Så väljer du rätt kraftkomponenter för att möta kraven för industriell strömförsörjning

AC/DC-omvandling för industriella tillämpningar har inte särskilt stora likheter med kraftomvandling i konsument- och massmarknadsprodukter. Generellt har industriella tillämpningar mycket högre spännings-, ström- och effektnivåer. Kraven på robust värmehantering och elektricitet är mycket högre och det finns strikta regler gällande aktiva system och standby-lägen. Driften måste övervakas fortlöpande avseende återkopplingsloopar och felsökning.

Nyckeln till effektiv design under sådana förhållanden är den styrkrets som sköter kraftomvandlingen, kombinerat med switchenheter och deras kringkomponenter. Sådana komponenter används för att implementera den valda strömförsörjningstopologin och leverera reglerad DC-utmatning med önskad spänning och ström. Omvandlaren kan innehålla en inbyggd kraftenhet (t.ex. en MOSFET) eller fungera som styrenhet och drivkrets för en extern, diskret kraftenhet, exempelvis kiselkarbidenheter. Vissa omvandlare ger en fast DC-ledning till ett helt system, medan andra har mindre uppenbara men ändå viktiga roller som gatedrivkretsar med särskilda av/på-egenskaper.

I den här artikeln beskrivs olika kraftomvandlingstopologier som kan användas i industriella tillämpningar, och olika faktorer som måste övervägas innan man väljer topologi och komponenter. Vi presenterar ett antal komponenter från ROHM Semiconductor och ger exempel på hur de kan användas effektivt.

Välja topologi för kraftomvandling

Vid val av kraftomvandlare måste konstruktörerna väga olika alternativ och nackdelar mot varandra, för att utveckla ett strömförsörjningssystem som uppfyller kraven för industriella tillämpningar. Det finns många sätt att göra detta, men den vanligaste metoden är att utgå från vilken effekt (i watt) som försörjningen måste leverera samt behovet av ingångs- och utgångsisolatorer (figur 1 och figur 2). Baserat på dessa två faktorer genereras ett antal möjliga topologier för kraftomvandling.

Figur 1: För kraftomvandlingssystem finns ett stort antal möjliga topologier, som motsvarar önskade uteffektområden. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Figur 2: Varje omvandlartopologi kan beskrivas med ett enkelt kopplingsschema som illustrerar den grundläggande arkitekturen. Överst visas isolerade kretsar och under dem visas oisolerade kretsar. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Observera att samtliga topologier motsvarar SMPS-topologier (switch-mode power supply, switchad kraftförsörjning). Ingen topologi representerar linjär försörjning. Linjär försörjning används endast i nischade tillämpningar där det krävs extremt låga brusnivåer för utmatningen, vilket innebär att låga verkningsgrader på 20–40% kan godtas. Så pass låga brusnivåer behövs dock sällan i industriella tillämpningar.

I praktiken är det dock inte så enkelt att välja ”rätt” topologi, eftersom så många faktorer – exempelvis följande – påverkar beslutet:

• Grundläggande prestanda: inkluderar ingående och utgående reglering och transientrespons
• Robusthet: vissa topologier är, i vissa scenarier, bättre på att klara elektriska och termiska påfrestningar
• Driftläge: Strömförsörjningen kan vara kontinuerlig, pulserad eller kraftigt intermittent
• Högre krav än normalt på strömförsörjningen
• Lösningens kostnad
• Behov av isolering
• Verkningsgrad: som vi ibland kallar för ”effektivitet” i den här artikeln

AC-ledningsisolering är inbyggt i nästan alla industriella kraftomvandlare, via den transformator som levererar spänningsstegring/-sänkning, användarsäkerhet och systemprestanda. Men även med en transformator på primärsidan behöver vissa omvandlare intern ingångs-/utgångsisolering för den egna driften, för elektrisk separation av flera ledningar eller för bootstrapping av högspänningsledningar. Denna ingångs-/utgångsisolering kan implementeras genom att använda ytterligare en transformator eller optokopplare.

Verkningsgrad ofta avgörande vid designbeslut

Verkningsgraden måste ses som främsta prioritet vid alla överväganden kring industriell kraftomvandling. För batteridrivna enheter är verkningsgraden nära förknippad med drifttid, men för AC/DC-omvandlare är andra faktorer mer intressanta:

• Driftkostnader: I många industriella tillämpningar krävs hundratals eller tusentals watt. Detta är en särskilt viktig faktor eftersom många industriella tillämpningar är igång dygnet runt, veckans alla dagar.
• Bortledning av överskottsvärme: Många system har mycket hög omgivningstemperaturen, på grund av begränsad tillgång till luftcirkulation eller avsaknad av aktiv kylning. Överskottsvärmen ger påfrestningar på komponenterna, förkortar tiden till fel och leder till fler kostsamma driftstopp för reparationer. Ineffektiva kraftomvandlare bidrar ytterligare till att höja systemets omgivningstemperatur.
• Regler: Många regelverk och standarder har minimikrav för verkningsgrad beroende på tillämpning, effektnivå och region. I sådana regelverk och standarder definieras även lägsta tillåtna effektfaktorer, vilket kan innebära att man måste installera effektfaktorkompensation i kraftomvandlaren och strömförsörjningen.

Enkel matematik visar varför även små effektivitetsförbättringar är viktigt. Som exempel kan man ta en kraftomvandlare där verkningsgraden ökar från 65 % till 70 % – vilket kan tyckas vara en ganska liten förbättring, på endast fem procentenheter. Sett ur ett annat perspektiv är det detsamma som att ”ineffektiviteten” minskar från 35 % till 30 %. Också detta motsvarar en förbättring på fem procentenheter, men även en ”ineffektivitetsminskning” på 5/35, vilket är lika med 14 %. Det vill säga: Ökar verkningsgraden från 65 % till 70 %, minskar ineffektiviteten – och därmed kostnaderna och värmebelastningen och kanske även behovet av ytterligare kylning – med 14 %. Det här är en väsentlig förbättring som kommer till direkt uttryck i systemets termiska design och i lägre driftskostnader.

Uppnå högre verkningsgrad

Det finns ingen allenagörande mirakelkur som leder till en AC/DC-omvandlarkonstruktion med högre verkningsgrad. I stället används en kombination av storskaliga och småskaliga strategier för att åstadkomma ett antal förbättringar:

• Att välja en bra kärntopologi för omvandlaren och bestämma vilken switchningsfrekvens som fungerar bäst för den aktuella topologin och effektnivån. Lämplig frekvens är vanligen mellan 100 kHz och 1 MHz.
• Optimera kretsen: Många små källor bidrar till ineffektivitet i en konstruktion. Systemkonstruktörerna har identifierat sätt att helt eller delvis eliminera sådana källor. Flera sådana förbättringar i kombination kan inverka väsentligt på resultatet.
• Använda aktiva och passiva komponenter som var för sig bidrar till högre effektivitet: För kraftenheter (MOSFET:ar) och vissa dioder innebär det här numera att övergå till kiselkarbidteknik.

Kiselkarbidteknik är för närvarande den främsta kandidaten för nästa generations lågförlustswitchar och blockeringselement, tack vare låg on-resistans och överlägsna egenskaper vid höga temperaturer. Kiselkarbidkomponenter erbjuder många fördelar jämfört med kiselkomponenter, tack vare högre genombrottsspänningar och andra egenskaper, däribland:

• Mycket högre kritisk elektrisk fältspänning för överslag, så att drift vid en given spänning kan ske med ett mycket tunnare skikt, vilket minskar resistansen betydligt.
• Högre termisk konduktivitet, vilket ger högre strömdensitet i tvärsnittet.
• Bredare bandgap, vilket ger mindre läckströmmar vid höga temperaturer. Av det här skälet brukar kiselkarbiddioder och FET-enheter ofta bära namn som innefattar förkortningen ”WBG” (wide bandgap, brett bandgap).

Det här innebär i grova drag att kiselkarbidbaserade MOSFET-enheter – jämfört med kiselenheter – kan blockera spänningar som är upp till tio gånger större, och att de kan switcha ca tio gånger snabbare med en on-resistans som är högst hälften vid 25 °C. Samtidigt klarar de mycket högre drifttemperaturer – 200 °C i stället för 125 °C – vilket förenklar termisk design och hantering.

