SiC632 opis działania układu

Sprawa jest banalna - wszystkie przetwornice tego typu (przepustowe, ang. forward) działają w oparciu o zjawisko samoindukcji cewki. Gdy górny tranzystor jest zwarty, cewka (a właściwie to jej ferromagnetyczny rdzeń) jest magnesowana na skutek przepływającego przez nią prądu. Obwody, podłączone do wyjścia przetwornicy (zielony rezystor jako obwód zastępczy) zamykają obwód przepływu prądu. Przepływ prądu oraz polaryzację cewki w tej fazie pokazują czerwone linie i strzałki. Gdy górny tranzystor przestaje przewodzić, cewka ulega zjawisku samoindukcji, zmieniając kierunek przepływu prądu i stając się swoistym źródłem prądu. Przepływ prądu oraz polaryzację cewki w tej fazie pokazują niebieskie linie i strzałki.

Jak można zauważyć, prąd, który przepływa przez obciążenie, ma ten sam kierunek w obu fazach. Zamknięcie obwodu w drugiej fazie jest realizowane przez dolny tranzystor - a właściwie to przez wbudowaną weń diodę, która jest pasożytniczą strukturą każdego tranzystora typu MOSFET, ale dla poprawienia efektywności oraz redukcji strat mocy w tej fazie, stosuje się właśnie tranzystory MOSFET jako dodatkowy klucz, zmniejszający rezystancję tego obwodu.



Obydwa tranzystory są załączane naprzemiennie - czyli w jednym momencie tylko jeden z tranzystorów jest zwarty, zaś drugi w tym czasie jest rozwarty. Częstotliwość przełączania wynosi zwykle kilkaset tysięcy razy na sekundę do nawet miliona razy na sekundę. Konstrukcja przetwornicy przewiduje także stosowny zapas tzw. "czasu martwego", czyli czasu, jaki upływa pomiędzy wyłączeniem jednego z tranzystorów i załączeniem drugiego. W momencie odłączenia tranzystora przez sterownik, nie przestanie on przewodzić natychmiast, ale z pewną zwłoką (trwającą zwykle kilka nanosekund). Zwłoka ta wynika z faktu, że MOSFET nie jest w praktyce strukturą idealną (żaden element elektroniczny nie jest, gwoli ścisłości), toteż charakteryzuje się pewnymi wielkościami pasożytniczymi, jak np. pojemność bramki, które powodują tę zwłokę.

kamil1986 napisał(a):jeśli dobrze zrozumiałem to dolny tranzystor że tak powiem odzyskuję energię wytworzoną przez cewkę i kieruje ją z powrotem do odbiornika.

Nie do końca, choć w istocie energia z cewki przechodzi przez dolny klucz. Ma on za zadanie redukcję spadku napięcia na pasożytniczej diodzie do wartości bliskiej 0V podczas drugiej fazy pracy przetwornicy. W starszych płytach możesz spotkać się z rozwiązaniem, które nie ma w ogóle dolnego tranzystora, lecz właśnie diodę (najczęściej Shottky'ego). Na przykład:

kamil1986 napisał(a):Jeśli oba tranzystory zostaną włączone w tym samym momencie lub jeden z nich zostanie zwarty Dren-źródło to układ spowoduje zwarcie i wywali bezpiecznik?

W zasadzie tak - choć we współczesnych konstrukcjach spowoduje to najczęściej zadziałanie zabezpieczenia przeciążeniowego (tranzystory wejściowe). Ponadto, współczesne sterowniki przetwornic coraz częściej zawierają już obwody, które wykrywają zwarcie danego tranzystora i nie pozwolą na załączenie drugiego (tego, który zwarcia nie ma).

Znów NIE. Cewka podtrzymuje przepływ prądu na obciążeniu (ten sam kierunek przepływu prądu na obciążeniu, odwrotny na samej cewce) podczas drugiej fazy pracy przetwornicy, co pozwala zredukować pojemności filtrujące do minimum - zauważ, że na wyjściach przetwornic o wydajności ok. 5-6A znajdują się kondensatory o pojemności nieprzekraczającej 330uF. W przypadku konwencjonalnego prostownika prądu przemiennego, pojemność na wyjściu musiałaby być jakieś 15x większa. A w przypadku przetwornicy CPU, gdzie wydajność przetwornicy wynosi 50-60A - jakieś 150x większa.

Wyobraź sobie teraz mostek prostowniczy jednopołówkowy (obrazek poniżej, górna część). Prąd przemienny, płynący w pierwszej fazie prostowania, otwiera diodę, natomiast w drugiej fazie dioda jest zablokowana i przez diodę nie płynie prąd, a jedynie kondensator podtrzymuje przepływ prądu na obciążeniu (rezystor). Zatem podczas pełnego okresu prądu kondensator filtrujący jest doładowywany tylko raz (w przypadku prądu o częstotliwości 50Hz jest to 50 razy na sekundę). A teraz wyobraź sobie mostek pełnookresowy (np. mostek Graetz'a - obrazek, dolna część) - w tym wypadku zarówno dla dodatniej jak i ujemnej połówki sinusoidy kondensator jest doładowywany (w przypadku prądu o częstotliwości 50Hz jest to 100 razy na sekundę). Jeśli dla obu prostowników zastosujemy kondensator filtrujący o tej samej pojemności, to szybko natrafimy na problem z prostownikiem jednopołówkowym - napięcie na wyjściu tego prostownika będzie miało znacznie większe tętnienia, niż w przypadku prostownika pełnookresowego. Z tego względu przy prostownikach jednopołówkowych stosuje się dwukrotnie większe pojemności na wyjściu, niż w pełnookresowym odpowiedniku, bądź używa się ich w obwodach o bardzo małym poborze prądu, gdzie obciążenie nie zdąży rozładować kondensatora przed kolejną fazą doładowania. I tę rolę pełni w przetwornicach cewka - podtrzymuje przepływ prądu na obciążeniu, gdy górny klucz jest wyłączony. Dzięki temu konstruktorzy nie muszą stosować na wyjściach przetwornic baterii 15 do nawet 150 (słownie: STU PIĘĆDZIESIĘCIU) kondensatorów tantalowych o pojemności 330uF. A zatem napięcie i prąd, "wyindukowane" na tej cewce, są najbardziej istotnym elementem w pracy takiej przetwornicy.

drill napisał(a):ale co mnie mocno zdziwiło to czas przez jaki otwarty jest górny tranzystor względem jednego cyklu.

Tranzystor jest otwierany na taki czas, aby nie doprowadzić do nasycenia rdzenia cewki - spowodowałoby to bowiem drastyczny spadek jej indukcyjności, a w konsekwencji katastrofalne pogorszenie sprawności całej przetwornicy. Dlatego też czas otwarcia górnego tranzystora jest dobrany bardzo precyzyjnie, z ledwie minimalnym odstępem poniżej progu nasycenia rdzenia cewki.

Proszę wyobrazić sobie garnek (cewka), do którego nalewamy wody (prąd), aby ją zagotować - przy czym jednorazowo chcemy zagotować największą możliwą ilość wody (sprawność przetwornicy). Jeśli nalejemy wodę po samą krawędź garnka, podczas gotowania część wody wypłynie poza garnek (stopniowe nasycanie się rdzenia cewki) i w najgorszym razie zaleje nam palnik i zgasi płomień (rdzeń nasycony). Aby temu zapobiec, nalewamy więc wodę nieznacznie poniżej górnej krawędzi garnka (czas otwarcia górnego tranzystora ustawiony nieznacznie poniżej progu nasycenia rdzenia).

Na powyższym obrazku widzimy przebiegi sterujące na bramkach tranzystorów. Proszę jednakże pamiętać, że w przypadku przetwornicy CPU, która ma zwykle nie jedną, ale dwie, trzy lub nawet cztery fazy (z uwagi na bardzo dużą wydajność prądową, sięgającą 50-60A), powyższy przebieg ilustruje zależności czasowe tylko jednej z nich. Pozostałe fazy są względem tej na obrazku przesunięte i w żadnym wypadku nie nakładają się na siebie. Wystarczy wyobrazić sobie pianino, na którym gramy ciągle tę samą "wprawkę" - Do, Re, Mi, Do, Re, Mi, Do, Re... itd., w równych odstępach czasowych naciskając kolejne klawisze. Dzięki temu uzyskujemy ciągłość dźwięków, bez słyszalnej przerwy między nimi - tak samo działa wielofazowa przetwornica CPU.

Patrząc na obrazek, można łatwo ocenić, że jest to przebieg przetwornicy 3-fazowej - nałóżmy przebiegi pozostałych faz i już widzimy jak na dłoni analogię z pianinem: