Kerugian internal utama dari catu daya switching Untuk meningkatkan efisiensi switching catu daya, perlu untuk membedakan dan memperkirakan secara kasar berbagai kerugian. Kerugian internal dari catu daya switching secara kasar dapat dibagi menjadi empat aspek: kerugian switching, kerugian konduksi, kerugian tambahan dan kerugian resistansi. Kerugian-kerugian ini biasanya terjadi secara bersamaan pada komponen-komponen yang mengalami kerugian, yang akan dibahas secara terpisah di bawah ini. Kerugian-kerugian internal utama dari catu daya switching Untuk meningkatkan efisiensi switching catu daya, perlu untuk membedakan dan memperkirakan secara kasar berbagai kerugian. Kerugian internal dari catu daya switching secara kasar dapat dibagi menjadi empat aspek: kerugian switching, kerugian konduksi, kerugian tambahan dan kerugian resistansi. Loss-loss ini biasanya terjadi secara bersamaan pada komponen-komponen lossy yang akan dibahas tersendiri di bawah ini.

Kerugian yang terkait dengan sakelar daya

Sakelar daya adalah salah satu dari dua sumber kerugian utama dalam catu daya switching pada umumnya. Kerugian pada dasarnya dapat dibagi menjadi dua bagian: kerugian konduksi dan kerugian switching. Kerugian konduksi adalah kerugian ketika saklar daya dalam keadaan konduksi setelah perangkat listrik dihidupkan dan bentuk gelombang penggerak dan peralihan telah stabil. Kerugian peralihan adalah kerugian yang terjadi ketika sakelar daya digerakkan ke kondisi kerja baru dan bentuk gelombang penggerak dan peralihan berada dalam proses transisi. Tahapan ini dan bentuk gelombangnya ditunjukkan pada Gambar 1.

Kehilangan konduksi dapat diukur dengan hasil kali bentuk gelombang tegangan dan arus pada saklar. Bentuk gelombang ini hampir linier, dan kehilangan daya selama konduksi diberikan oleh Rumus (1).

Cara umum untuk mengendalikan kerugian ini adalah dengan meminimalkan penurunan tegangan selama konduksi saklar daya. Untuk mencapai tujuan ini, perancang harus membuat saklar bekerja dalam saturasi. Kondisi ini diberikan oleh Rumus (2a) dan Rumus (2b). Melalui penggerak arus berlebih basis atau gerbang, dipastikan bahwa arus kolektor atau arus pembuangan dikendalikan oleh komponen eksternal, bukan oleh saklar daya itu sendiri.

Kerugian peralihan selama peralihan daya lebih rumit, yang memiliki faktor tersendiri dan pengaruh komponen terkait. Bentuk gelombang yang terkait dengan rugi-rugi hanya dapat diamati oleh osiloskop dengan probe tegangan yang terhubung ke terminal sumber pembuangan (kolektor-emitor), dan probe arus AC dapat mengukur arus pembuangan atau kolektor. Saat mengukur kehilangan sesaat setiap sakelar, probe kabel pendek berpelindung harus digunakan, karena kabel panjang apa pun yang tidak berpelindung dapat menimbulkan kebisingan dari sumber daya lain, sehingga bentuk gelombang sebenarnya tidak dapat ditampilkan secara akurat. Setelah bentuk gelombang yang baik diperoleh, luas yang dibatasi oleh kedua kurva ini dapat dihitung secara kasar dengan metode penjumlahan subbagian segitiga dan persegi panjang sederhana. Misalnya, hilangnya turn-on pada Gambar. 1 dapat dihitung dengan persamaan (3).

Hasil ini hanya berupa nilai rugi-rugi saklar daya pada periode hidup, dan total nilai rugi-rugi selama periode hidup dapat diperoleh dengan menjumlahkan rugi-rugi mati dan hidup.

Kerugian yang terkait dengan penyearah keluaran

Dalam total kerugian internal catu daya switching penyearah asinkron, hilangnya penyearah keluaran menyumbang 40% -65% dari total kerugian. Jadi sangat penting untuk memahami bagian ini. Bentuk gelombang yang berhubungan dengan keluaran penyearah dapat dilihat pada Gambar 2.

Kerugian penyearah juga dapat dibagi menjadi tiga bagian: kerugian penyalaan, kerugian penyalaan, dan kerugian penyalaan.

