Kopioi artikkelin PDF-versio
Teholähteet ovat oleellinen osa nykypäivän elektroniikkaa. Käyttöjännitteiden aletessa teholähteitä sijoitetaan piirikorteille käyttökohteen välittömään läheisyyteen. Teholähteessä tapahtuvat häviöt aiheuttavat jäähdytystarvetta, mikä vaikuttaa oleellisesti myös lopputuotteen kokoon. Tämän vuoksi teholähteiden hyötysuhde, häviöiden kartoitus ja minimointi ovat intensiivisen tutkimuksen kohteena maailmalla.
Hakkuriperiaatteella toimivien teholähteiden etuina ovat muun muassa suuri tehotiheys, nopea dynaaminen vaste, korkea hyötysuhde, pieni koko ja tarkka jännitteen regulointi. Nämä ominaisuudet tekevät hakkuriperiaatteella toimivista teholähteistä ylivertaisia verrattuna esimerkiksi lineaariteholähteisiin.
Hyvästä hyötysuhteesta huolimatta hakkuriteholähteet eivät kuitenkaan pysty suorittamaan energianmuokkausta täysin häviöttömästi. Nykyisessä pyrkimyksessä yhä pienempiin laitekokoihin pienetkin häviöt alkavat muodostua merkittäviksi.
Häviöt teholähteessä voidaan periaatteessa määritellä hyvin yksinkertaisesti: teholähde ottaa verkosta, akusta tai muusta lähteestä tietyn ottotehon Potto ja vastaavasti antaa kuormaan tietyn antotehon Panto. Näiden kahden tehon erotus kertoo kuinka paljon sähköenergian muokkaamisessa häviää energiaa per aikayksikkö. Asiaa voidaan myös ajatella siten, että teholähde lämpenee kyseisellä hukkateholla sen ollessa toiminnassa. Anto- ja ottotehon suhde kertoo teholähteen hyötysuhteen *, kaava (1).
Hyötysuhde ilmoitetaan yleensä prosentteina ja ideaalitapauksessa se on 100 prosenttia, eli otto- ja antoteho vastaavat tällöin toisiaan. Vaikka tällaiseen hyötysuhteeseen pyritään, siihen tuskin koskaan päästään reaalimaailman rajoitusten vuoksi. Mutta se, kuinka lähelle tätä maalia päästään on monen tutkimusryhmän mielenkiinnon kohteena maailmalla.
Hyötysuhde on monella tapaa yksi teholähdesuunnittelun avainparametreja. Tässä artikkelissa pyrimme selvittämään miksi ja miten hyötysuhde vaikuttaa ympäröivään maailmaan ja miksi se on tärkeä.
Hyötysuhde ja koko
Elektroniikkalaitteen osana olevan teholähteen on oltava pieni ja huomaamaton. Teholähteen suunnittelun oleellisena osana on tehokomponenteissa syntyvien häviöiden huomioon ottaminen. Laitteen häviöiksi muuttama energia, siis lämpö, on johdettava pois ulkoilmaan, ja laitteen yksittäisten komponenttien lämpötila on kyettävä pitämään sallituissa rajoissa. Tämä on tärkeää sen takia, että muun muassa eristysten sekä puolijohteiden elinikä laskee ja luotettavuus kärsii, jos ne joutuvat toimimaan liian kuumissa olosuhteissa. Voidaankin sanoa, että komponenttien elinikä ja luotettavuus ovat kääntäen verrannollisia toimintaolosuhteiden lämpötilaan.
Jäähdytystä tapahtuu luonnollisesti kolmella tavalla: konvektiolla, johtumalla ja säteilemällä. Konvektiota voi olla vapaata tai pakotettua. Tässä pakotettu tai kiihdytetty konvektio tarkoittaa tuulettimen asentamista laitteeseen jäähdytystä varten. Tällainen järjestely kuitenkin yleensä lisää laitteen kokoa ja kustannuksia. Lisäksi mekaanisesti kuluvan komponentin, tuulettimen, lisääminen laskee koko laitteen luotettavuutta.
Konvektio riippuu jäähtyvän pinta-alan suuruudesta ja ympäröivän ilman, tai muun väliaineen, kiertonopeudesta ja ominaisuuksista, sekä jäähdyttävän aineen ja jäähtyvän pinnan lämpötilaerosta. Säteilemällä tapahtuva jäähdytys riippuu voimakkaasti jäähdytettävän komponentin ja ympäröivien pintojen lämpötilaerosta sekä pintojen heijastusominaisuuksista ja väristä. Suljettuun tilaan koteloidun teholähteen jäähdyttäminen pelkästään säteilyn kautta tapahtuvalla lämpöenergian siirrolla saattaa olla hankalaa.
Suosittu tapa jäähdyttää teholähteen kuumenevat osat on siirtää lämpöenergia pois komponenteista johtumalla. Lämpö voidaan johtaa erilliseen jäähdytyselementtiin, tai jopa piirikortille, josta energia vapautuu ympäröivään ulkoilmaan tai aineeseen konvektion ja säteilyn avulla. Tällä menetelmällä itse asiassa kasvatetaan jäähdytettävän komponentin pinta-alaa, jolloin konvektiolla tapahtuva lämmön siirto pois teholähteestä onnistuu helpommin.
Tärkeätä tällaisessa jäähdytystavassa on minimoida terminen resistanssi Rth komponentin ja jäähdytyselementin välillä, ja maksimoida jäähtyvä pinta-ala eli käyttää rivoitettua jäähdytyselementtiä. Tällaisen erillisen jäähdytyselementin, johon teholähteen kuumina käyvissä osissa generoituva lämpöenergia johdetaan, koko riippuu voimakkaasti häviöiden määrästä. Jos ajatellaan esimerkinomaisesti teholähdettä, jonka hyötysuhdetta kyettäisiin parantamaan 95 prosentista 97 prosenttiin, olisi häviöiden määrän ja jäähdytystarpeen pienentyminen peräti 40 prosenttia.
Missä häviöt syntyvät
Teholähteissä käytettävät puolijohteet, kuristimet, muuntajat ja kondensaattorit eivät ole ideaalisia komponentteja. Hyvänkin tehodiodin anodin ja katodin välillä on aina pieni päästöjännite komponentin ollessa johtavassa tilassa. MOSFETeilla on pieni kanavaresistanssi RDS,on johtavassa tilassa, muuntajissa ja kuristimissa käytetyllä kuparilla on äärellinen johtavuus. Magneettisten komponenttien sydänmateriaalissa tapahtuu magneettivuon vaihtelusta aiheutuvia häviöitä ja kondensaattoreissakin häviöitä aiheuttaa parasiittinen ESR eli kapasitanssin kanssa sarjassa oleva ekvivalenttinen sarjaresistanssi.
Epäideaalisuudet merkitsevät sitä, että virran kulkiessa komponentin läpi osa kuormaan tarkoitetusta hyötyenergiasta jää komponenttiin kaavojen (2) ja (3) mukaan ja muuttuu lämpöenergiaksi. Ja kuten yllä jo todettiin, aiheuttaa lämmön syntyminen komponenteissa tarvetta jäähdytykselle.
Teholähteen yksi hyvä ja tavoiteltu ominaisuus on pieni koko. Pieneen kokoon pyritään muun muassa nostamalla kytkentätaajuutta. Ideaalisesti ajatellen kytkentätaajuuden nosto mahdollistaa pienempien induktanssi- ja kapasitanssiarvojen käytön esimerkiksi lähtöjännitteen suodatuksessa, koska hakkuritoiminnasta aiheutuvat yliaallot sijaitsevat tällöin korkeammilla taajuuksilla. Korkeiden taajuuksien suodattamiseen riittävät siis pienemmät kondensaattorit ja kuristimet, jolloin teholähteen koko pienenee.
Kytkentätaajuuden nosto ei kuitenkaan ole aivan ongelmatonta. Puolijohdekomponenteissa esiintyy aina jonkin verran häviöitä, jotka liittyvät kytkimen päälle ja pois päältä kytkemiseen. Näiden niin sanottujen kytkentähäviöiden suhteellinen osuus kasvaa kytkentätaajuuden kasvaessa. Jossain vaiheessa, kytkentätaajuutta nostettaessa, tullaan pisteeseen jossa pienenevien kondensaattorien ja kuristimien tuoma laitekoon pienennys häviää kasvavien kytkentähäviöiden vaatiman lisäjäähdytyksen viemään tilaan.
