טכנולוגיית מיתוג מתח אפס (ZVS) / מיתוג זרם אפס (ZCS), הידוע גם כטכנולוגיית מיתוג רך, יכולה לשפר את היעילות של ספקי כוח עם מיתוג רך בהספק נמוך עד 80% עד 85%. בשנות ה-1970, ספקי כוח מיתוג תהודה הניחו את הבסיס לטכנולוגיית מיתוג רך.

 
מבוא בסיסי

ספקי כוח PWM פועלים במצב של מיתוג קשה, שבו צורות הגל של המתח והזרם חופפות במהלך תהליך ההפעלה/כיבוי, וכתוצאה מכך הפסדי מיתוג גדולים. למרות שהפעלה בתדר גבוה יכולה להפחית את הגודל והמשקל, הפסדי המיתוג גדלים. לכן, יש צורך ללמוד טכנולוגיות שבהן צורות הגל של המתח/זרם אינן חופפות במהלך המיתוג, מה שנקרא טכנולוגיית ZVS/ZCS או טכנולוגיית מיתוג רך. ניתן לשפר את היעילות של ספקי כוח עם מיתוג רך בעוצמה נמוכה ל-80% עד 85%. ספקי כוח מתג תהודה בשנות ה-1970 הניחו את הבסיס לטכנולוגיית מיתוג רך. מאז, צצו טכנולוגיות מיתוג רך חדשות, כגון תהודה מעין (באמצע שנות ה-1980), ZVS-PWM מוסט פאזה עם גשר מלא, ZVS-PWM/ZCS-PWM בתדר קבוע (בסוף שנות ה-1980) , מהדק אקטיבי ZVS-PWM, ZVT-PWM/ZCT-PWM (בתחילת שנות ה-1990), ZV-ZCS-PWM עם הסטת פאזה מלאה בגשר (באמצע שנות התשעים), וכו'. סין כבר יישמה את ה- soft- העדכני ביותר מעבר טכנולוגיה לספקי כוח תקשורת של 1990kW עם יעילות של 6%.

 
יישום טכנולוגיה

 
הדרישות המרכזיות עבור ווסת buck הן בדרך כלל גודל ויעילות. מכיוון ששטח המעגל המודפס יקר, אף מעצב לא רוצה להקצות מקום נוסף לפתרון תכנון ההספק. בנוסף, ככל שמיקרו-בקרים ומעבדי אותות דיגיטליים (DSP) ממשיכים להתפתח, גם פתרונות תכנון מעגלים ממשיכים להשתדרג. למרות שההספק גדל, גודל המוצר אינו יכול לגדול. לכן, פותחו ווסתים בעלי צפיפות גבוהה עם שיפור שילוב ה-IC העדכני ביותר, טכנולוגיית MOSFET ותהליכי אריזה. למרות זאת, ווסתים אלה עדיין אינם יכולים לעמוד בדרישות היישום של מערכות חדשות, במיוחד ככל שצפיפות ההספק בתוך המערכת ממשיכה לעלות. הסיבה העיקרית היא שהפסדי מיתוג פוגעים בביצועים הפנימיים של ה-MOSFET של הווסת. אם בעיות הפסדים אלה לא ייפתרו באופן מהותי, ניתן לצפות לשיפורים קלים בלבד בביצועים.

 
סיבות לבחירה

הגורמים העיקריים להפסדי מיתוג הם: ראשית, מיתוג קשיח. כיום, לרוב טופולוגיות הרגולטורים הלא מבודדות של Buck יש הפסדי מיתוג גבוהים. הסיבה לכך היא שבמהלך תקופת ההפעלה/כיבוי, ה-MOSFET נושא בו זמנית עומס זרם ומתח גבוה. כאשר תדר המיתוג ומתח הקלט עולים, הפסדים אלה גם עולים, מה שמגביל את תדר הפעולה המרבי, היעילות וצפיפות ההספק שניתן להשיג. שנית, הפסדי הנעת שער. מכיוון שלמטען מילר במעגל הנעת השער יש צריכת חשמל גבוהה, הפסדי הנעת השער של טופולוגיית המיתוג הקשיח גם הם גבוהים. שלישית, הולכת דיודת גוף. כאשר ה-MOSFET בצד הגבוה מופעל ומכבה, זרם פועם גבוה זורם דרך דיודת הגוף של ה-MOSFET בצד הנמוך. ככל שזמן ההולכה של דיודת הגוף ארוך יותר, כך אובדן ההתאוששות לאחור ואובדן ההולכה של דיודת הגוף גבוהים יותר. הולכת דיודת גוף עלולה גם לגרום לחריגה וצלצולים הרסניים. הפסדי מיתוג מגבילים גם את תדר המיתוג של הרגולטור. ככל שתדר המיתוג גבוה יותר, זמן המיתוג של ה-MOSFET ארוך יותר, וההפסדים גדולים יותר. אם המתג אינו יכול לעבור בתדר גבוה, השימוש ברכיבים פסיביים קטנים יותר (נגדים, קבלים ומשרנים) יהיה מוגבל, דבר שישפיע על צפיפות הרגולטור. מתכנני אלקטרוניקה רבים מקווים להשתמש ב-ZVS בנקודת העומס.

