Idealne mostki prostownicze

Mówiąc najprościej, „idealna dioda” wykorzystuje tranzystor MOSFET mocy z układem sterującym, który zastępuje diodę prostowniczą. Połączenie czterech takich tranzystorów tworzy „Idealny mostek prostowniczy”.

Chociaż nie są one w pełni idealne, na pewno są bliżej ideału niż zwykła dioda, z napięciem przewodzenia (a tym samym stratami mocy i rozpraszaniem ciepła) zwykle wynoszącym około 1/10 napięcia zwykłej diody.

Pomysł taki przykuł moją uwagę, ponieważ zdałem sobie sprawę, że pozwoli to budować urządzenia takie jak wzmacniacze mocy lub zasilacze, które działają wydajniej, dostarczając więcej mocy, ponieważ odznaczają się mniejszymi stratami w mostku. W mostkach prostowniczych stosowanych w dużych wzmacniaczach mocy konieczne jest stosowanie wielu radiatorów! Przy dużym obciążeniu mogą one rozpraszać dziesiątki watów.

Wszystko to zmienia się wraz z tym projektem, który stanowi bezpośredni zamiennik wielu istniejących mostków prostowniczych.

Projektując mój Inteligentny podwójny zasilacz hybrydowy (siliconchip.au/Series/377, luty i marzec 2022, oraz EdW listopad i grudzień 2024), żałowałem, że nie miałem czasu, aby zagłębić się w te aktywne mostki, ponieważ straty mocy w wysokoprądowym mostku zasilającym DC są również znaczące. Na przykład:

Mostek prostowniczy PB1004 10 A (Altronics Cat Z0085) ma spadek napięcia w kierunku przewodzenia ponad 1 V przy 5 A lub 2 V na mostku. Oznacza to, że rozprasza moc 10 W przy 5 A.

Mostek prostowniczy KBPC3510 35 A (Altronics Cat Z0091A) ma spadek napięcia 1 V przy 10 A, co skutkuje stratą 2 V na mostku i rozproszeniem 20 W przy 10 A.

Spadek napięcia o 2 V można opanować zwiększając napięcie transformatora, chociaż czasami bywa to kłopotliwe. Jednak transformatory często są dostarczane z napięciami nominalnymi zmieniającymi się co 5 V, a to oznacza to, że aby zrekompensować ten stosunkowo niewielki spadek napięcia, można marnować dużo energii.

Z drugiej strony, rozpraszanie 10 W...20 W jest kłopotliwe, ponieważ wymaga znacznego radiatora i wymusza podejmowanie określonych decyzji dotyczących fizycznego układu podzespołów na płytce.

Zalety i wady

Dla porównania, jeśli użyjemy sterownika „idealnego mostka” LT4320 i MOFET-ów mocy TK6R9P08QM, zaobserwujemy na tranzystorze maksymalny spadek 70 mV przy 10 A. Stanowi to łącznie 1,4 W lub około 1/10 ciepła wydzielanego w standardowym mostku prostowniczym!

Na czym więc polega haczyk i dlaczego nie są one używane wszędzie? Podejrzewam, że jest kilka powodów:

1. Jedną z komplikacji, z którą należy się uporać, jest generowanie napięcia V_GS dla tranzystora MOSFET z kanałem N. Do wysterowania bramki niezbędne jest napięcie znacznie przewyższające napięcie źródła.
2. W przypadku mostka potrzebne są cztery MOSFET-y mocy i sterownik, co zwiększa liczbę elementów i koszty.
3. Prawdziwe korzyści uzyskuje się podczas prostowania niższych napięć przy wysokich prądach lub gdy nie można pozwolić sobie na straty w systemie (lub gdy niezbędna jest wysoka wydajność).
4. Ze względu na sposób sterowania i przełączania, w najprostszym rozwiązaniu z półki, zasilacz z dwoma szynami (np. dla wzmacniacza mocy) wymagane są dwa mostki, z których każdy jest zasilany przez jedno z dwóch uzwojeń wtórnych.
5. Wyprostowane napięcie szyny wyjściowej musi utrzymywać się powyżej 9 V, w przeciwnym razie mogą występować niepożądane efekty (więcej na ten temat w dalszej części artykułu).

Najlepsze przypadki zastosowania idealnego prostownika z mostkiem diodowym to sytuacje, w których przestrzeń i zdolność do rozpraszania mocy są ograniczone, gdzie spadek napięcia z transformatora jest niepożądany i gdzie konieczne jest prostowanie niższych napięć przy wyższych prądach.