Suurilla hakkuritaajuuksilla, etenkin synkronista tasasuuntausta käytettäessä myös tehokytkimien ohjaushäviöt saattavat kasvaa huomattavaksi. Tämä johtuu MOSFETin hilakapasitanssista, johon joudutaan lataamaan jokaista päällekytkentää varten tietty varaus, joka menetetään häviöiksi ilman erityisjärjestelyjä kytkintä pois päältä kytkettäessä. Kytkentätaajuuden noustessa joudutaan tätä varausta tuomaan yhä useammin hilalle per aikayksikkö, jolloin teholähteen häviöt kasvavat.
Mataliin lähtöjännitteisiin pyrittäessä käytetään yleensä niin sanottua laskevaa katkojaa eli Buck-tyyppistä hakkuriteholähdettä. Laskevan katkojan käyttö voi olla kuitenkin ongelmallista, jos tulojännite on suhteellisen suuri verrattuna lähtöjännitteeseen. Tällöin joudutaan ottamaan käyttöön muuntajalla varustettu hakkuriteholähde jännitetason laskemiseksi.
Esimerkiksi 48 V tulojännitteestä muodostettaessa parin voltin lähtöjännitettä käytännön syyt vaativat muuntajaa laskemaan jännitetasoa. Tämä sen takia, että hakkurin aktiivisen kytkimen suhteellinen johtoaika ja suhteellinen estoaika saataisiin pidettyä suurin piirtein samassa suuruusluokassa. Forward-tyyppinen hakkuriteholähde, eli suoraan tehonsiirtoon perustuva tasasähkömuuttaja, on esitetty Forward on muuntajalla varustettu versio laskevasta katkojasta. Laskevan katkojan ja Forward-hakkurin tulo- ja lähtöjännitteen riippuvuus on esitetty kaavoissa (4) ja (5) kytkimen suhteellisen johtoajan D avulla.
Muuntajalla varustetun hakkuriteholähteen ensiöpuolella energiaa siirtyy suhteellisen suuren tulojännitteen ansiosta pienellä virralla. Johtohäviöt ensiöpuolella eivät ole tämän takia korostetussa roolissa. Merkittäviä häviöitä ensiöpuolella saattaa sen sijaan tulla ensiöpuolen kytkimen S1 parasiittisesta Drain-Source-kapasitanssista. Tämä kapasitanssi, muuntajan magnetoinnin purkamistavasta riippuen, saattaa latautua korkeahkoon jännitteeseen ennen seuraavan kytkentäjakson alkua jolloin siihen varastoitunut energia kuluu häviöiksi MOSFETin kanavaresistanssissa seuraavan kytkentäjakson alussa.
Ongelmaa voidaan lievittää ottamalla käyttöön erilaisia Soft-Switching-tekniikoita. Tämä tarkoittaa sitä, että kytkimen parasiittinen kapasitanssi pyritään tyhjentämään varauksesta ennen kytkentäjakson alkua, jolloin kytkin voidaan kytkeä päälle jännitteettömänä. Tällainen pehmeä kytkentä voidaan aikaansaada muun muassa käyttämällä hyväksi muuntajan hajainduktanssia ja magnetointivirtaa.
Vaikka kytkimen yli ei saavutettaisikaan aivan nollajännitettä kytkemishetkellä, saattaa edes osittaisella jännitteenalennuksella kytkimen yli, eli parasiittisen kapasitanssin varauksen osittaisella purkamisella, olla merkitystä, sillä kapasitanssiin varastoitu energia on verrannollinen jännitteen neliöön, kaava (6). Teholähteen toisiopuolella suuri virta aiheuttaa pääasiassa merkittävimmät häviöt. Tätä ongelmaa on käsitelty seuraavassa kappaleessa.
