Ein dritter Weg für isolierte IBCs
Bei der Entwicklung der verteilten Stromversorgungsarchitektur für Anwendungen wie Rechenzentren kann ein isolierter Zwischenbusumrichter (IBC) eingesetzt werden, der eine nominale Eingangsspannung von 48 V oder 54 V aufnimmt und eine 10-V- bis 12-V-Busspannung für einen oder mehrere nachgeschaltete Point-of-Load-Umrichter (PoL) erzeugt. Bisher gab es im Wesentlichen zwei Ansätze: einen einfachen Umrichter mit festem Übersetzungsverhältnis und ungeregeltem Ausgang oder einen Umrichter mit vollständiger Regelung und festem Ausgang.
Inzwischen wurden Hybrid-Wandler mit geregeltem Übersetzungsverhältnis (HRR) entwickelt, die die Vorteile beider Wandlertypen vereinen und je nach Eingangsspannung nahtlos zwischen den Betriebsmodi umschalten. Um den Wert von HRR vollständig zu verstehen, ist es notwendig, die Funktionsweise von HRR-Wandlern mit der von Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis und solchen mit fester Ausgangsspannung zu vergleichen und jeden Typ im Hinblick auf typische Betriebsbedingungen zu betrachten.
Hintergrund und Funktionsprinzipien
Die Pulsweitenmodulation (PWM) eines Brückenschaltwandlers steuert die Ausgangsspannung. Längere Einschaltzeiten erhöhen die mittlere Ausgangsspannung, während kürzere Einschaltzeiten sie verringern. Ein Ausgangsfilter glättet die Wellenform zu einer Gleichspannung. Durch die Erfassung der Ausgangsspannung kann die PWM zur Kompensation von Eingangsspannungsschwankungen genutzt werden. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators ist so eingestellt, dass bei minimaler Eingangsspannung ein Tastverhältnis von nahezu 100% erreicht wird. Höhere Lasten erhöhen das Tastverhältnis schrittweise, da der Wandler die erhöhten Spannungsabfälle bei höheren Strömen kompensiert. Bei einem Tastverhältnis von nahezu 100% muss während der Ausschaltzeit nur wenig Energie in der Ausgangsinduktivität gespeichert werden, und die Schaltströme an Ein- und Ausgang sind nahezu kontinuierlich, wobei ihr Mittelwert nahe am Effektivwert liegt. Im Gegensatz dazu muss bei niedrigen Tastverhältnissen in jedem Schaltzyklus erhebliche Energie gespeichert und wieder abgegeben werden. Die Stromwellenformen weisen hohe Verhältnisse von Spitze zu Mittelwert und folglich hohe Effektivwerte auf, was die Verluste erhöht. Der höchste Wirkungsgrad geregelter Wandler wird daher typischerweise bei minimaler Eingangsspannung und hoher Last erreicht. Bei höheren Eingangsspannungen und geringen Lasten, die zu niedrigen Tastverhältnissen führen, wird der Wirkungsgrad beeinträchtigt. Geregelte Wandler können jedoch so eingestellt werden, dass sie eine feste, optimale Ausgangsspannung für nachgeschaltete PoLs liefern, wodurch der Systemwirkungsgrad teilweise wiederhergestellt wird. Der Eingangsspannungsbereich kann zudem groß sein und deckt problemlos den ETSI-Standard von 36 V bis 72 V ab.
Festübersetzungswandler arbeiten unter allen Bedingungen mit einem Tastverhältnis von nahezu 100% und benötigen daher nur eine sehr kleine Ausgangsspeicherdrossel. Dank ihrer niedrigen Effektivströme an Ein- und Ausgang sind sie über einen weiten Eingangsspannungsbereich effizient. Da der Restwelligkeitsstrom stets gering ist, können die Ausgangskondensatoren bei gleicher Restwelligkeit ebenfalls kleiner ausfallen. Der Eingangsspannungsbereich muss jedoch üblicherweise eingeschränkt werden. Bei einem Übersetzungsverhältnis von beispielsweise 5:1 variiert die Ausgangsspannung bei einer Eingangsspannung von 36 V bis 72 V zwischen etwa 7 V und 14,4 V. Dies zwingt die PoLs zu Weitbereichs-Eingangsspannungswandlern, die weniger effizient sind, insbesondere bei einer Eingangsspannung von 7 V, wo die Ströme bei gleicher Ausgangslast des PoLs höher sind. Aus diesem Grund werden Festübersetzungswandler häufig für einen engeren Eingangsspannungsbereich, typischerweise 45 V bis 54 V, spezifiziert, was ihre Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass Spannungsspitzen an den Eingängen von Festübersetzungswandlern direkt zum Ausgang weitergeleitet werden und dort zu potenzieller Belastung der PoLs und zu elektromagnetischen Störungen (EMI) führen können.
HRR vereint das Beste aus beiden Welten
Die HRR-Technik vereint die Vorteile beider Ansätze: Der Wandler arbeitet bei niedrigen Eingangsspannungen mit einem Tastverhältnis von nahezu 100%, schaltet aber oberhalb eines Sollwerts nahtlos auf PWM-Steuerung um und begrenzt so die Ausgangsspannung. Der Effekt wird in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1, Vergleicht man die Ausgangsspannung eines typischen 5:1-Festübersetzungswandlers mit der eines HRR-Wandlers (z. B. bestimmter Varianten der PKU-D-Serie), dessen Ausgangsspannung bei Eingangsspannungen zwischen 35 V und 75 V auf 12 V begrenzt ist, so zeigt sich, dass der Festübersetzungswandler oberhalb von 65 V abschaltet, um die Ausgangsspannung auf einen sicheren Wert zu begrenzen. Das HRR-Gerät mit einem 4:1-Transformator ist so ausgelegt, dass es bis zur nominalen Eingangsspannung von 54 V im Tastverhältnis 100% arbeitet. Dadurch ergibt sich im Vergleich zum Festübersetzungswandler eine höhere Ausgangsspannung zwischen 36 V und ca. 60 V Eingangsspannung. Tatsächlich kann es kurzzeitige Überspannungen bis zu 80 V ohne Verlust der Ausgangsregelung verkraften.
Abbildung 1: Der HRR-Betrieb ähnelt dem Betrieb mit festem Übersetzungsverhältnis bei niedrigeren Vin-Werten, begrenzt jedoch Vout bei höheren Vin-Werten.
Die Untersuchung des Betriebs von HRR-Anlagen unter verschiedenen Bedingungen kann aufzeigen, wie die Umrichter optimal genutzt werden, und die Vorteile hinsichtlich Effizienz und Systemdesign quantifizieren.
Vergleich von Wärmefreisetzungsrate (HRR) und vollgeregeltem Wandler
Abbildung 2 und Abbildung 3 Abbildung 2 veranschaulicht die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des HRR-Wandlers. Sie zeigt, dass der HRR-Wandler bei festem maximalem Ausgangsstrom für die höchste Leistung bei der Nennspannung V ausgelegt werden kann.In von 54 V, wobei es bei höheren Spannungen aufgrund von Schaltverlusten, die den Wirkungsgrad verringern, zu einer gewissen Reduzierung kommt.
Abbildung 2: Die maximale Ausgangsleistung des HRR-Wandlers wird erreicht, wenn Vin nahe am Nennwert von 54 V liegt.
Die Wirkungsgradkurven in Abbildung 3 zeigen, dass ein HRR-Wandler auch mit zunehmender Spannung V effizienter wird.In Die Spannung steigt auf den Nennwert von 54 V an, da sich die Spannungsabfälle aufgrund von Widerständen und anderen Faktoren verringern, da der Strom bei konstanter Lastleistung mit steigender Ausgangsspannung abnimmt. Dies gilt insbesondere bei hoher Last. Es ist zu beachten, dass sowohl der Wirkungsgrad als auch die maximale Ausgangsleistung bei niedrigeren V-Werten reduziert sind.In, Die Leistung bleibt beeindruckend. Wirkungsgrad des 95,1% bei einer Leistung von 200 W aus 40 V.In ist eine gute Leistung für einen Zwischenbusumrichter.
Abbildung 3: Der Wirkungsgrad des HRR-Wandlers erreicht seinen Höchstwert bei der Nenneingangsspannung.
Vergleich der Leistungskurven über den gesamten V-BereichIn Die Werte im Vergleich zu denen eines vollständig geregelten 12V-Festspannungswandlers, in diesem Fall eines Flex Power Modules PKU4213D, verdeutlichen einen entscheidenden Vorteil des HRR-Wandlers: Abbildung 4 zeigt die Wirkungsgradkurven für die Flex-Leistungsmodule PKU4213D und zeigt, dass die beste Leistung bei niedriger Spannung erreicht wird.In bei höheren Tastverhältnissen. Zwischenbusumrichter arbeiten jedoch selten mit solch niedrigen Werten. In der Praxis ist VIn Der Wert liegt typischerweise die meiste Zeit nahe dem Nennwert, und genau hier erreicht der HRR-Umrichter seine beste Leistungsfähigkeit und Effizienz. Dies bietet Endnutzern gegenüber dem vollgeregelten Umrichter erhebliche Vorteile, darunter niedrigere Stromkosten, niedrigere Betriebstemperaturen, geringerer Kühlbedarf, höhere Zuverlässigkeit und eine längere Lebensdauer der Geräte.
Abbildung 4: Der Wirkungsgrad eines vollständig geregelten IBC ist typischerweise bei niedrigen Eingangsspannungen am höchsten.
Beachten Sie, dass dies auch bei niedrigeren Werten von V gilt.In, Die Wärmerückgewinnungsrate (HRR) übertrifft die herkömmliche Technologie. Der Wirkungsgrad ist bei 150 W und 40 V Eingangsspannung um 1,21 TP34T höher. Bei 200 W und 54 V Eingangsspannung erhöht sich diese Verbesserung auf 2,21 TP34T.
Vergleich von Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis
Der hohe Wirkungsgrad ist der Hauptvorteil eines Festverhältniswandlers mit einem Tastverhältnis nahe 100%, allerdings gilt dies nur für einen begrenzten Eingangsspannungsbereich. Die HRR-Technik schneidet dagegen sehr gut ab und kann in manchen Fällen sogar überlegen sein.
Für einen Eingangsspannungsbereich bis zu 60 V wird wahrscheinlich ein 5:1-Festverhältniswandler benötigt. In diesem Fall Vaus Die Spannung beträgt bei einer Eingangsspannung von 54 V etwa 10,4 V, was eine gute Kombination aus Effizienz und Dynamik bietet. Ein vergleichbarer 4:1-HRR-Wandler mit einer Begrenzung von V könnte gewählt werden.aus Die 12-V-Variante arbeitet mit 10,4 V (z. B. PKU4217D). Die 12-V-Variante schaltet bei ca. 50 V in den Verhältnisbetrieb und bietet bei einer nominalen Eingangsspannung von 54 V eine sehr ähnliche Leistung wie die Variante mit festem Verhältnis. Die 10,4-V-Variante schaltet bei ca. 43 V um, was bei 54 V, wo der Tastgrad deutlich sinkt, zu einem leichten Leistungsverlust des Wandlers führt. Die niedrigere Spannung an den nachfolgenden PoLs (Point of Loads) dürfte deren Effizienz jedoch erhöhen, sodass der Gesamteffekt minimal sein kann.
Wenn VIn Bei Spannungseinbrüchen verschlechtert sich jedoch auch die Leistung des Festübersetzungswandlers. Bei einer Eingangsspannung von 40 V erzeugt ein Festübersetzungswandler mit einem Übersetzungsverhältnis von 5:1 eine Ausgangsspannung von etwa 7,7 V. Dies zwingt den Wandler, mit einem höheren Ausgangsstrom als bei Nennspannung zu arbeiten.In/Vaus Bei gleicher Lastleistung reduziert das HRR-Modul die Spannung auf nur etwa 9 V, sodass der Stromanstieg bei konstanter Lastleistung geringer ausfällt, was zu einer signifikanten Einsparung der ohmschen Verteilungsverluste führt.
In diesem Szenario könnte der 10,4-V-HRR-Wandler zwar einen kleinen Nachteil hinsichtlich der maximalen Leistung bei Nennspannung aufweisen.In, Es hat ein flacheres Vaus Das Leistungsprofil über den gesamten Eingangsspannungsbereich und die gleichmäßigere Ausgangsleistungskurve bedeuten, dass das Gerät genau dann mehr Leistung liefern kann, wenn sie am dringendsten benötigt wird.