Ett exempel på krafthanteringskapaciteten hos en kiselkarbidswitch ges av ROHM Semiconductors SCT3105KRC14, en 1 200 V, 24 A, N-kanals kiselkarbid-MOSFET med en typisk R_DS(on) på 105 mΩ. Enheten uppvisar gynnsamma egenskaper beträffande termisk resistans – den når snabbt sitt maxvärde för den pålagda pulsbredden (figur 3).

Figur 3: SCT3105KRC14 från ROHM, en 1 200 V, 24 A, N-kanals kiselkarbid-MOSFET, har termiska egenskaper som gör att den snabbt når jämvikt, även med pulsdrivning. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Diskreta eller integrerade kraftsystem

Ett alternativ för lägre effektnivåer är att välja en integrerad krets där omvandlarens regulator kombineras med en tillhörande omkopplare. Fördelen med ett sådant system är att kopplingen mellan regulatorn och kraftenheten ger en optimerad väg. De oundvikliga parasitströmmarna framgår av databladets specifikationer. Dessutom minimeras behovet av externa komponenter, vilket illustreras av ROHMs BD9G341AEFJ-E2, en buck-switchande regulator med en integrerad 150 mΩ fälteffekt-MOSFET (figur 4).

Figur 4: I BD9G341AEFJ-E2, ROHMs buck-switchande regulator, integreras en MOSFET med styrenheten, vilket minimerar behovet av externa kretsar och samtidigt ger möjlighet att karaktärisera lösningen i stort sett exakt. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Den här kompakta HTSOP-J8-enheten mäter endast 4,9 × 6,0 × 1,0 mm och är mycket väl lämpad för industriell kraftdistribution. Den klarar inspänningar på 12–76 V och levererar upp till 3 A ut. Arkitekturen ger snabb transientrespons, enkel faskompensation och möjlighet att ställa in switchfrekvensen från 50 kHz till 750 kHz.

Allteftersom effektnivåerna (och därmed spännings- och strömnivåerna) ökar, får kraftkomponenternas format allt större betydelse och det blir allt mer komplicerat att använda separata enheter. I sådana situationer kan en färdig modul med två eller fler kraftenheter vara ett bra alternativ. Ett exempel är ROHMs BSM300D12P2E001, en halvbryggsmodul med två kiselkarbid double-diffusion MOSFET:ar (DMOSFET) och kiselkarbidbaserade schottkydioder som klarar 1 200 V och 300 A (figur 5).

Figur 5: BSM300D12P2E001-modulen från ROHM, innehåller två anslutna kiselkarbid-DMOSFET:ar och kiselkarbidbaserade schottkydioder, vilket ger en förenklad struktur för MOSFET:ar i ett halvbryggssystem och gör det enklare att precisera utprestandan. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

När MOSFET:arna och deras dioder inkluderas i en gemensam modul, optimeras prestandan för hela enheten, som har formen av en avlång tunn bricka med måtten 152 × 62 × 17 mm (figur 6). Modulen innehåller också en oberoende temperatursensor (NTC-termistor) för möjlighet att bevaka den termiska situationen. Konstruktionen i sig ”uppmuntrar” till förbättrad värmehantering – en viktig aspekt på den här spännings- och strömnivån – eftersom det är lättare att ansluta komponenterna till ett kretskort eller en kylfläns, med bibehållen mekanisk integritet och robust anslutning av ledningarna.

Figur 6: Halvbryggsmodulen BSM300D12P2E001 från ROHM förenklar värmehantering, fysisk montering och anslutning av komponenter. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Vikten av drivkretsar för effektiv omvandlarfunktion

Oavsett om de är kisel- eller kiselkarbidbaserade, måste MOSFET:ar switchas på och av med hänsyn till många faktorer, exempelvis gatedrivspänningar, strömmar, transienter, översvägningar, ingångskapacitans, induktans och många andra statiska och dynamiska faktorer. En gatedrivkrets är ett gränssnitt mellan en relativt enkel lågnivåsignal från en styrprocessors utgång och gateingången på switchenheten. Gatedrivkretsen är en typ av kraftomvandlare med en utmatning som motsvarar kraven för den kraftenhet som är lasten.