בתגובה לבעיות אלו, הציגה Picor פלטפורמת ווסת בזק בעלת ביצועים גבוהים, משולבת מאוד, בעלת מיתוג רך, שיכולה לפעול בתדרים גבוהים, להפחית במידה ניכרת את הפסדי המיתוג ולשפר את היעילות.

I. רקע של יישום ZVS

מיתוג מתח אפס (ZVS) מתייחס כאשר צינור המתג כבוי, המתח בשני הקצוות של צינור המתג הוא כבר 0. בדרך זו, ניתן למזער את אובדן המיתוג של צינור המתג. ספקי הכוח התהודה שבהם אנו משתמשים בדרך כלל, כגון כיריים אינדוקציה וספקי כוח של LLC, הם כולם ספקי כוח תהודה. מטענים רגילים הם ספקי כוח בעלי מתג קשה, שיש להם הפסדים גבוהים יותר מאשר ספקי כוח תהודה אלה. לכן, ZVS יכול להשיג יעילות גבוהה מאוד. למשל, בסיר אינדוקציה, כאשר נכוון את ההספק לרמה גבוהה יחסית, הוא ימשיך להתחמם; כאשר הכוח מותאם לרמה נמוכה יותר, הוא מתחיל להתחמם לסירוגין מכיוון שהוא לא יכול להגיע למצב התהודה. ספקי כוח מתג קשה כמו המטענים הרגילים שלנו תמיד מתנודדים ברציפות ללא קשר אם הם נטענים או לא. עם זאת, ל-ZVS יש חיסרון אחד, שהוא שטווח ההתאמה שלו צר בדרך כלל.

 
II. עקרונות של מיתוג מתח אפס (ZVS)

איור 2-1 תרשים עקרונות מיתוג מתח אפס (ספק כוח DC)

איור 2-2 צורת גל מיתוג מתח אפס וצורת הגל שלו ב-t2

כאשר מופעל חשמל, הזרם הזורם דרך L1 הוא אפס. ספק הכוח מפעיל את Q1 ו-Q2 דרך R1 ו-R2, והזרם דרך L1 עולה בהדרגה. עקב ההבדלים במאפיינים בין שני טרנזיסטורי המיתוג, הזרם הזורם לתוך Q1 ו-Q2 יהיה שונה. בהנחה שהזרם דרך Q1 גדול מ-Q2, מתח השער של Q1 יהיה גבוה מזה של Q2. דרך הדיודות D1 ו-D2, המתח בנקודה 'a' יהיה נמוך מזה שבנקודה 'c', וכתוצאה מכך נוצר מתח מושרה עם 'b' חיובי ו-'a' שלילי. זה יוצר משוב חיובי דרך T1, וגורם ל-Q1 להידלק ול-Q2 לכבות, ומשלים את תהליך ההפעלה.

(מרווח זמן t0~t1) במצב יציב, כאשר Q1 מוליך, הזרם של התקופה הקודמת דרך T1 היה מ-'a' ל-'c', והמתח על פני C1 היה אפס. מכיוון שהזרם אינו יכול להשתנות בפתאומיות, הזרם דרך T1 טוען את C1, וכתוצאה מכך נוצר בהדרגה מתח על פני C1 עם 'a' שלילי ו-'c' חיובי, ויוצר צורת גל סינוסואידלית הולכת וגדלה. בשלב זה, מתח 'a' יורד ל-0V על ידי Q1, מה שגורם למתח בנקודה 'c' לעלות באופן סינוסואידלי. מתח השער של Q1 מוגבל על ידי דיודת ייחוס המתח D3, מה ששומר על מוליכות Q1 בצורה שעון.

 
איור 2-3 (t0~t1) Q1 מוליכות, T1 טעינה C1

3. (מרווח זמן t1~t2) C1 מתחיל לפרוק דרך T1 מנקודה 'c' לנקודה 'a', מה שגורם למתח על פני C1, כלומר המתח בנקודה 'c', לרדת בסינוסואיד. במקביל, הזרם דרך T1 גדל בצורה סינוסואידית מנקודה 'c' לנקודה 'a'.

