Kai Johnstad, VICOR
כאשר מערך של ממירי DC to DC ממותגים מחובר במקביל לקבלת הספק יציאה גבוה יותר, הפרשים בתדרי העבודה גורמים להיווצרות פעימות תדר (beat frequencies) על גבי קו
common input bus.
התוצאה היא עליה לא רצויה של זרם ripple AC במעגלי הכניסה של הממירים.
על ידי סינון כניסה פשוט, ניתן לצמצם משמעותית את ה- ripple AC.
ממירי DC-DC העובדים בתדרי עבודה גבוהים יותר (מעל 1Mhz) מאפשרים שימוש ברכיבי סינון קטנים יותר, מה שמתאים במיוחד למערכות בהם גודל ומשקל הם נתונים בעלי חשיבות.
בעוד ממיר DC-DC יחיד הוא בד”כ פתרון מועדף, ישנם מקרים רבים, כמו לדוגמא במערכות צבאיות, בהם נדרשים שניים או יותר ממירים על מנת לספק את דרישות ההספק. באפליקציות מסוג זה, אפשרי חיבור מערך של שניים או יותר ממירי
DC to DC במקביל על מנת לספק את ההספק הנדרש.
במקרים אחרים, בהם אפליקציות צריכות להיות מוקשחות, ו-fault tolerant (יכולת של מערכת להמשיך לפעול גם לאחר תקלה), חיבור ספקי כח בקונפיגורציה N+1 redundant הוא פתרון העונה על דרישה זאת.
ביישומי אפליקציות צבאיות בהן תקלה בספק עלולה להיות הרת אסון, משתמשים בחיבור N+1 של ספקים זהים על מנת להבטיח רמת אמינות גבוהה. בזכות היתירות (redundancy) מערכת
fault tolerant מבטיחה שקיימת לפחות יחידת ספק אחת מעבר לנדרש על מנת להבטיח את דרישות העומס במקרה של תקלה בממיר.
אם ממירי DC-DC במערך פועלים מאותה הזנה, הם יהיו בדרך כלל ערוכים ליהנות מיתרון שיתוף פתרונות תרמיים והסיכוך, תוך חיסכון שטח מבנה. למרות היותם של הממירים מאותו סוג, הפרעות בתדר מיתוג עלולות להופיע, אלא אם כן הממירים שנבחרו מאפשרים סנכרון ביניהם.
כתוצאה משוני והבדלים בין ממירי
ה-DC to DC הלא מסונכרנים העובדים במקביל מאותו קו מתח כניסה, יתכנו הבדלים קטנים בתדר העבודה של ממירים אלו. הבדל זה בתדרי עבודה של הממירים גורם להיווצרות פעימות תדר
(beat frequencies) לא רצויות בזרם הכניסה של מערך הממירים. כתוצאה מכך רמת זרמי ה-ripple AC במעגלי הכניסה של הממירים גדלה.
בעוד שממירים המציעים סנכרון ביניהם מונעים את תופעת פעימת התדר כיוון שבדרך זאת אין יותר הפרעות תדר, אפשרויות בחירת ממירים סטנדרטים מסוג זה “מהמדף” מוגבלות, בעיה אשר עלולה להוביל לירידת הנצילות הכוללת וצפיפות ההספק. ע”י מימוש פילטרי כניסה פשוטים, ניתן בקלות לדכות משמעותית את רמת זרמי ה-ripple בכניסה של מערך הממירים ביחד עם מרכיבי פעימות התדר, וכתוצאה מכך גם לקחת בחשבון שימוש בממירים לא מסונכרנים.
פעימות תדר במערך מקבילי של ממירי DC-DC
כדי להדגים את הבעיה ואת השפעת סינון מתח הכניסה, הבה נתבונן על מערכות הספק צבאיות כדוגמת משדר RF או רדיו microwave link, הדורשים הספק משמעותי. לדוגמה, מערכת הדורשת 2.1 KW הספק יציאה מספק
MIL-STD-704E, מחברת שמונה ממירים במקביל של 270W כל אחד, כדי ליצור מערך DC-DC בהספק גבוה. לצורכי הפשטה, מערך מצומצם של שני ממירי 270W Sine Amplitude Bus מחוברים במקביל הנותן הספק כולל של
540W – ישמש לצורכי המדידה.
למרות העובדה כי ממירי Sine Amplitude Bus ממתגים בתדרים קבועים של כמה מגה הרץ, השונות של רכיבי הממירים בתוך המשפחה תגרום לעבודה בתדר מיתוג שונה במקצת בממירים השונים. האינטראקציה בין רעש המיתוג של כל ממיר DC-DC במערך יוצרת פעימת תדר בלתי רצויה, ככפולות של ההפרשים בין תדרי העבודה של הממירים.
השפעת פעימת התדר הבלתי רצויה בולטת במיוחד בזרמי ה-ripple הסובבים בין ממירי DC-DC של המערך. זרמי ה-ripple של תדרי המיתוג מתווספים ליצירת אפנון אמפליטודה של מעטפת זרם ה-ripple של כל הממירים. למשל, במערך ממירי
DC to DC מקבילים שתואר קודם לכן ומערך בדיקה בתרשים 1, זוג ממירים מחוברים יחדיו על אותו bus עם תדר מיתוג נומינלי של 1.7 מגה-הרץ, יכול להיות בפועל בעל תדרי מיתוג של
f1 = kHz 1700 ,f2 = kHz 1702.7. הפרש
של ה-2.7 קילו-הרץ בין השנים, פרושו כי הזרם כניסה הכולל יהיה בעל מרכיב קטן יותר של התדר נמוך במרכיבי ה-ripple.