När två switchenheter används i ett gemensamt system, såsom en halv- eller helbrygga, måste drivblocket även se till att enheterna på högsidan och lågsidan aldrig slås på samtidigt ens ett kort ögonblick, eftersom det skulle orsaka kortslutning mellan kraftledningen och jord. I vissa kraftenhetstillämpningar måste dessutom en eller båda kraftenhetsvägarna vara galvaniskt isolerade från systemjorden, men ändå leverera tillräckliga prestanda.

För att möta kraven erbjuder vissa tillverkare integrerade drivkretsar som är särskilt utformade för en eller flera av de egna switchenheterna. Ett exempel är Tamura/ROHMs 2DU180506MR02 – en integrerad gatedrivkrets som kompletterar den ovan beskrivna halvbryggsmodulen från ROHM. Den integrerade drivkretsen gör det enklare att leverera specificerad drivning till modulen och tillhandahåller även ett antal skyddsfunktioner (figur 7).

Figur 7: Den integrerade gatedrivkretsen 2DU180506MR02 från Tamura/ROHM är särskilt utformad för att fungera som ett komplett gränssnitt mellan en styrprocessor och halvbryggsmodulen BSM300D12P2E001 från ROHM. (Bildkälla: Tamura)

Gatedrivkretsen, som har formen av en liten modul med höjden 24 mm, monteras på ett kretskort med måtten 65 × 100 mm. Kortet har anslutningar för DC-ström, processorgränssnitt och kraftmoduldrivning. Gatedrivkretsen levererar även övervakningsfunktioner som krävs för nästan alla kraftenheter, i synnerhet enheter i industriella system. Exempel på sådana övervakningsfunktioner är överlastskydd, överhettningsskydd (angränsar mot termistorn, som är en del av kraftmodulen), underspänningsspärr och en felindikator för gatedrivningen.

Andra typer av gatedrivkretsar av halvbryggstyp har mer generella användningsområden. BM60212FV från ROHM är en 1 200 volts integrerad gatedrivkrets (högsida och lågsida) för N-kanals MOSFET:ar och IGBT-transistorer (figur 8). En kärnfri transformator används för att ge magnetisk isolering och implementera nödvändig nivåväxling för högsidan. Enheten klassas dock som en oisolerad gatedrivkrets, eftersom övriga interna funktioner inte är isolerade.

Figur 8: BM60212FV, ROHMs integrerade högsides- och lågsidesdrivkrets, använder magnetisk isolering i nivåväxlingskretsen för högsidan. Lågsidan är inte isolerad. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

Den kompakta enheten, i en SSOP-20W-kapsel med måtten 6,5 × 8,1 × 2,0 mm, är kompatibel med 3 V- och 5 V drivsignaler och innehåller bland annat underspänningsspärr. Observera att den integrerade kretsen är AEC-Q100-kvalificerad, vilket innebär att den uppfyller de strikta kraven för användning i bilindustrin. ”Kvalificerad för bilindustrin” är visserligen inte samma sak som ”industriell” men en del konstruktörer föredrar ändå att använda AEC-Q100-kvalificerade delar i sina system, som ett sätt att förbättra produkternas tillförlitlighet i industriella miljöer, vilka ofta präglas av tuffa förhållanden, exempelvis elektriska stötpulser och elektromagnetiska störningar/radiofrekvensstörningar, höga temperaturer och mekaniska fel på grund av temperaturväxlingar och vibrationer.

Mäta strömmen

I många kraftomvandlingssystem måste man känna till hur mycket ström som flyter från utgången till lasten. I industriella tillämpningar är den kunskapen näst intill avgörande. I vissa fall behövs strömvärdet för att ge återkoppling till omvandlaren i en sluten slinga, och i industriella miljöer behövs värdet för att övervaka lasten och olika tillstånd, exempelvis motorstopp. Ett sätt att kontinuerligt mäta strömmen i realtid är att registrera spänningen över en resistor som är seriekopplad med lasten. ”Shuntmotstånd” är en vanlig benämning på en sådan resistor, men det är en missvisande term i det här sammanhanget.