Kerugian konduksi penyearah adalah kerugian ketika penyearah bekerja dan bentuk gelombang arus dan tegangan stabil. Kerugian ini ditekan dengan memilih penyearah dengan penurunan tegangan maju terendah ketika arus tertentu mengalir. Dioda PN memiliki karakteristik VI yang lebih datar, namun jatuh tegangannya lebih tinggi (0.7 ~ 1.1V). Dioda Schottky mempunyai tegangan putar yang rendah (0.3 ~ 0.6V), namun karakteristik tegangan-arusnya tidak terlalu curam, artinya dengan bertambahnya arus maka tegangan searahnya meningkat lebih cepat dibandingkan dioda PN. Proses transisi pada bentuk gelombang dibagi menjadi area persegi panjang dan segitiga, dan kerugian ini dapat dihitung dengan rumus (3).

Jauh lebih rumit untuk menganalisis hilangnya peralihan penyearah keluaran. Karakteristik yang melekat pada penyearah akan menyebabkan banyak masalah di sirkuit lokal.

Selama periode pembukaan, proses transisi ditentukan oleh karakteristik pemulihan positif dari tabung penyearah. Waktu pemulihan tfrr adalah waktu dari saat tegangan searah diterapkan pada dioda hingga saat arus maju mulai mengalir. Untuk dioda pemulihan cepat PN, kali ini adalah 5 ~ 15 ns. Dioda Schottky terkadang menunjukkan waktu pemulihan maju yang lebih lama karena kapasitansi sambungannya yang lebih tinggi. Meskipun kerugian ini tidak terlalu besar, namun dapat menyebabkan masalah lain pada pasokan listrik. Selama masa pemulihan, induktor dan trafo tidak memiliki impedansi beban yang besar, sedangkan saklar daya atau penyearah masih dalam keadaan mati, yang membuat energi yang tersimpan berosilasi hingga akhirnya penyearah mulai mengalirkan arus maju dan menjepit sinyal daya.

Pada saat mematikan, karakteristik pemulihan terbalik memainkan peran utama. Ketika tegangan balik diterapkan pada dioda, karakteristik pemulihan balik dioda PN ditentukan oleh pembawa di persimpangan. Pembawa dengan mobilitas terbatas ini perlu keluar dari arah yang berlawanan dengan arah awal mereka memasuki persimpangan, sehingga membentuk arus balik yang mengalir melalui dioda. Kerugian yang terkait dengan hal ini mungkin besar, karena sebelum muatan sambungan habis, tegangan balik akan naik dengan cepat, dan arus balik akan dipantulkan ke saklar daya primer melalui transformator, yang akan meningkatkan kerugian pada tabung daya. Ambil Gambar 1 sebagai contoh, Anda dapat melihat arus puncak selama periode penyalaan.

Karakteristik pemulihan terbalik serupa juga akan muncul pada penyearah Schottky tegangan tinggi. Karakteristik ini bukan disebabkan oleh pembawa, tetapi oleh kapasitansi sambungan yang tinggi dari dioda Schottky ini. Yang disebut dioda Schottky tegangan tinggi berarti tegangan tembus baliknya lebih besar dari 60V. Karakteristik pemulihan balik serupa juga akan muncul pada penyearah Schottky tegangan tinggi. Karakteristik ini bukan disebabkan oleh pembawa, tetapi oleh kapasitansi sambungan yang tinggi dari dioda Schottky ini. Yang disebut dioda Schottky tegangan tinggi berarti tegangan tembus baliknya lebih besar dari 60V.

Kerugian terkait dengan kapasitansi filter

Kapasitor filter masukan bukanlah sumber kerugian utama pada peralihan catu daya, meskipun kapasitor ini mempunyai pengaruh yang besar terhadap masa pakai catu daya. Jika kapasitor masukan tidak dipilih dengan benar, catu daya tidak dapat mencapai efisiensi tinggi yang sebenarnya. Kapasitor filter masukan bukanlah sumber kerugian utama dalam peralihan catu daya, meskipun kapasitor ini mempunyai pengaruh yang besar terhadap masa pakai catu daya. Jika kapasitor masukan tidak dipilih dengan benar, catu daya tidak dapat mencapai efisiensi tinggi yang sebenarnya.

Setiap kapasitor mempunyai resistansi dan induktansi kecil yang dirangkai seri dengan kapasitor. Resistansi seri ekivalen (ESR) dan induktansi seri ekivalen (ESL) adalah elemen parasit yang disebabkan oleh struktur kapasitor, dan keduanya menghalangi sinyal eksternal untuk diterapkan ke kapasitor internal. Oleh karena itu, kapasitor memiliki kinerja terbaik ketika bekerja di DC, namun kinerjanya akan jauh lebih buruk pada frekuensi switching catu daya.