איור 2-4 (t1~t2) פריקה של פיתול C1 ל-T1, כאשר המתח על פני C1 הוא סביב 0, Q1 נכבה ו-Q2 נדלק.

4. (מרווח זמן t2) כאשר C1 כמעט מתרוקן, המתח בנקודה 'c' יורד לסביבות מתח הסף של טרנזיסטור MOS, מה שגורם ל-Q1 להיכנס לאזור ההגברה דרך D2. בשלב זה, זרם הפריקה של C1 דרך מתפתל T1 מנקודה 'c' לנקודה 'a' מגיע לערכו המרבי. במקביל, כאשר Q1 נכנס לאזור ההגברה, המתח בנקודה 'a' עולה בהדרגה, ו-Q2 גם נכנס לאזור ההגברה דרך D1.

5. (מרווח זמן t2) C1 פרוק במלואו, והזרם דרך פיתול T1 מנקודה 'c' לנקודה 'a' מגיע לערכו המרבי. הוא מתחיל לטעון את C1, וכתוצאה מכך מתח על פני C1 עם 'a' חיובי ו-'c' שלילי, בעוד המתח על פני C1 גדל בצורה סינוסואידית. בשלב זה, שני הטרנזיסטורים של MOS נכנסים בו זמנית לאזור ההגברה.

6. (איור ימני) עקב טעינה רציפה של C1 על ידי T1, המתח על פני C1 הוא חיובי בנקודה 'a' ושלילי בנקודה 'c'. דרך שתי הדיודות, מתח השער של Q2 עולה, ומתח השער של Q1 יורד בהדרגה, ויוצר משוב חיובי. כתוצאה מכך, Q2 נדלק ו-Q1 כבה.

7. תהליך ההולכה של Q2 דומה לזה של Q1.

8. ערך השראות של L1 גדול מזה של T1, והזרם דרך L1 נשאר קבוע יחסית לאורך כל מחזור התנודה. במהלך תהליך התנודה, L1 ממלא ברציפות אנרגיה למתנד LC.

III. חישוב מתח אפס (ZVS).

1. חישוב אמפליטודה של צורות הגל

מגרף צורת הגל, ניתן לראות שצורת הגל בנקודה 'b' של L1 היא הערך המוחלט של גל סינוס (כלומר, המתח שיורד ל-Vbm למטה). על ידי שימוש במצב יציב שבו אינטגרל המתח על פני המשרן הוא אפס ואינטגרל הזרם על פני הקבל הוא אפס, ניתן לחשב את משרעת המתח בנקודה 'b'.

בהנחה שהמתח בנקודה 'b' הוא , והמתח של ספק הכוח הוא Vcc,

אז המתח על שני הקצוות של L1 הוא לכן ,

שילוב המתח בשני הקצוות של L1...מחושב כ,

מגרף צורות הגל ניתן לראות שהמתח בנקודה 'b' הוא מחצית מהמתח בין נקודות 'a' ל-'c'. לכן, המתח בקצוות 'a' ו-'c', שהוא גם המתח על פני C1, הוא...לפיכך, .

2. חישוב זרם המשרן

ברגע שנדע את המתח על פני הקבל C1, הוא , נוכל לחשב את זרם השיא המרבי במשרן באמצעות הנוסחאות של האנרגיה האצורה בקבל והאנרגיה האצורה במשרן. זרם השיא המרבי במשרן ניתן על ידי הנוסחה: , כאשר L הוא ערך השראות בין נקודות 'a' ו-'c'.

כפי שאנו יכולים לראות, עם ערך גדול יותר של קיבול (C) וערך קטן יותר של השראות (L), הזרם דרך המשרן גדל. כתוצאה מכך נוצר שדה מגנטי חזק יותר ומוביל לחימום אינדוקציה אלקטרומגנטי. עם זאת, כאשר הזרם דרך המשרן הופך גדול מדי, עלינו לשקול את ההפסדים בהתנגדות שלו. בנוסף, הזרם המרבי הזורם דרך הקבל שווה לזרם המרבי דרך המשרן. לכן, בעת בחירת קבל התהודה, עלינו לקחת בחשבון את הדירוג הנוכחי המרבי שלו.