Synkroninen tasasuuntaus
Tele- ja tietoliikennealalla tarvittavien käyttöjännitteiden trendi on menossa yhä matalampiin jännitteisiin. Toisaalta tehonkulutus ei välttämättä vähene vaan asia saattaa olla jopa toisin päin; tehonkulutus kasvaa. Tämä merkitsee sitä, että matalajännitteisen teholähteen on kyettävä syöttämään yhä suurempia virtoja, jotta vaadittu teho saadaan siirrettyä kuormaan.
Matalilla lähtöjännitteillä teholähteen toisiopuolella on suuri merkitys teholähteen hyötysuhteen kannalta. Kuvassa 1 esitetyllä Forward-hakkuriteholähteen ensiöpuolen kytkimellä S1 hakataan muuntajan ensiökäämin yli kanttiaaltoa, jonka korkeus on tulojännitteen Vin suuruinen.
Muuntajan toisiokäämissä näkyvä kanttiaallosta muodostuva AC-jännite tasasuunnataan diodeilla D1 ja D2 ja tasasuunnattu jännite alipäästösuodatetaaan kuristimella L2 ja kondensaattorilla C2. Ideaalitapauksessa kuorman yli jää tällöin pelkästään tasasuunnatussa AC-jännitteessä ollut DC-komponentti. Tämä toteutuukin yleensä varsin hyvin silloin kun kytkentätaajuus fs on riittävän suuri, jolloin hakkuritoiminnasta aiheutuneet yliaallot sijaitsevat korkeilla taajuuksilla ja ne ovat helppoja suodattaa pois.
Kuvan Forward-topologiasta voi helposti nähdä, että toisiopuolen diodit D1 ja D2 johtavat kuristimeen L2 virtaa, eli käytännössä kuormavirtaa, vuorotellen. Toisin sanoen kuormavirta kulkee jommankumman diodin läpi koko ajan.
Parhaillakin tehodiodeilla jännitehäviö diodin yli johtotilassa on noin puolen voltin luokkaa. Jos teholähteen lähtöjännite on hyvin matala, vaikkapa 1--2 volttia, jää diodeihin merkittävä osa kuormaan tarkoitetusta energiasta, eli tässä tapauksessa pelkästään toision tasasuuntaus laskee hyötysuhteen 67--80 prosentin tasolle. Tällainen ei tietenkään ole taloudellista ja tästä syystä diodeja ei voida järkevästi käyttää matalia jännitteitä tuottavissa teholähteissä.
Yksi tapa parantaa toisiopuolen tasasuuntauksen taloudellisuutta matalajännitteisissä teholähteissä on korvata tasasuuntausdiodit MOSFETeillä, kuten kuvassa 3 on esitetty. MOSFETin yli oleva jännitehäviö johtotilassa ei ole vakio, vaan määräytyy kuormavirran suuruuden mukaan. Tällä hetkellä on saatavilla muun muassa 30 voltin teho-MOSFETtejä joiden kanavaresistanssi johtotilassa on 3,5--4,5 milliohmin luokkaa. Tällöin jännitehäviö komponentin yli, esimerkiksi 50 ampeerin virralla, jää alle 230 millivoltin ja johtohäviöt ovat puolta pienemmät kuin diodia käytettäessä.
Häviöllä on suurta merkitystä arvioitaessa tarvittavaa jäähdytyskapasiteetin määrää, ja sitä myöten koko teholähteen kokoa. Diodien korvaaminen MOSFETeillä tekee kuitenkin teholähteestä hieman monimutkaisemman, sillä tasasuuntauskytkimien hiloille on järjestettävä ohjausignaalit vc1 ja vc2, joiden tulee olla synkronissa ensiöpuolen kytkimen ohjaussignaalin vc kanssa.
Toinen ongelma, jonka teholähteen matala lähtöjännite ja suuri kuormavirta tuovat tullessaan ovat siirtohäviöt. Kuvissa 1 ja 3 teholähteen lähtönapojen ja kuorman välinen resistanssi on merkitty R:llä, joka on jakaantunut tasan meno- ja paluujohtimeen. Aikaisemmin on voitu siirtää vaikkapa 5 voltin käyttöjännitettä vaativalle prosessorille 10 ampeerin kuormavirralla 50 wattia. Jos siirtojohtojen ja liitosten resistanssi arvioitaisiin 10 milliohmiksi, jää kaavan (2) mukaan siirtojohtoihin ja liitoksiin energiaa 1 watin teholla, mikä merkitsee 2 prosentin alennusta kokonaishyötysuhteeseen. Tämä ehkä voidaan vielä hyväksyä.
