ενός Flyback Converter στο πρόγραμμα LTSpice.

Στο παραπάνω κύκλωμα ο ηλεκτρονικός διακόπτης (το MOSFET δηλαδή) ανοιγοκλείνει στον ρυθμό της PWM που έχει συχνότητα 31 kHz. Το εύρος της (κύκλος εργασίας, duty cycle) μεταβάλλεται από 10% έως 90%.

Η τάση εξόδου για τον παραπάνω μετατροπέα. Βλέπουμε πως η τάση εξόδου μεγαλώνει όσο αυξάνεται το εύρος του παλμού της PWM. Aν αλλάζαμε το δευτερεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή θα μπορούσαμε να έχουμε διαφορετικές τάσεις για την ίδια αλλαγή στο εύρος της PWM.