3. חישוב תדר תהודה

מכיוון שזוהי תהודה מקבילה LC, ניתן לחשב את תדר התהודה כ

4. חישוב זרם שיא AC במשרן L1

כאשר ערך השראות של L1 גדול יחסית, הזרם הזורם דרכו הוא בעיקר DC, המפצה על האנרגיה שאבדה בתנודה. מכיוון שהמשרעת בנקודה 'b' ידועה, אנו יכולים לחשב את שיא זרם ה-AC ב-L1 במהלך מחזור תנודה אחד (השיא הנוכחי הוא סכום זרם ה-DC ושיא זרם ה-AC).

המתח בנקודה 'b', Vb, שווה ל-Vcc למשך זמן, t:

לכן, על ידי שילוב המתח,, נוכל לחשב את שיא הזרם הזורם דרך L1. L1 קטן יביא לזרם שיא גדול, שיוביל להפסדים מיותרים.

פתרון PD של 100W (הספקת חשמל) המשתמש בטופולוגיה של מיתוג מתח אפס (ZVS).

הדרישה ההולכת וגוברת לקיבולת סוללה גדולה יותר וזמן טעינה קצר יותר העלתה את הדרישות להספק המטען. השגת הספק גבוה בגורם צורה קטן מהווה אתגר משמעותי, המוביל לפתרונות חדשניים שונים לרבות טופולוגיית ZVS, מתגים בעלי ביצועים גבוהים, שיטות אריזה חדשניות ושימוש בחומרים רחבי פס כדי לעמוד בדרישות העיצוב.

המטרה היא להשיג יעילות של 94% וצפיפות הספק של 23W/in3 על ידי שימוש במתגי מתח ומבנים טופולוגיים חדשים.

כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה יותר, יש צורך לבחור את המבנה הטופולוגי המתאים, המפרטים, הממדים וטכניקות הבקרה המתקדמות. בשוק המטענים הניידים עתירי ההספק הנוכחי, ישנם מספר פתרונות זמינים עבור מטענים USB-PD בעלי הספק גבוה, כולל PFC+QR ו-PFC+LLC. עם זאת, לפתרונות אלו יש מגבלות מסוימות, כגון חוסר היכולת של QR להשיג מיתוג רך והקושי להשתמש בטופולוגיית LLC לתכנון מתח מוצא משתנה.

בתגובה לאתגרים אלה, Infineon הציגה טופולוגיה היברידית היברידית של חצי גשר אסימטרית (כמתואר באיור 1). חצי הגשר והקבלים הסדרתיים מניעים ביחד את שנאי ה-Flyback הרגיל. השראות הראשונית העיקרית של שנאי ה-Flyback והקבלים מהסדרה יוצרים מעגל תהודה, המאפשר את מאפייני ה-ZVS של מתגי חצי-גשר ומספק העברת כוח תהודה במהלך שלב הדה-מגנטיזציה הרגיל של שנאי ה-Flyback. במהלך פעולה רגילה, מחזור הטעינה וההספק הנלווה נשלטים על ידי שיא זרם DC, בעוד ששלב הדה-מגנטיזציה נשלט על ידי תזמון כדי להבטיח מראש מגנטיזציה שלילית נכונה, ובכך לעמוד בתנאי ה-ZVS הנדרשים עבור מתגי חצי-גשר.

איור 1: דיאגרמה סכמטית מפושטת של הטופולוגיה האסימטרית של חצי-גשר לחילופין.

מעגל הכוח בצד הראשוני מיושם באמצעות מעגל תהודה LC, אשר מונע על ידי חצי גשר הדומה לממיר LLC. משרן התהודה Lr הוא משרן סדרתי שיכול להיות השראות הדליפה של השנאי או השראות הדליפה בשילוב עם משרן חיצוני. Lm מייצג את השראות העיקרית של השנאי. ניתן להשיג את אותו אפקט המרה גם על ידי חיבור קבל התהודה Cr והסליל הראשי של השנאי בין הצומת החיובי לנקודת האמצע של חצי הגשר. כאשר מתג הצד הגבוה HS מוליך, האנרגיה תישמר ב-Cr וב-Lm, והאנרגיה המאוחסנת בכל רכיב תשתנה עם מתח הכניסה ותדירות המיתוג (כמתואר באיור 2).

כאשר מתג הצד הגבוה HS כבוי, הזרם בשנאי יכריח את נקודת האמצע של חצי הגשר VHB לרדת עד שדיודת הגוף של מתג הצד הנמוך תסגור את המתח. לאחר מכן, מתג הצד הנמוך נדלק במתח אפס בעוד שהפאזה של השנאי מתהפכת, ואנרגיה מועברת לצד המשני. כאשר מתג הצד הנמוך כבוי, הזרם השלילי המושרה בשנאי בשלב הקודם יכריח את המתח בנקודת האמצע של חצי הגשר VHB לעלות עד שמתח הסגירה של דיודת הגוף של מתג הצד הגבוה HS, בדומה לשלב הקודם. בתנאי ZVS, HS דולק בעוד ש-LS כבוי, אך הזרם במעגל התהודה של השנאי עדיין שלילי, מה שאומר שעודף האנרגיה במעגל התהודה יוחזר לקצה הקלט.