Tulevaisuudessa saattaa vastaavanlainen prosessori haluta mainitut 50 wattia tehoa 1 voltin jännitteellä ja 50 ampeerin virralla. Tällöin saadaan tehohäviöiksi samoissa johtimissa ja liittimissä saman kaavan mukaan 25 wattia, jolloin kokonaishyötysuhde laskee 67 prosenttiin pelkästään johtimien takia. Tämä ei voi enää olla hyväksyttävää. Suurenevat kuormavirrat johtavat toisin sanoen siihen, että matalaa jännitettä tuottava teholähde pitää viedä kuorman välittömään läheisyyteen eli samalle piirikortille.
Yleensä kuorma koostuu herkästä elektroniikasta, kuten yllä mainittu prosessori, ja vaikka teholähteen ulkopuoliset siirtohäviöt on minimoitu tuomalla kuorma ja teholähde vierekkäin, ei itse teholähteessä tapahtuviin häviöihin ole tällä ratkaisulla puututtu.
Luonnollisesti teholähteeseen kohdistuu niin sanottujen hajautettujen ratkaisujen myötä yhä suurempia vaatimuksia koon, häiriöttömyyden (EMC) ja hyötysuhteen osalta. Teholähde ei saa viedä paljon tilaa piirikortilla, se ei saa sähkömagneettisella vuorovaikutuksella häiritä varsinaista elektroniikkaa, eikä se saa myöskään lämmittää turhan päiten edellä mainittua elektroniikkaa. Nämä vaatimukset korostuvat yhä enemmän nykypäivän ja ennen kaikkea tulevaisuuden teholähdesuunnittelussa.
Yllä olevassa kuvassa on esitetty International Rectifierin näkemys tämän hetken tilanteesta 1,5 ja 1,8 voltin lähtöjännitettä tekevien teholähteiden hyötysuhteista kuormavirran funktiona. Kuvasta käy ilmi, että kuormavirrasta riippumatta reilusti yli 10 prosenttia energiasta hukataan jännitteen muokkauksessa 48 voltista mainituiksi lähtöjännitteiksi nykypäivän teknologialla.
Piikarbidi-diodit
Myös komponenttiteknologia on tulossa vastaan uusilla tuotteilla parantamaan teholähteiden hyötysuhdetta. Yksi mielenkiintoinen komponentti, joka on tekemässä tuloaan markkinoille, on piikarbididiodi. Piikarbididiodin toiminta perustuu enenemmistövarauksenkuljettajiin ja tämän takia sillä ei esiinny kiusallista takavirtaa; ilmiötä joka tavallisia diodeja käytettäessä aiheuttaa esimerkiksi nostavassa katkojassa merkittäviäkin häviöitä.
Vastikään pidetyssä EPE 2001 konferenssissa (European Conference on Power Electronics and Applications) esitettiin tutkimustuloksia markkinoilta saatavan erittäin nopean perinteisen diodin (Ultra Fast Diode) ja piikarbididiodin virran käyttäytymistä johtotilan vaihtuessa estotilaksi. Perinteisellä diodilla takavirta on huomattavan suuri kun taas piikarbididiodilla varsinaista takavirtaa ei ole ollenkaan, eikä diodin käytös riipu myötäsuuntaisen virran suuruudesta. Pieni negatiivinen virta piikarbidiodilla estotilaan siirtymisen myötä kyllä ilmenee, mutta se johtuu diodin anodin ja katodin välisen liitokapasitanssin lataamiseen tarvittavasta virrasta.
Piikarbididiodi tuo teholähdesuunnittelijoiden ulottuville mielenkiintoisen uutuustuotteen: diodin jolla on perinteisen Schottky-diodin ominaisuuksia takavirran suhteen, mutta samalla oleellisesti parempi jännitekestoisuus kuin tavallisella Schottky-diodilla.