Teoretiskt är det här sättet att mäta strömmen en enkel tillämpning av Ohms lag. I praktiken, exempelvis i industriella system med högströmsomvandling, finns det ett antal utmaningar att tackla. Först måste konstruktören bestämma ett lämpligt resistansvärde. Här måste vissa avvägningar göras: Ett motstånd med högre värde ger större spänningsfall och därmed bättre upplösning och brusimmunitet. Men det minskar också spänningen till lasten och kan försämra stabiliteten i last-/styrenhetsslingan.

En bra utgångspunkt är i allmänhet att välja ett resistansvärde som ger ett spänningsfall på ca 100 mV vid maximal ström. Det brukar röra sig om resistansvärden i milliohm-området, vilket är mycket mindre än de kiloohm-värden (eller ännu högre) som är vanliga i andra kretsfunktioner.

När ett resistansvärde har bestämts, måste konstruktören välja en specifik fysisk komponent. På grund av de höga strömvärdena måste motståndet ha relativt hög märkeffekt jämfört med andra motstånd. Vidare måste det fungera precist vid rumstemperatur – kombinationen av material och teknik måste ge en låg temperaturkoefficient. Med en låg temperaturkoefficient ändras inte resistansvärdet nämnvärt vid förhöjd omgivningstemperatur eller på grund av egenvärme.

Shuntmotståndet PSR400ITQFF0L50 från ROHM är ett bra exempel på hur avancerad den här lilla passiva komponenten är. Det är en 500 mikroohms – ja, en halv milliohm ±1 % – fyra watts metallenhet (figur 9).

Figur 9: Ett strömavkännande motstånd, såsom PSR400ITQFF0L50 från ROHM – är en avancerad passiv komponent, bestående av särskilda material och tillverkad med särskilda metoder. Komponenten har mycket låg temperaturkoefficient och det nominella värdet är nere i milliohm-området. (Bildkälla: ROHM Semiconductor)

PSR400ITQFF0L50 ser knappast ut som så mycket mer än en böjd metallbit, men skenet bedrar. Komponenten har måtten 5,2 × 10 mm och består av en noggrant avvägd blandning av koppar och metallhydrider som ger en temperaturkoefficient på ±175 ppm/⁰C. I samma familj finns strömavkännande motstånd med lägre och högre temperaturkoefficienter. Ett enklare motstånd av standardtyp har, som jämförelse, en temperaturkoefficient på ca ±2 000 till ±4 000 ppm/⁰C, dvs. mellan 10 och 20 gånger högre än det avancerade shuntmotstånd som beskrivs ovan.

När shuntmotstånd används vid höga strömvärden är den fysiska monteringen och kylningen viktiga överväganden, liksom de elektriska anslutningarna. Med ett motstånd för milliohm-området måste de obligatoriska fyrtrådiga Kelvin-anslutningarna ha extremt låg resistans. De måste också placeras där de ger korrekta mätvärden som inte störs av anslutningsresistanserna.

Sammanfattning

Vid utveckling av industriella strömförsörjnings- och omvandlingssystem ställs konstruktören inför unika utmaningar då det gäller att uppfylla kraven för prestanda, kostnad, utrymme och tillförlitlighet i användningsmiljöer med tuffa förhållanden. Vid höga effektnivåer krävs det noggranna överväganden beträffande verkningsgrad, kylning och komponentmått. Även gatedrivkretsar och strömavkänning måste tänkas igenom.

Baserat på den aktuella tillämpningens förutsättningar kan de grundläggande byggstenarna för industriell strömförsörjning – däribland diskreta enheter samt integrerade och modulära kraftenheter – användas för att klara utmaningarna inom strömförsörjning och omvandling i industriella system.

Referenser

1. ROHM, ”AC/DC Converter IC Guidelines”
2. ROHM, ”AC/DC Converter IC Support Page”