במהלך פרקי זמן כאשר אמפליטודות ה-ripple גבוהות ביותר, הפסדי הנחושת בחיווט בין שני הממירים בדוגמא גבוהים יותר מכפי שצריך להיות – זרם
ה-ripple AC הסובב אינו משמש את ממירי ה-DC to DC, אך עדיין זורם דרך מוליכים בעלי התנגדות סופית. תוספת גבוהה של ערכי זרם ripple עלולה לגרום למאמצים על קבלי כניסה bypass capacitors – לגרום להגברת הרעש במערכתו זאת בתלות בעריכת הכרטיס המודפס. במקרים מסוימים circulating currents אלו יכולים להשפיע על רמת האמפליטודה ולהוביל להתנהגות לא חזויה של הממיר עצמו כדוגמת גילוי שגוי של מצב זרם יתר בתוך המודול.
בכדי להדגים מעשית את הבעיה של הגברת ה-ripple בכניסה ויצירת מרכיבי פעימות בתדר נמוך, זוג של ממירי מתח גבוה BCM ,270W מחובר כמערך מקבילי בסיסי, כפי שמוצג בתרשים 1. למדידה ראשונית, סלילי כניסה L1 ו-L2 אינם כלולים ואין גם שום סינון בכניסה מעבר לקבלי C1 ו- (bypass). בשל התדר האסינכרוני של שני המודולים במערך, תדרי ה-ripple של זרמי כניסה גם הם שונים. עם כניסה משותפת וללא סינון השראתי, זרמי ה-ripple AC מתערבבים ויוצרים ripple עם אפנון אמפליטודה בהתבסס על פעימת התדר הנמוך כפי שפורט להלן.
מערך זה נבנה משני ממירי
(bus converters) הפועלים במתח כניסה – 270 וולט ו-45 וולט מתח יציאה. תדר העבודה הבסיסי עבור דגם זה של ממיר הוא 1.7 מגה-הרץ. שוב נתחיל עם מעגל בלי הסלילים המוצגים קודם בכניסה. ה-ripple של זרם כניסה, בכניסה לאחד המודולים, כמוצג בתרשים 1, נמדד. דיאגרמת הזמן של תוצאות הביצועים מוצגת בתרשים 2 (א). עבור מערך קוי זרם בכניסה של המערך הנבדק, הזרם הכולל היה כ-2.1 אמפר DC בתנאי עומס מלא.
דיכוי הפעימות
בעזרת פילטר כניסה פשוט למדי, זרמי ripple AC לא רצויים הסובבים בין הממירים הלא מסונכרנים במערך ניתנים בקלות לשליטה. סלילי L1 ו-L2 בתרשים 1 משולבים לשמש כמסנני כניסה נוספים. במערך ניסיוני זה ערך הסלילים היה
0.4, והם חוברו בטור עם רגל +In של כל אחד מהממירים. סלילי הכניסה מעלים את האימפדנס בין דרגת הכניסה של ממיר אחד לשאר הממירים במערך בתדר המיתוג. במקרה זה האימפדנס הסלילים הוא בערך 4Ω בתדר מיתוג בסיסי של 1.7 מגה הרץ של הממירים. אימפדנס זה מוריד את ערך ה-circulating currents של המערכת.
הביצועים המתקבלים לאחר הוספת סלילים בכניסה מוצגים בתרשים 2.
סה”כ עוצמת ה-ripple פוחתה באופן משמעותי, עם ירידה תואמת של אפנון תדר נמוך במעטפת ה-ripple. כתוצאה מכך, עם סליל פילטר הכניסה, האמפליטודה של זרם ה-ripple בכניסה ירדה מ-844ma peak to peak אל מתחת ל-143ma peak to peak.
צפינו כי circulating AC ripple current בכניסה של מערך ממירי ה-DC to DC יכול להיות גבוה משמעותית, במידה ואין סינון בכניסת הקו של מערך הממירים המקבילי.
למעשה זרם ה-AC ripple יכול להיות משמעותי בהשוואה לזרם ה-DC בכניסה. למרות זאת על ידי שימוש בסינון פשוט של הכניסה, רמת ה-AC ripple ניתנת לדיכוי משמעותי.
כיוון שהממירים אשר שימשו אותנו בדוגמא זאת עובדים בתדרי מיתוג גבוהים מעל 1 מגה, נדרשו רכיבי סינון קטנים יותר בהשוואה לאלה הדרושים עבור ממירי
תדר נמוך יותר.
זהו יתרון עבור מערכות בהם
השטח, המשקל והנצילות הן הדרישות הדומיננטיות.
אלף-בית של סינון זרם ripple בכניסה
מהתוצאות בתרשים 2, ברור כי סינון כניסות משחק תפקיד מכריע בדיכוי השפעת תדרי פעימה במערך ממירי
DC to DC בחיבור מקבילי. על ידי שימוש בסלילי פילטר פשוטים בכניסה, רמת אמפליטודת ה-ripple AC באחד הממירים במערך של שני ממירי מתח גבוה, צומצמה ביותר מ-80%.
VICOR מיוצגת בישראל ע”י מגוון טכנולוגיות והנדסה בע”מ.