Umgang mit Eingangstransienten
Während die HRR-Technik unter den häufigsten Betriebsbedingungen nachweislich wertvolle Effizienz- und Leistungsgewinne erzielt, kann ihre Reaktion auf steile positive Eingangsspannungstransienten besser als die von Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis gestaltet werden, was sie insbesondere in der Telekommunikationsbranche attraktiv macht.
Abbildung 5 vergleicht die Reaktionen von drei verschiedenen DC/DC-Wandlern auf einen steilen Eingangstransienten von 48 V auf 54 V.
Abbildung 5: Reaktionen des vollständig geregelten, des Festverhältnis- und des HRR-Wandlers auf eine Spannung von 48 V bis 54 VIn vorübergehend
Die obere Kurve zeigt die Reaktion eines PKU4213D 17A-Wandlers mit vollständig geregelter fester Ausgangsspannung von 12 V bei einer Last von 8,5 A. Die Änderung von V ist minimal.aus, wie zu erwarten war.
Die zweite Kurve stammt von einem 12-V-, 25-A-HRR-Wandler mit einer Last von 12,5 A. Die sanft ansteigende Spannung Vaus Die Anpassung an unterschiedliche Ausgangsspannungen dauert etwa 4 Millisekunden, in diesem Fall der Übergang zwischen dem “Verhältnis”-Modus und dem Modus mit konstanter Ausgangsspannung.
Die untere Kurve für einen 9,6-V-42-A-Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis von 5:1 und einer Last von 12,5 A zeigt V.aus im Anschluss an VIn mit einer sprunghaften Spannungsänderung.
Ein nachfolgender PoL-Wandler kann die sprunghafte Änderung der Eingangsspannung eines Verhältniswandlers als transienten Effekt an die PoL-Last weitergeben und dadurch Funktionsstörungen oder sogar Schäden verursachen. Die HRR-Technik mit ihrer aktiven Steuerung kann den Tastgrad kurzzeitig reduzieren und die Änderung der IBC-Ausgangsspannung verlangsamen, bevor sie wieder auf 100% zurückkehrt und so den PoL schützt.
Die von einem Festverhältniswandler durchgelassene Stufenspannung verursacht auch einen hohen transienten Strom in den IBC-Ausgangskondensatoren. Abbildung 6 zeigt beispielhaft den Strom in zwei 470µF-Ausgangskondensatoren während der VIn Einschwingvorgang von 48 V auf 54 V für den zuvor betrachteten 5:1-Festverhältniswandler.
Abbildung 6: Stromantwort des Ausgangskondensators auf eine Spannung von VIn Einschwingvorgang für Festverhältnis-, vollgeregelte und HRR-Umrichter
Beim Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis erreicht der Ladestrom zu den Kondensatoren aufgrund der sehr steilen Spannungsänderung 36,1 A.aus Änderung. Der Wandler ist überlastet (12,5 A + 36,1 A > 42 A) und die Ausgangsspannung sinkt deutlich ab. Führt man denselben Test mit einem Spannungssprung von 40 V auf 54 V durch, löst der Wandler den Überstromschutz aus.
Mit dem HRR-Wandler beträgt der Kondensatorladestrom lediglich 0,7 A, was deutlich unter dem Ladestrom von 0,3 A des vollgeregelten Festausgangswandlers liegt. Dies ist einer der wichtigsten Vorteile von HRR. Die PKU-D HRR-Produkte von Flex Power Modules weisen im Überlastfall ein Konstantstromverhalten auf und schalten sich bei anhaltender Überlastung ab und starten neu.
Negative Transienten können bei Übersetzungswandlern problematisch sein.
Die meisten modernen Wandler nutzen die synchrone Ausgangsgleichrichtung (SR) anstelle diskreter Dioden, um einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen. Dieses Verfahren hat jedoch einen Nachteil: Die als Gleichrichter konfigurierten MOSFETs können sowohl Strom aufnehmen als auch abgeben. Tritt bei einem Festverhältniswandler ein negativer Eingangstransient auf, versucht die Ausgangsspannung sofort abzufallen. Da das Tastverhältnis des 100% beibehalten wird, kann Strom von den geladenen Ausgangskondensatoren zurückfließen und einen hohen Rückstrom am Eingang verursachen. Dies kann auch einen HRR-Wandler betreffen. Die HRR-Komponenten der Flex-Leistungsmodule verfügen jedoch über eine Rückstromerkennung, die den Wandler im schlimmsten Fall in den Standby-Modus versetzt, bis die Ausgangsspannung den korrekten Wert erreicht hat. Die Last bleibt unbeeinträchtigt, da die Ausgangsspannung in dieser Situation definitionsgemäß weiterhin durch den Ausgangskondensator gehalten wird.
Die Unterdrückung von Eingangswelligkeit ist mit HRR besser.
Bei Wandlern mit festem Übersetzungsverhältnis wird jede niederfrequente Restwelligkeit am Eingang proportional zum Übersetzungsverhältnis direkt an den Ausgang weitergeleitet, wobei es aufgrund von Übersteuerungsspitzen in den Eingangs- und Ausgangsfiltern bei höheren Frequenzen sogar zu einer Verstärkung kommen kann. Bei der HRR-Technik wird die Restwelligkeit bei niedrigen Frequenzen ebenfalls durch das Übersetzungsverhältnis gedämpft. Da das Tastverhältnis jedoch nie exakt 100% beträgt, kann eine Vorsteuerung mittels Pulsweitenmodulation (PWM) zur Restwelligkeitsdämpfung eingesetzt werden. Abbildung 7 zeigt die resultierende Welligkeitsdämpfung eines HRR-Wandlers mit der erwarteten 4:1-Dämpfung bis 1 kHz, die bei 10 kHz auf etwa -35 dB ansteigt.
Abbildung 7: HRR-Wandler – Dämpfung der Eingangswelligkeit
Vergleichen Sie dies mit dem Dämpfungsdiagramm eines Wandlers mit festem Übersetzungsverhältnis in Abbildung 8 mit einer Dämpfung von 5:1 (-14dB) bis 1kHz, aber nur noch -10dB bei 10kHz.
Abbildung 8: Festverhältniswandler – Dämpfung der Eingangswelligkeit
Die Resonanzspitzen bei höheren Frequenzen bis zu 100 kHz aufgrund der Eingangs- und Ausgangsfilterresonanz in einem beispielhaften Festverhältniswandler werden gezeigt in Abbildung 9, was zu einer Ausgangswelligkeit von 350 mV bei einer Eingangsspannung von 200 mV (+5 dB) bei etwa 20 kHz führt.
Abbildung 9: Eingangs- und Ausgangsfilter können eine Verstärkung der Eingangswelligkeit bewirken.
Abschluss
Weder ein Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis noch ein vollgeregelter Wandler mit fester Ausgangsspannung bietet eine vollständig zufriedenstellende Möglichkeit, einen isolierten Zwischenkreis zur Versorgung nicht isolierter PoL-Wandler zu erzeugen. Ein Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis ist zwar unter bestimmten Umständen effizient, kann aber den von den ETSI-Normen geforderten gesamten Eingangsspannungsbereich nicht abdecken und reagiert schlecht auf Eingangsspannungsspitzen. Ein Wandler mit fester Ausgangsspannung ist im Bereich der Nenneingangsspannung relativ ineffizient.
Die proprietäre Hybrid-Regelungstechnik (HRR) der Flex-Leistungsmodule ermöglicht höhere Effizienz und Leistungsabgabe unter den gängigsten Betriebsbedingungen, einen breiten Eingangsspannungsbereich und ein überlegenes Ansprechverhalten bei Transienten mit geringer Restwelligkeit. Diese Vorteile gewährleisten eine hohe Leistungsfähigkeit in Telekommunikations-, Industrie-, Labor- und anderen Anwendungen mit verteilten Stromversorgungsarchitekturen und isolierten IBCs. Die Wandler der Flex-Leistungsmodule mit HRR-Technologie sind mit Leistungen von 260 W bis 1300 W erhältlich und ermöglichen durch ihre Verwendung erhebliche Energieeinsparungen mit einer schnellen Amortisation.
Abbildung 10: Flex Leistungsmodule PKU4217D