Kapasitor masukan adalah satu-satunya sumber (atau tempat penyimpanan) arus frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh sakelar daya atau penyearah keluaran, sehingga arus yang mengalir melalui ESR kapasitor ini dapat ditentukan secara wajar dengan mengamati bentuk gelombang arus ini. Arus ini mau tidak mau menghasilkan panas pada kapasitor. Tugas utama merancang kapasitor filter adalah untuk memastikan bahwa panas internal kapasitor cukup rendah untuk menjamin masa pakai produk. Persamaan (4) memberikan rumus perhitungan rugi-rugi daya yang disebabkan oleh ESR kapasitor.

Tidak hanya bagian resistansi model kapasitor yang akan menimbulkan masalah, tetapi juga jika kabel utama kapasitor paralel tidak simetris, induktansi kabel utama akan membuat pemanasan internal kapasitor tidak seimbang, sehingga memperpendek umur kapasitor dengan suhu tertinggi. .

kerugian tambahan

Kerugian tambahan terkait dengan semua perangkat fungsional yang diperlukan untuk menjalankan rangkaian daya, termasuk rangkaian yang terkait dengan IC kontrol dan rangkaian umpan balik. Dibandingkan dengan rugi-rugi catu daya lainnya, rugi-rugi ini umumnya kecil, namun beberapa analisis dapat dilakukan untuk melihat apakah ada kemungkinan perbaikan. Rugi-rugi tambahan tersebut berkaitan dengan semua perangkat fungsional yang diperlukan untuk menjalankan rangkaian daya, termasuk rangkaian tersebut. terkait dengan IC kontrol dan rangkaian umpan balik. Dibandingkan dengan rugi-rugi pasokan listrik lainnya, rugi-rugi ini umumnya kecil, namun beberapa analisis dapat dilakukan untuk melihat apakah ada kemungkinan perbaikan.

Pertama, mulai sirkuit. Rangkaian pengasutan memperoleh arus DC dari tegangan masukan, sehingga IC kendali dan rangkaian penggerak mempunyai energi yang cukup untuk menghidupkan catu daya. Jika rangkaian startup ini tidak dapat memutus arus setelah listrik dihidupkan, rangkaian akan mengalami rugi-rugi terus menerus hingga 3W, dan rugi-rugi tersebut tergantung pada tegangan masukan.

Aspek utama kedua adalah rangkaian penggerak saklar daya. Jika transistor daya bipolar digunakan untuk saklar daya, arus penggerak basis harus lebih besar dari arus puncak kolektor E transistor dibagi dengan penguatan (hFE). Penguatan khas transistor daya adalah antara 5 dan 15, yang berarti jika arus puncaknya 10A, maka memerlukan arus basis 0.66 ~ 2A. Ada penurunan tegangan 0.7V antara basis dan emitor. Jika arus basis tidak diperoleh dari tegangan yang sangat mendekati 0.7V maka akan terjadi rugi-rugi yang besar.

Efisiensi penggerak MOSFET daya lebih tinggi dibandingkan transistor daya bipolar. Gerbang MOSFET mempunyai dua buah kapasitor ekuivalen yang dihubungkan pada drain dan source, yaitu kapasitor gate-source Ciss dan kapasitor drain-source Crss. Hilangnya penggerak gerbang MOSFET berasal dari pengisian kapasitor gerbang oleh tegangan bantu ketika MOSFET dihidupkan, dan dibuang ke ground ketika MOSFET dimatikan. Perhitungan gate loss diberikan oleh Persamaan (5).

Untuk kerugian ini, tidak banyak yang bisa dilakukan kecuali memilih MOSFET dengan nilai Ciss dan Crss yang lebih rendah, sehingga tegangan penggerak gerbang maksimum dapat sedikit dikurangi.

Kerugian yang terkait dengan elemen magnetik

Bagi insinyur desain umum, bagian ini sangat rumit. Karena kekhasan terminologi elemen magnetik, kerugian-kerugian berikut ini terutama diwakili oleh produsen inti magnetik dalam bentuk grafik, yang sangat mudah digunakan. Kerugian-kerugian ini dicantumkan di sini, sehingga masyarakat dapat mengevaluasi sifat kerugiannya.

