Создание напряжения постоянного тока от источника переменного тока означает, что вам придется выпрямить напряжение переменного тока, чтобы получить постоянное. Одно отличие по сравнению с DC-DC преобразователем состоит в том, что вы можете использовать линейный источник питания с переменным напряжением. Это означает, что вы можете воспользоваться трансформатором, чтобы уменьшить или увеличить напряжение переменного тока, а затем подать его на выпрямитель. Ближе всего к линейному источнику постоянного тока может быть двигатель постоянного тока, приводящий в действие генератор постоянного тока, что не очень эффективно.
Линейный источник переменного и постоянного тока все еще имеет место в лабораторных источниках и высококачественном звуке, но в большинстве современных преобразователей энергии используются импульсные регуляторы напряжения, а не линейные. В этом приложении вы будете выпрямлять входящее переменное напряжение для создания шины постоянного тока. Если у вас есть шина постоянного тока, вы можете использовать любую из архитектур преобразования постоянного тока в постоянный ток (DC-DC преобразование), чтобы получить конечное выходное напряжение или напряжения, которые вам нужны.
Проблема с выпрямлением напряжения
Несмотря на концептуальную простоту, выпрямление входящего переменного тока добавляет массу проблем вашему источнику питания. Большая часть выпрямителей выполняется на обычных диодах. Эти диоды будут создавать пульсации при переключении в процессе работы, что создает высшие гармоники в сети переменного тока. У них также будет прямое падение напряжения (хотя оно небольшое), которое рассеивает энергию на тепло.
Вы можете использовать выпрямительный мост на базе транзисторов MOSFET для выпрямления входящего переменного напряжения, но значительно усложняет выпрямитель и повышает его стоимость по сравнению с диодным. Рассмотрим небольшой пример для термостата Nest, который питается от сети 24 В переменного тока, используемого для обычных термостатов. Это настоящая проблема, так как включение обогревателя или кондиционера основано на замыкании 24 В цепи переменного тока в термостате — так работает обычный термостат. Разъем потребляет очень маленький ток для зарядки своих батарей. Затем он может замыкать вход 24 В переменного тока, чтобы включить обогреватель, используя тот же транзисторный мост, пока он работает от батарей. Термостату Nest требуется каждый “маленький кусочек энергии”, который он может сохранить, отсюда необходимость устранения простого диодного моста.
У выпрямления переменного тока есть другие проблемы, такие как импульсный ток, который возникает в процессе выпрямления (рисунок ниже). Он отличается от пускового тока, который есть у источников постоянного тока, когда вы впервые подаете на них питание. Импульсы тока возникают из-за того, что выпрямительные диоды могут работать только тогда, когда входное переменное напряжение больше, чем напряжение постоянного тока. Это означает, что имеется короткий всплеск тока только на пиках переменного напряжения, что приводит к снижению коэффициента мощности источника переменного тока. Коэффициент мощности является своего рода мерилом согласованности напряжения и тока, подаваемого линией переменного тока.
Для индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели, переменный ток будет отставать от переменного напряжения. Для емкостной нагрузки наоборот — ток опережает напряжение. В обоих случаях напряжение и ток не совпадают по фазе, поэтому коэффициент мощности ниже идеального значения «1». При выпрямлении коэффициент мощности падает по другой причине. Хотя скачки тока могут быть в фазе с напряжением, это происходит только в течение короткого периода времени сигнала переменного тока.
Улучшение коэффициента мощности
Несмотря на то, что низкий коэффициент мощности не увеличит стоимость электроэнергии для вас (если ваше устройство не работает на промышленном предприятии), но это увеличит реактивную мощность в сети. Во многих странах разработаны стандарты, в соответствии с которыми для автономного источника переменного тока требуется коррекция коэффициента мощности (PFC). Допустимое значение коэффициента мощности (cos φ) гарантирует, что входной ток источника питания является синусоидой, которая совпадает по фазе с входным напряжением.
PFC добавляет еще один импульсный регулятор к вашему источнику переменного тока. Внешний интерфейс PFC обычно является повышающим преобразователем (рисунок ниже). Поскольку входное переменное напряжение повышается до более высокого напряжения, возможно, до 350 В постоянного тока, преобразователь может получать ток от линии переменного тока практически в любое время сигнала. Микросхема управления основана на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) транзисторов повышающего преобразователя, чтобы ток, взятый из линии переменного тока, был прямо пропорционален напряжению. Он не может потреблять ток на переходах через ноль, поэтому коэффициент мощности не может быть идеальным. Тем не менее, можно получить выше 0,9, что решает основную проблему.
Помимо необходимости выпрямления в источнике переменного тока, существуют различия в способе выпрямления из-за различий в средних значениях напряжений переменного тока в различных странах мира. Во всем мире напряжение сети переменного тока может варьироваться от 100 В в Японии до 240 В в Европе. В старых линейных источниках питания пользователь мог переключить переключатель, чтобы изменить обмотку на входном трансформаторе. Это позволяло адаптироваться к различным напряжениям сети. При включении питания коммутатор может изменить первичную обмотку, следовательно, вы используете полный диодный мост с высоким напряжением и полумост с более низким напряжением (рисунок ниже). Это позволяет шине постоянного тока, которую вы запитываете, быть ближе к номинальному значению постоянного тока, даже если напряжение на входе переменного тока уменьшилось вдвое.
С ростом доступности транзисторов MOSFET из карбида кремния (SiC), многие внешние интерфейсы PFC используют каскадное выпрямление (рисунки ниже). Карбид кремния имеет незначительное время обратного восстановления, поэтому в выпрямлении нет задержек, связанных с открытием/закрытием P-N перехода. Два SiC транзистора стоят больше двух диодов, но выигрыш в эффективности может стоить того. Как только транзисторы MOSFET выпрямят переменный ток, сохраняя при этом коэффициент мощности, у вас будет высоковольтная шина постоянного тока, с которой вы можете использовать любую из архитектур DC-DC преобразователя для получения конечного выходного напряжения. Вы также можете использовать этап DC-DC для создания границы изоляции, если это необходимо.
Схема PFC с тотемным полюсом работает как повышающий преобразователь. При положительном потенциале, указанном на рисунках «плюс» и «минус» на источнике ЭДС, ток накапливается в катушке индуктивности, когда S2 замкнут (a), а затем поступает в нагрузку через S1 (b). SD2 может быть диодом, но SiC-транзистор повышает эффективность преобразователя
Когда полярность источника переменного ЭДС становится отрицательной в цепи PFC с тотемным полюсом, транзисторы направляют ток в индукторе в обратном направлении (а). Когда S1 открывается и S2 закрывается, он посылает ток в нагрузку (b). SD1 может быть диодом, но SiC-транзистор повышает эффективность.
Изобилие стандартов
Основное различие между источниками AC-DC и DC-DC заключается в том, что источники AC-DC должны соответствовать гораздо более строгим нормативным стандартам. Оба источника имеют стандарты FCC и CE для электромагнитных помех, но более высокое рабочее напряжение источников AC-DC требует изготавливать их соответствующими стандартам пожарной и электробезопасности. Поскольку большинство источников AC-DC изолированы от напряжения источника (имеют потенциальную развязку), для этого также требуются списки UL, CSA и CE.
Если вы делаете медицинское устройство, вам может потребоваться еще более строгий дизайн. В то время как изоляция в обычном источнике питания может быть только на проводах согласующего трансформатор, медицинские трансформаторы устанавливают обмотки на совершенно отдельные катушки (рисунок ниже). Таким образом, полностью исключается возможность пробоя между первичной и вторичной обмотками, результатом чего может стать короткое замыкание, которое может убить пациента.
Стандарты, применимые к вашему AC-DC преобразователю, зависят от приложения. Существуют различные стандарты для информационных, медицинских и телекоммуникационных продуктов. Существуют также различные правила для класса I, где вилка имеет заземляющий контакт, и класса II, часто называемого «двойной изоляцией», где источник питания не подключен к заземлению. Кроме того, существует ограниченный класс источника питания (LPS) с “ослабленными” безопасными характеристиками из-за ограниченного характера его доступности энергии. Свод правил настолько сложен, что многие разработчики обращаются к сторонней листинговой компании, такой как UL или TUV, или к десяткам испытательных лабораторий, которые знакомы со всеми мировыми стандартами для вашего конкретного применения продукта.
Электрические шумы и “иммунитет” к ним
Американский стандарт FCC и Европейский стандарт CE имеют описания допустимых электромагнитных помех от всех источников, как AC-DC, так и DC-DC. Но все сложнее и сложнее удовлетворить требования к расходным материалам AC-DC. Мало того, что у вас есть правила по количеству генерируемых электромагнитных помех (EMI), вы также должны проверить AC-DC преобразователь на предмет наведенного шума; то есть высших гармоник, которые он “отправляет” обратно в сеть. Поскольку AC-DC преобразователи часто работают с большими токами и напряжениями, они генерируют гораздо больше помех, чем DC-DC преобразователи, поэтому соблюдение правил защиты от электромагнитных помех будет более сложным.
В дополнение к требованиям по электромагнитным помехам, ваш преобразователь AC-DC будет соответствовать требованиям по невосприимчивости. Здесь вы должны смоделировать ситуацию с сетевыми помехами от источника питания и доказать, что ваш преобразователь имеет допустимые параметры качества выходного напряжения и тока. Как и DC-DC преобразователь, он также должен быть защищен от электромагнитных помех.
Все это соответствует требованиям EMI, пожарной безопасности, электробезопасности и экологически чистой энергии для AC-DC конвертора. В Power Integrations есть хороший сайт, на котором представлены некоторые требования к источникам переменного тока, например, «вампирское питание», которое потребляет AC-DC преобразователь, даже когда он выключен.
Несмотря на то, что некоторые инженеры избегают проблем с проектированием AC-DC источников питания, включая опасность разработки высоковольтных цепей, существует растущее поколение “аналоговых” инженеров, которые не боятся проблем и видят преимущества в создании безопасных, эффективных и экологически чистых продуктов, которые можно смело назвать ”инженерным искусством”.
