Miglioramento delle prestazioni in uscita degli alimentatori switching con il nuovo DBx Module
Introduzione
Gli alimentatori switching sono stati il pilastro dell'industria della conversione di potenza per oltre sei decenni, risolvendo alcuni dei problemi presentati dalle tecnologie di elaborazione della potenza più vecchie, introducendone al contempo di nuovi. Con il continuo miglioramento dei semiconduttori di commutazione—come l'impiego di dispositivi a banda larga—le densità di potenza sono aumentate insieme a efficienze più elevate. Un alimentatore ideale ha impedenza di uscita pari a zero, interferenza elettromagnetica (EMI) pari a zero, ripple in uscita pari a zero, controllo continuo, deriva termica pari a zero, dimensioni fisiche nulle e costo nullo. Gli alimentatori lineari producono una tensione continua senza commutazione ad alta frequenza, hanno un ripple in uscita estremamente basso e possono fornire un controllo analogico continuo. Gli alimentatori lineari controllano e dissipano la potenza attraverso dispositivi di potenza serie-pass che simulano più fedelmente una sorgente ideale, a scapito di perdite di potenza significativamente più elevate. Ciononostante, gli alimentatori lineari sono ancora richiesti, specialmente dove sono necessarie migliori prestazioni in uscita.
Le applicazioni specializzate richiedono l'elevata potenza e le alte efficienze offerte dagli alimentatori switching, insieme alle elevate prestazioni degli alimentatori lineari. Storicamente, gli alimentatori lineari di potenza più elevata hanno adottato una topologia ibrida costruita con un pre-regolatore a tiristori e un regolatore lineare. I tiristori, sul lato primario del trasformatore principale, limitano la caduta di tensione attraverso il regolatore lineare sul lato secondario. La commutazione limitata al ciclo dei pre-regolatori a tiristori limita fortemente la risposta transitoria del progetto. Il trasformatore di isolamento a 50/60 Hz richiede un ingombro molto maggiore rispetto a quello degli alimentatori switching. Questo articolo propone un'altra tecnologia ibrida che colma meglio il divario tra alimentatori switching e lineari per offrire prestazioni in uscita migliorate ad alta potenza.
Il concetto di base
Un miglioramento ovvio rispetto al pre-regolatore a tiristori è l'utilizzo di un alimentatore switching con i suoi componenti magnetici più compatti e tempi di risposta transitoria migliori; questi miglioramenti comportano un aumento dell'EMI. Con la commutazione ad alta frequenza, il ripple all'ingresso del regolatore lineare può essere minimizzato riducendo la tensione attraverso il dispositivo di potenza serie-pass. Il tipico ripple di tensione in uscita per alimentatori switching, con uscita fino a 1000 Vdc, è inferiore a 0,5 Vrms. Un regolatore lineare nell'ordine di 1 volt avrebbe efficienze dello stesso ordine di un alimentatore switching standard. Inoltre, l'EMI risultante dal pre-regolatore dell'alimentatore switching dovrebbe essere efficacemente filtrata.
Piuttosto che offrire un prodotto iper-specializzato per queste applicazioni, Magna-Power ha scelto di utilizzare i propri alimentatori DC programmabili a commutazione standardizzati con un nuovo modulo aggiuntivo per migliorare le specifiche di prestazione del prodotto, avvicinandole a quelle degli alimentatori lineari. Il nuovo prodotto si chiama DBx Module, mostrato nella Figura 1, che include un regolatore lineare di uscita per minimizzare il ripple in uscita a bassa frequenza, filtri EMI di modo differenziale e di modo comune, e uno schema di controllo avanzato. Questo modulo aggiuntivo consente agli alimentatori switching ad alta potenza di comportarsi più come alimentatori lineari ad alta potenza. Lo schema di controllo del DBx Module imposta l'uscita dell'alimentatore switching di circa 1 Vdc al di sopra dell'uscita desiderata per consentire al regolatore lineare di minimizzare il ripple in uscita a bassa frequenza.
Per il controllo ad anello chiuso e—assumendo un sistema digitale—sono necessari convertitori digitale-analogico e analogico-digitale ad alta risoluzione. Con convertitori a 18 bit, è possibile ottenere una precisione del punto di regolazione di 4 ppm se la circuiteria analogica circostante ha una precisione simile. La precisione è ulteriormente migliorata con la stabilizzazione termica che mantiene la tensione di uscita regolata a meno di 25 ppm in un ragionevole intervallo di temperatura ambiente.
Il filtro di uscita
Gli alimentatori switching sono noti per la generazione di EMI. L'EMI differenziale linea-linea è irradiata dalla commutazione on-off dei dispositivi di potenza e dal flusso di correnti armoniche ad alta frequenza attraverso le impedenze non ideali dei condensatori di uscita. L'EMI di modo comune, linea-terra, è prodotta dalle correnti che fluiscono attraverso l'interfaccia dei diodi di uscita e la capacità verso terra del dissipatore e la capacità verso terra dell'avvolgimento di uscita del trasformatore. Sebbene i filtri di linea in ingresso non siano comunemente utilizzati nelle uscite degli alimentatori, questo tipo di filtro può comunque essere efficace.