מדוע לבחור בטופולוגיית ה-flyback ההיברידית?

בהשוואה לטופולוגיות פליבק אחרות, שנאי ה-flyback ההיברידי צריך לאגור פחות אנרגיה, מה שעוזר להקטין את גודל המטען.

הטיסה ההיברידית יכולה להשיג ZVS מלא בצד הראשוני ו-ZCS מלא בצד המשני, וניתן גם לשחזר את אנרגיית הדליפה, ובכך לשפר את היעילות.

כפי שמוצג בנוסחה הבאה, מתח המוצא משתנה עם מחזור העבודה. עבור ה-flyback ההיברידית, הרבה יותר קל להשיג פלט בטווח מתח רחב, תוך התגברות על המגבלות של טופולוגיית LLC ביישומי פלט מתח רחב.

Vout: מתח מוצא

D: מחזור עבודה

Vin: מתח כניסה

Lm: השראות שנאי

N: יחס סיבובי שנאי

Lr: השראות דליפת שנאי

עיצוב התייחסות USB-PD של 100W של Infineon

הפתרון המלא מוצג באיור 3. שלב ה-PFC משתמש במצב הולכה קריטי IRS2505 ובמארז ThinPAK IPL60R185C7 CoolMOS?, בעוד ששלב ה-DC-DC משתמש בבקר PWM הדיגיטלי XDPS2201 וב-IPLK60R360PFD7. במקביל, ה-BSC028N06NS משמש כמתג יישור סינכרוני (אותו ניתן להחלפה ב-ISZ0702NLS במתח נמוך שתוכנן במיוחד ליישור סינכרוני של מטען בעתיד כדי לשפר עוד יותר את יעילות העלות). בקר הפרוטוקול הוא CYPD3174, ו-MOS ערוץ-p BSZ086N03NS3 משמש כמתג בטיחות פלט.

באמצעות תצורה זו, יעילות שיא יכולה להגיע ל-94%, וצריכת החשמל בהמתנה היא פחות מ-60mW.

היעילות הגבוהה ביותר:

בחירת ה-MOSFET המתאים למתח גבוה היא קריטית

טכנולוגיית מיתוג רך מאפשרת למכשיר לפעול תחת מיתוג מתח אפס (ZVS), שבו ה-MOSFET נדלק רק לאחר שמתח מקור הניקוז שלו מגיע ל-0V (או קרוב ל-0V). אסטרטגיה זו מבטלת הפסדי הולכה, שהם בדרך כלל התורמים העיקריים להפסדי המיתוג הכוללים. לרוע המזל, בשל אופי "ההפסד הלא-אפס" של קבל המוצא, כל טרנזיסטורי ה-MOSFET במתח גבוה SJ סובלים מאובדן נוסף המכונה אובדן אנרגיה במהלך טעינה ופריקה של קיבול המוצא של ה-MOSFET (Coss). לכן, גם כאשר פועלים בתנאי ZVS, לא ניתן לשחזר את כל האנרגיה המאוחסנת בקבל המוצא (Eoss). תופעה זו קשורה למאפיין ההיסטרזיס של Coss, שניתן לצפות בו באמצעות מדידות אות גדולות יותר במהלך מחזור הטעינה/פריקה של Coss. כתוצאה מכך, הפסדים אלה מכונים לעתים קרובות הפסדי היסטרזיס של Coss (Eoss,hys).

הודות לטכנולוגיית SJ המתקדמת של Infineon, סדרת CoolMOS™ PFD7 מפחיתה עוד יותר את הפסדי ההיסטרזיס, ובכך מסייעת לשפר את היעילות עוד יותר.

סיכום

בהתבסס על ה-XDPS2201 הדיגיטלי, טופולוגיית קוואזי-רזוננטית ZVS יכולה להשיג ZVS ו-ZCS תחת תנאי מתח קלט וזרם פלט שונים. בנוסף, היא יכולה גם להחזיר אנרגיה מהשראות דליפה של שנאי. טרנזיסטורי MOSFET בעלי ביצועים גבוהים תורמים להשגת יעילות של עד 94% בתכנון USB-PD של 100W עם מידות של 60 מ"מ x 40 מ"מ x 18 מ"מ.