Ada tiga rugi-rugi utama yang berhubungan dengan transformator dan induktor: rugi histeresis, rugi arus eddy, dan rugi resistansi. Kerugian-kerugian ini dapat dikendalikan ketika merancang dan membangun transformator dan induktor.

Hilangnya histeresis berhubungan dengan jumlah putaran belitan dan mode berkendara. Ini menentukan luas sapuan kurva BH di setiap siklus kerja. Area sapuan adalah kerja yang dilakukan oleh gaya medan magnet, yang mengatur ulang domain magnet pada inti magnet. Semakin besar luas sapuan, semakin besar kerugian histeresisnya. Kerugian diberikan oleh persamaan (6).

Terlihat dari rumusnya, rugi-rugi sebanding dengan kuadrat frekuensi kerja dan rapat fluks magnet kerja maksimum. Walaupun kerugian ini tidak sebesar kerugian pada saklar daya dan penyearah, namun penanganan yang tidak tepat juga akan menjadi masalah. Pada 100kHz, Bmax harus diatur ke 50% dari kerapatan fluks magnetik saturasi Bsat material. Pada 500kHz, Bmax harus diatur ke 25% dari kerapatan fluks magnetik saturasi Bsat material. Pada 1MHz, Bmax harus diatur ke 10% dari kerapatan fluks magnet saturasi material Bsat. Hal ini ditentukan oleh karakteristik bahan feromagnetik dalam mengganti catu daya (3C8, dll.).

Kerugian arus eddy jauh lebih kecil dibandingkan kerugian histeresis, namun meningkat dengan cepat seiring bertambahnya frekuensi operasi, seperti ditunjukkan pada persamaan (7).

Arus eddy adalah arus sirkulasi yang diinduksi dalam kisaran besar di dalam inti magnet dalam medan magnet yang kuat. Umumnya, perancang tidak memiliki banyak cara untuk mengurangi kerugian ini. Arus eddy adalah arus sirkulasi yang diinduksi dalam kisaran besar di dalam inti magnet dalam medan magnet yang kuat. Umumnya, desainer tidak punya banyak cara untuk mengurangi kerugian ini.

Kehilangan resistansi adalah kerugian yang disebabkan oleh resistansi belitan internal transformator atau induktor. Ada dua bentuk hilangnya resistensi: hilangnya resistensi DC dan hilangnya resistensi efek kulit. Hilangnya resistansi DC ditentukan oleh hasil kali resistansi kawat belitan dan kuadrat nilai efektif arus yang mengalir melaluinya. Efek kulit disebabkan oleh kuatnya medan elektromagnetik AC pada penghantar, dan arus di tengah penghantar didorong ke permukaan penghantar, yang justru meningkatkan hambatan penghantar. Arus mengalir pada bagian yang lebih kecil, yang membuat diameter efektif konduktor tampak lebih kecil. Persamaan (8) memberikan rumus perhitungan dua kerugian ini dalam satu ekspresi.

Induktansi kebocoran (diwakili oleh induktansi kecil yang dihubungkan secara seri dengan belitan) membuat sebagian fluks magnet bocor ke udara dan material di sekitarnya tanpa bertautan dengan inti magnet. Karakteristiknya tidak dipengaruhi oleh transformator atau induktansi yang terkait, sehingga impedansi pantulan belitan tidak mempengaruhi kinerja induktansi kebocoran.

Kebocoran akan menimbulkan masalah karena tidak menyalurkan daya ke beban, melainkan menimbulkan energi osilasi pada elemen disekitarnya. Dalam desain struktural transformator dan induktor, induktansi kebocoran belitan harus dikontrol. Nilai induktansi kebocoran masing-masing akan berbeda, namun dapat dikontrol hingga nilai pengenal tertentu.

Beberapa aturan umum untuk mengurangi induktansi kebocoran belitan adalah: memanjangkan panjang belitan, mendekatkan inti magnet, teknologi kopling erat antar belitan, dan rasio belitan yang serupa (seperti mendekati L:1). Untuk inti EE yang biasa digunakan pada konverter DC-DC, perkiraan induktansi kebocoran adalah 3% ~ 5% dari induktansi belitan. Pada konverter off-line, induktansi bocor pada belitan primer dapat mencapai 12% dari induktansi belitan, jika transformator harus memenuhi peraturan keselamatan yang ketat. Pita perekat yang digunakan untuk menyekat belitan akan membuat belitan menjadi lebih pendek dan menjauhkannya dari inti magnet dan belitan lainnya.