La Figura 2a e la Figura 2b illustrano il tipico rumore differenziale e di modo comune proveniente da un alimentatore DC da 6000 W. Ci sono regioni nelle scansioni che mostrano la produzione di EMI, cosa tipica per prodotti in questa gamma di potenza. Sebbene non faccia solitamente parte degli studi EMI, è presente un alto livello di segnali vicini alla corrente continua. Questa è una misura della tensione di ripple in uscita in corrente alternata.
La Figura 3a e la Figura 3b illustrano la stessa configurazione di test, ma con un DBx Module collegato. Confrontando le due serie di scansioni, si nota una banda di armoniche sotto 1 MHz con il DBx Module installato. Queste componenti spettrali derivano dall'alimentatore switching utilizzato nel DBx Module per l'alimentazione della circuiteria di controllo. Più significativa è l'ampiezza delle armoniche a bassa frequenza riscontrata nella configurazione senza DBx Module installato. Questa riduzione è il risultato della tensione di ripple in uscita che sarà discussa nella sezione successiva.
La Tabella 1 presenta il filtro EMI del DBx Module in termini di perdita di inserzione—un metodo comune per la valutazione dei filtri EMI di ingresso.
| Frequency | 0.05 | 0.15 | 0.5 | 1 | 10 | 30 |
| Differential Mode (dB) | 41 | 58.7 | 46.3 | 62.7 | 55.1 | 50.5 |
| Common Mode (dB) | 30 | 47 | 57.4 | 67.6 | 56.4 | 25.4 |
Regolatore lineare
La sfida principale della progettazione del filtro di uscita è la soppressione delle armoniche a bassa frequenza. La tensione di ripple in uscita può estendersi fino alla frequenza della rete di alimentazione. Per queste frequenze più basse, i filtri passivi LC non sono pratici a causa delle dimensioni dei componenti magnetici richiesti ad alta potenza. Un regolatore lineare può attenuare il ripple a bassa frequenza se si ha cura di mantenere una bassa caduta di tensione continua attraverso il semiconduttore di potenza serie-pass.
La Figura 4 mostra lo schema a blocchi e la circuiteria associata per un regolatore lineare da 1,25 V. Come illustrato, il regolatore richiede due anelli di retroazione: uno per mantenere una caduta di tensione continua di 1,25 V attraverso il regolatore lineare e il secondo per produrre una tensione di cancellazione del ripple in corrente alternata attraverso il semiconduttore di potenza serie-pass uguale e opposta alla tensione di ripple in corrente alternata all'ingresso. L'aggiunta di alcuni diodi collegati in serie attraverso il regolatore fornisce protezione contro i picchi di corrente e i transitori di sovratensione -- un punto debole nei regolatori lineari convenzionali.
Le Figure 5a e 5b mostrano l'attenuazione tipica della tensione di ripple senza e con il regolatore lineare del modulo DBx. Si osservi che la frequenza più bassa scompare con l'impiego del regolatore lineare. Il modulo DBx riduce la tensione di ripple da 55 mV a 3,2 mV, ovvero un'attenuazione di 24,7 dB.
Il controllore
Per ottenere prestazioni accurate e di precisione sono necessari componenti di alta qualità stabilizzati in temperatura all'interno del circuito di controllo ad anello chiuso, in particolare: il riferimento di tensione, convertitori analogico-digitali ad alta risoluzione, trasduttore di corrente a flusso zero e resistori a bassa deriva termica. Anche con componenti allo stato dell'arte, un coefficiente di temperatura di appena 0,5 ppm/°C comporterà una deviazione di 12,5 ppm su un intervallo di 25 °C. Per ridurre tale variazione termica, è necessario un compartimento a temperatura controllata per incapsulare i componenti sensibili alla temperatura. Mantenere i componenti critici compatti e termicamente ravvicinati accelera il tempo necessario per stabilizzare la temperatura del compartimento; la sua variazione non dovrebbe superare 1 °C.
La Figura 6 mostra le connessioni di interfaccia di un alimentatore MagnaDC con un modulo DBx. L'uscita di controllo del modulo DBx alimenta l'ingresso analogico dell'alimentatore. L'uscita di potenza dell'alimentatore alimenta l'ingresso DC del modulo DBx. Il carico si collega al bus DC di uscita del modulo DBx.
Per le specifiche prestazionali complete del sistema, consultare la pagina prodotto del modulo DBx.
Conclusione
Questo articolo descrive una nuova tecnologia ibrida che integra le migliori caratteristiche di un alimentatore switching con quelle di un alimentatore lineare. L'alimentatore switching regola circa 1 V al di sopra del setpoint di uscita desiderato per mantenere una bassa tensione attraverso il semiconduttore serie utilizzato nel regolatore lineare. Il semiconduttore serie è controllato per cancellare il ripple della tensione di uscita generato dall'alimentatore switching. I filtri sull'uscita dell'alimentatore riducono le EMI generate dall'alimentatore switching. Componenti ad alte prestazioni, stabilizzati in temperatura, vengono utilizzati per mantenere l'uscita costante su un ampio intervallo di temperatura. Il nuovo modulo rack-mount è progettato per accoppiarsi con alimentatori switching standard.