SEPIC. Single Ended Primary Inductance Converter. Boost: U in < U out mit U out = 0 möglich (true shutdown) Buck-Boost: SEPIC. Flyback.

Transkript

1 SEP Single Ended Primary nductance onverter Boost: < mit = 0 möglich (true shutdown) Buck-Boost: < < ohne flyback Transformator Boost Flyback L T T SEP T L SEP steht für Single Ended Primary nductance onverter. Single Ended heißt, daß nur ein verwendet wird, um Energie in den Konverter zu steuren. Man bezeichnet diese Technologie auch als cascaded boost oder buck-boost. SEP ist nützlich, um Boost-Kreise zu ersetzen, wenn ein true shutdown ( =0, wenn geschlossen) verlangt wird. n einem Boost-Konverter kann die Ausgangsspannung nur auf - OE abfallen. SEP Konverter erlauben eine Ausgangsspannung, die unter- oder oberhalb der Eingangsspannung liegt. n der Vergangenheit konnte dies nur ein Flyback-Konverter. Beim SEP wird der dazu notwendige Transformator durch zwei Spulen ersetzt. Rückkopplung R c Boost Regulator SEP L c GN Ein SEP benutzt einen Boost-Regulator, der einen gegen Masse schließt, d.h. daß jeder Boost/Flyback Regler passend ist. ie Funktion des Arbeitszyklus = /, also dieselbe wie die eines Flybacks (N prim. /N sek. =1) oder eines Back-Boost Reglers. Wenn auf maximal 0.8 beschränkt wird, können die Regelungen besser kontroliert werden und die Maximal mögliche Ausgangsspannung liegt beim vierfachen der Eingangsspannung.

2 SEP gegen Flyback Vorteile Kleinere Eingangswelligkeit als Flyback Kleineres in (kleinerer A RMS ) Kein Transformator Kein?snubber? notwendig Nachteile SEP Kondensator ist groß Mehr Bauteile Begrenzte Ausgangsspannung Nur Single Ausgang Schwieriger zu kompensieren Gemeinsam iode true shutdown =0 Ein SEP kann einen Flyback Konverter in einer Reihe von Anwendungen ersetzten, wobei jedoch einige inge zu berücksichtigen sind. Beim SEP wird der Eingang durch eine nduktivität gespeist, wodurch die Eingangswelligkeit in den Konverter relativ gering ist. as erlaubt die Verwendung eines kleinen Eingangskondensators mit geringem Wechselstrommittelwert. Bei einem Flyback, aufgrund dessen, daß der Energietransfer von der Primär- zur Sekundärseite während des Schaltzykluses erfolgt, ist die Eingangsstromwelligkeit sehr groß. aher muß ein großer Eingangskondensator verwendet werden. er SEP Kondensator läßt die gesamte Energie zum Ausgang durch und sieht daher große Wechselströme, aber nur kleine Wechselspannungen. er SEP eliminiert auch den Transformator und ersetzt ihn durch zwei nduktivitäten, die leichter erhältlich sind. Ohne dem Trafo ist jedoch nur ein Ausgang möglich und es sind keine hohen Ausgangsspannungen möglich, die beim Flyback durch die Wahl des Windungszahlverhältnisses festgelegt werden. a der SEP zwei nduktivitäten und zwei Kondensatoren besitzt, ist er schwieriger zu kompensieren. SEP gegen Boost Vorteile true shutdown möglich echte Strombegrenzung Nachteile SEP Kondensator ist groß Mehr Bauteile Schwieriger zu kompensieren Gemeinsam iode Nur ein Ausgang Für Boost Anwendungen liegen die Vorteile des SEP in der Strombegrenzung und dem true shutdown. Wenn der Regulator bei einem Boost auf null schaltet, ist der offen, aber es ist ein Potentialweg vom Ausgang zum Eingang über L und vorhanden. Resultierend daraus fällt our nicht auf null, sondern auf - OE. Wenn bei einem SEP der offen ist, so liegt eine Potentialtrennung durch den SEP Kondensator vor, wodurch die Ausgangsspannung auf null abfällt. Ein kurzgeschlossener Boost-Konverter legt an nduktivität und iode ohne den Strom zu begrenzen. Nur die Strombegrenzung des Regulators schützt den vor Zerstörung. n einem SEP wird keine Energie an den Ausgang geliefert, während der geschlossen ist. a der sich öffnet, sobald ein zu hoher Strom anliegt, ist auch die an den Ausgang gelieferte Leistung begrenzt.

3 SEP Switching States Vin 1 offen L in. 1 - Vin 1 geschlossen L in Vin 1 offen L in 1. er initialisierte Status des SEP Kondensators, also jener Status der als Ausgangsbedingung angenommen wird, ist in Bild 1 gezeigt. er SEP Kondensator hat sich auf N aufgeladen. ie Ausgangsspannung OT beträgt null Volt, und es fließt kein Strom durch einen Bauteil.. Wird der nun geschlossen, so liegt an die gesamte Eingangsspannung N an. er Strom durch die Spule steigt rampenförmig an, womit in Energie gespeichert wird. adurch, daß sich der SEP Kondensator auf N aufgeladen hat, wirkt er für L ebenfalls als Eingangsspannung N womit auch durch L ein Strom fließt und die Energie des Kondensator in die Spule umgeladen wird. ie iode ist gesperrt. Nun fließt durch beide Spulen ein Strom. ies kann sich nicht sprunghaft ändern wenn der geöffnet wird, da die Spulen durch die gespeicherte Energie den Strom beibehalten wollen. 3. er öffnet sich. er Strom durch kann nun nur durch den SEP Kondensator zum Ausgangskondensator OT und zum Ausgang fließen. as selbe gilt natürlich auch für den Strom der Spule L. as der Strom durch weiter fließen kann, muß die Spannung am auf N OT OE ansteigen. er Strom, der durch den SEP Kondensator fließt, lädt ihn wiederum auf N auf, sodaß er die Spule L mit seiner gespeicherten Energie laden kann, sobald der wieder geschlossen wird. Es besteht ein Energie-Gleichgewicht zwischen dem SEP Kondensator und L, welche zur imensionierung des SEP Kondensators behilflich ist. Wird die Kapazität des SEP Kondensators klein gehalten, so werden stabile Operationen sichergestellt.

4 imensionierung L 1 : Voraussetzung: AVG = 1 AVG... Mittlerer Strom in der Spule, eine Funktion aus Ausgangsstrom und Arbeitszyklus L 1 ( in sat)* *10 0.5* AVG * f µ H =... Spule L 1 PK = AVG... Maximaler Strom in der Spule L 1 ( = sat)* *10 * f in... Welligkeitsstrom ie Größe von L 1 kann über das Minimum hinaus erhöht werden, wodurch sich der Eingangs- und Ausgangswelligkeitsstrom vermindern lassen. Wenn weniger als 0% von AVG wird, ist die Ausgangswelligkeit minimal. ie obigen Formeln hängen von ab, der arbeitsfunktion. Für gilt: =( iode )/( - sat iode ). sollte mit 0.8 gewählt werden, für Beste Kontrolle über den Regulator. L : Voraussetzung: = L AVG... Mittlerer Strom in der Spule, ist gleich demausgangsstrom L LPK ( in sat )* *10 * f AVG µ H =... Spule L L =... Maximaler Strom in der Spule L ( = )*(1 )*10 L* f in sat L... Welligkeitsstrom ie Gleichungen für L sind ähnlich denen für L 1, lassen aber die unterschiedlich angelegten Spannungen erkennen. urch Erhöhen von L über das geforderte Minimum wird kleiner, was im Gegenzug dazu führt, das die Welligkeit der Ausgangsspannung sinkt. V = 1 L R

5 : ie Berechnung des Maximalstroms durch den legt den Maximal zulässigen Strom fest SWPEAK = AVG L ( L) SWRMS = SWPEAK SWPEAK *( L ) * 3 ie Berechnung von der Maximal an der iode auftretenden Spannung legt auch den Maximalen Spannungswert fest SWPEAK = in iode ie Berechneung von Maximalstrom und Maximalspannung an der iode helfen dabei den Schalt-Regulator, der in der Anwendung gebraucht wird, zu finden.. Wenn schon ein Regler ausgesucht wurde, legen diese Werte fest, ob der noch innerhalb seiner Toleranzen arbeitet. ie Berechnung des Maximalen iodenstroms während des Ladevorgangs muß berechnet werden, um festzulegen, daß der Maximal zulässige Strom nicht überschritten wird. iese Berechnung sollte durchgeführt werden, bei einer minimalen Eingangsspannung, wenn AVG am größten ist. ie Maximale iodenspannung sollte bei größter Eingangsspannung berechnet werden, wiederum um den innerhalb seiner Toleranzen zu betreiben. SEP Kondensator: ie Wahl des Bauteils hängt vom Effektivwert des Stromes ab. ie Größe von kann sich in einem sehr großen Bereich bewegen (1000pF-100µF) Mit steigender Leistung wird auch die Größe des Kondensators größer. Höherer Wechselstromeffektivwert bedeutet höhere Kapazität Höherer Strom bedeudet aber auch größere Spannungswelligkeit RMS = SWRMS ( PK PK* )*(1 ) ie Mittlere Spannung am Kondensator ist ie Größe des Kondensators hängt von der Energiebalance zwischen und L ab. SEP ( in ) = L( ) n einem SEP Kreis muß der SEP Kondensator für großen effektiven Wechselstrom gewählt werden in Bezug zur Ausgangsleistung. Wenn z.b. =, dann ist der effektive Wechselstrom durch den Kondensator 1. mal dem Ausgangsstrom (aus erster Formel berechnet). Wenn =, dann ist der Strom durch den Kondensator.7 mal dem Ausgangsstrom. iese Tatsache macht den SEP besser für geringe Leistungs-Anwendungen, da der effektive Strom durch den Kondensator relativ klein ist. ie Energiebalance zwischen dem SEP Kondensator und L kann dazu benutzt werden, um den Kondensator zu berechnen. Gehen wir von der grundlegenden Energiebalance Formel aus: = L = max min... die ifferenz ist die gespeicherte Energie = ( max min )

6 a max = in und min = in wird ( max min ) = in mit als Spannungswelligkeit. amit wird der ² Term SEP ( ). Ähnliche Substitutionen gelten für den L² Term, der daher zu wird. ie Resultierende Energiebalance ist dann: SEP ( in ) = L( ) iode: er Mittlere Strom durch die iode ist er Maximalstrom durch die iode ist derselbe wie der durch den ie Sperrspannung an der iode ist