Energian säästö tuo rahaa
Hyötysuhteen parantamisella on taloudellista merkitystä. Sähkönkulutus kasvaa elintason myötä. Samalla kasvavat myös vaatimukset sähkönlaadun suhteen, sillä nykyaikainen elektroniikka edellyttää käyttösähkökseen häiriötöntä ja siistiä jännitettä. Tämä johtaa siihen, että pistorasiasta saatavaa sähköenergiaa joudutaan muokkaamaan ennen varsinaista käyttökohdetta. Muokkaus tehdään yhä enenevässä määrin juuri tehoelektroniikan keinoin muun muassa juuri hyvän hyötysuhteen ja pienen laitekoon takia.
Sähköenergian muokkaaminen, jännitetason vaihto, taajuuden vaihto tai vain tasasuuntaus, kuitenkin syövät aina pienen siivun kuormalle tarkoitetusta energiasta. Tässä mielessä yksittäisenkin teholähteen hyötysuhde alkaa olla tärkeä, vaikka lämmöksi häviävä energia per teholähde ei välttämättä olekaan suuri, sillä teholähteiden määrä ja sähkön muokkauksen tarve kasvaa jatkuvasti. Toisin sanoen teholähteissä häviävän energian kokonaismäärä kasvaa koko ajan ja sen takia teholähteiden hyötysuhteen parantaminen kokonaisuudessaan merkitsee energiansäästönä paljon.
Aiheesta enemmän
R. W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamentals of Power Electronics, New York: Chapman and Hall, May 1997. Hardback ISBN 0-7923-7270-0, TK7881.15.E75 1997 7"x10", 791 pages, 929 line illustrations
Lee F.C., Barbosa P., Peng Xu, Jindong Zhang, Bo Yang and Canales, F., Topologies and design considerations for distributed power system applications, Proceedings of the IEEE, Jun 2001, Vol.89, Issue 6, Page(s): 939 -950.
Vicor: http://www.vicr.com
International Rectifier: www.irf.com
Helsinki University of Technology Power Electronics Laboratory: http://www.hut.fi/Units/Power
Electronics
Taustat
Kirjoittajat: Vesa Tuomainen, tutkija, Tehoelektroniikan laboratorio, TKK
Jorma Kyyrä, professori, Tehoelektroniikan laboratorio, TKK
Yhteyshenkilö: vesa.tuomainen@hut.fi, jorma.kyyra@hut.fi
Tutkimus: Efficiency and power density improvement in power electronic systems
Yhteistyössä: Efore Oyj, ABB
Teknologiaohjelma: ETX
(1) Hyötysuhde määritellään teholähteen anto- ja ottotehon suhteena:
(2) Resistanssin läpi kulkeva virta aiheuttaa virran neliöön verrannollisen häviön:
(3) Diodin läpi kulkevan virran aiheuttama tehohäviö riippuu jännitehäviöstä VD
(4)Laskevan katkojan eli Buck hakkuriteholähteen tulo- ja lähtöjännitteen välinen suhde, jossa D on kytkimen suhteellinen johtoaika kytkentäjaksosta Ts
(5) Forward hakkuriteholähteen tulo- ja lähtöjännitteen riippuvuus. N1 ja N2 ovat muuntajan ensiön ja toision kierrosten lukumäärät
(6) Kapasitanssiin varastoitunut energia riippuu kapasitanssista ja kapasitanssin yli olevan jännitteen neliöstä:
Losses are having even more emphasized role in power supply design in the future. Switched mode power supplies exhibit high efficiencies and low power losses. However, the trend to have ever smaller packaging sizes makes even low losses noteworthy. Therefore, the pursuit to push the efficiencies of power supplies as high as possible is important in order to reduce the packaging sizes further.
On the other hand, the trend is that operation voltages of, for example, telecommunication equipment are becoming lower. Lower voltages mean higher currents and the challenge of maintaining a high efficiency, or even to improve the efficiency, with the high load currents is a tough challenge for the power supply engineers.
The research is done in ETX-project: Efficiency and power density improvement in power electronic and systems.
Project leader: Professor Jorma Kyyrä, jorma.kyyra@hut.fi