Nantinya dapat dilihat bahwa kerugian tambahan yang disebabkan oleh kebocoran induktansi dapat dimanfaatkan.

Dalam penerapan magnet DC, biasanya terdapat celah udara di sepanjang rangkaian magnet inti magnet. Pada inti ferit, celah udara berada di tengah inti, dan fluks magnet mengalir dari satu ujung inti ke ujung lainnya, meskipun garis magnet akan menyebar dari pusat inti. Adanya celah udara menimbulkan daerah fluks magnet yang padat sehingga akan menimbulkan aliran arus eddy pada bagian logam di dekat kumparan atau celah udara. Kerugian ini umumnya tidak besar, namun sulit ditentukan.

Ikhtisar Parameter Parasit Utama pada Catu Daya

Parameter parasit adalah karakteristik kelistrikan yang tidak terduga dari komponen sebenarnya di dalam rangkaian. Mereka umumnya menyimpan energi dan bereaksi pada komponennya sendiri untuk menghasilkan kebisingan dan kerugian. Merupakan tantangan besar bagi para desainer untuk membedakan, mengukur, mengurangi atau memanfaatkan reaksi-reaksi merugikan ini.

Dalam hal komunikasi, ciri-ciri parasitnya lebih kentara. Ada dua node utama dengan nilai AC besar dalam catu daya switching yang khas, yang pertama adalah kolektor atau saluran pembuangan saklar daya; Yang kedua adalah anoda penyearah keluaran. Kita harus fokus pada dua simpul khusus ini.

Parameter parasit utama dalam konverter

Di semua catu daya switching, terdapat beberapa parameter parasit yang umum, dan pengaruhnya dapat dilihat dengan jelas ketika mengamati bentuk gelombang node AC utama di konverter. Beberapa data perangkat bahkan memberikan parameter ini, seperti kapasitansi parasit MOSFET. Parameter parasit utama dari dua konverter umum ditunjukkan pada Gambar 3.

Beberapa parameter parasit telah didefinisikan dengan jelas, seperti kapasitansi MOSFET, sedangkan parameter parasit diskrit lainnya dapat dinyatakan dengan parameter yang digabungkan, sehingga pemodelan menjadi lebih mudah. Sangat sulit untuk menentukan nilai parameter parasit yang tidak terdefinisi dengan jelas, dan biasanya ditentukan oleh nilai empiris. Dengan kata lain, saat mendesain soft switch, pemilihan komponen harus didasarkan pada prinsip mendapatkan hasil terbaik. Dalam diagram rangkaian, sangat penting untuk menempatkan elemen parasit pada tempat yang tepat, karena cabang listrik hanya bekerja pada sebagian waktu kerja konverter. Misalnya, kapasitansi sambungan penyearah akan menjadi besar hanya jika penyearah dibiaskan ke arah sebaliknya, namun akan hilang bila dioda dibiaskan ke arah maju. Tabel L mencantumkan beberapa parameter parasit yang mudah ditentukan, komponen yang menghasilkan parameter tersebut, dan kisaran perkiraan nilai-nilai ini. Beberapa nilai parameter parasit khusus dapat diperoleh dari data komponen tertentu.

Pengaruh papan sirkuit tercetak (PCB) terhadap parameter parasit ada dimana-mana, dan aturan tata letak PCB yang baik dapat meminimalkan pengaruh ini.

Garis tercetak dengan arus puncak sensitif terhadap induktansi dan kapasitansi yang dihasilkan oleh garis tercetak apa pun, sehingga garis ini harus pendek dan tebal. Sambungan solder PCB dengan tegangan tinggi AC, seperti saluran pembuangan atau pengumpul sakelar daya atau anoda tabung penyearah, mudah untuk menghasilkan kapasitansi kopling dengan garis cetak yang berdekatan, sehingga kebisingan AC digabungkan ke garis cetak yang berdekatan. Melalui koneksi "via", sinyal yang sama dapat mengalir melalui lapisan atas dan bawah dari sirkuit cetak sinyal AC. Pengaruh parameter parasit lainnya umumnya dapat dikaitkan dengan unsur parasit yang berdekatan.

Mengetahui sifat parameter parasit pada setiap komponen konverter tipikal akan membantu menentukan parameter komponen magnetik, desain PCB, desain filter EMI, dll. Ini adalah bagian tersulit dari semua desain catu daya switching.