Jeśli chodzi o wykorzystanie tranzystorów MOSFET do zastąpienia diod, warto zauważyć rosnące wykorzystanie „synchronicznych” przetwornic impulsowych. W tym przypadku zwykłe diody Schottky’ego są zastępowane przez MOSFET-y mocy. Wiele synchronicznych przetwornic impulsowych zawiera wyjście do sterowania MOSFET-ami zastępującymi diody, co skutkuje zwiększoną wydajnością.

Podejście projektowe

Chcąc zbadać tę technologię, nasze wysiłki skupiły się na zintegrowanym rozwiązaniu. Zależało nam na opcji, która mogłaby zostać zastosowana w szeregu projektów i zaprezentować potencjał tej technologii, bez konieczności komplikowania konstrukcji, ani zwiększania kosztów urządzenia,

Przegląd idealnych układów scalonych sterowników diodowych pokazuje, że wiele z nich jest przeznaczonych do zastosowań hot-swap i redundantnych zasilaczy. W takim przypadku wiele zasilaczy jest połączonych w konfigurację „OR”, dzięki czemu w przypadku awarii jednego zasilacza, drugi przejmuje obciążenie. W zastosowaniach serwerowych prądy zasilania mogą być bardzo duże, więc zmniejszenie strat diod ma kluczowe znaczenie.

Znaleźliśmy również kilka sterowników do zastosowań motoryzacyjnych, w alternatorach i zabezpieczeniach obwodów. Są one zazwyczaj przeznaczone do urządzeń z jedną linią zasilającą i nie nadają się do bardziej ogólnego prostowania prądu przemiennego. W szczególności, w większości z nich jest stosowana dioda do obsługi samego obwodu. Ogranicza to ich zastosowanie jako ogólnych zamienników diod.

Asortyment dostępnych elementów w tej dziedzinie stale rośnie, więc na rynku pojawiają się nowe układy scalone, które są przydatne w wielu zastosowaniach. W tym projekcie pokazujemy, jak wykorzystać najbardziej dostępny układ scalony sterownika i zbudować szereg „idealnych mostków diodowych”, które mogą w różnych projektach zastąpić konwencjonalne mostki diodowe.

Sterownik, który wybraliśmy, to LT4320. Pozwala on na budowę prostych i kompaktowych płytek, począwszy od małych mostków opartych na tranzystorze MOSFET w obudowie SOT-23, poprzez DPAK (TO-252), aż po bardzo wysokoprądowe wersje TO-220 przeznaczone do montażu przewlekanego. Gdzie można wykorzystać każdy z nich?

• Mostek oparty na elementach w obudowie SOT-23 ma wymiary zaledwie 9 mm × 15 mm i może być stosowany bezpośrednio na zasilaniu DC urządzenia, może być też wlutowany zamiast małego mostka. Dzięki temu przewód zasilający urządzenia będzie niezależny od polaryzacji, bez zauważalnego wpływu na jego działanie.
• Nasze płytki wykorzystujące MOSFET-y SMD DPAK mogą zastąpić popularne mostki SIL 19 mm o rastrze 5 mm lub prostokątne mostki z narożnymi pinami lub złączami widełkowymi (zdjęcie powyżej) i obsługiwać duże prądy.
• Są również dwie „samodzielne” wersje będące w zasadzie tylko małymi płytkami, które można zamontować w obudowie, aby zapewnić funkcję prostowania. Jedna z nich wykorzystuje MOSFET-y w obudowach TO-220 oraz inne elementy przewlekane i może obsługiwać bardzo duże prądy, ograniczone głównie przez samą płytkę drukowaną!

Niestety, jest też kilka ograniczeń lub wymagań, z którymi musimy się zmierzyć, a które początkowo mogą wydawać się uciążliwe. Jednak w rzeczywistych zastosowaniach nie są one trudne do spełnienia:

• LT4320 działa tylko w konfiguracji „single-rail”.
• W przypadku wzmacniacza audio należy niezależnie wyprostować wyjścia dwóch uzwojeń wtórnych. Następnie należy podłączyć ujemne wyjście z jednego mostka do dodatniego wyjścia z drugiego mostka, aby uzyskać rozdzielone zasilanie, zwykle na głównej baterii kondensatorów.
• Osiągnęliśmy kompatybilność pinów dla wszystkich większych typów mostków. Jednak mostki typu DIP-8 i W02/W04 są nieco za małe, abyśmy mogli je dopasować, więc jeśli wymieniasz jeden z nich, będziesz musiał zamontować wersję w obudowie SOT-23.
• Minimalne dozwolone napięcie wyjściowe wynosi 9 V DC, a maksymalne napięcie szczytowe to 72 V. Oznacza to, że aby zapewnić rozsądne marginesy bezpieczeństwa, powinniśmy ograniczyć napięcie wejściowe AC do 40 V RMS. Musimy zapewnić minimalne napięcie wyjściowe prostownika, które nie spadnie podczas pracy poniżej 9 V.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz