Convertor Flyback

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Fig. 1: schema de bază a unui convertor flyback.
Exemplu de transformator pentru convertor flyback de la 250 W la 50 kHz.
Vedere laterală a conexiunilor. Firul Litz este folosit pentru a atenua efectul pielii și pentru a îmbunătăți performanța.

Acumularea invertorului-convertizor [1] sau flyback (recuperare) este o sursă de alimentare de comutare (sursă de comutare sau sursă de comutare de obicei ), de obicei cu izolație galvanică între intrare și ieșire. Schema de bază este aceeași cu cea a unui convertor Buck-Boost, unde inductanța este înlocuită de un transformator (de fapt, doi inductori cuplați). Convertorul flyback este probabil cea mai utilizată sursă de alimentare din industrie (monitoare LCD , televizoare CRT , DVD playere , ...). [2] Este de obicei utilizat în aplicații cu putere redusă. [3] [4] [5] [6] [7]

Principiul de funcționare

Fig. 2: cele două configurații ale unui convertor flyback în funcție de starea comutatorului T. Mai sus: faza de conducere sau starea ON, mai jos: faza de întrerupere sau interdicție sau starea OFF.

Diagrama de principiu a unui convertor flyback este prezentată în Figura 1. Acesta este echivalentul unui convertor Buck-boost în care inductanța este înlocuită de doi inductori cuplați care funcționează ca un transformator . Prin urmare, principiul de funcționare al ambelor convertoare este foarte similar. În ambele cazuri există o fază de acumulare a energiei în circuitul magnetic și o fază de restituire a acestei energii. Dimensionarea circuitului magnetic definește cantitatea de energie care poate fi stocată, dar și viteza cu care se pot obține acumularea și retragerea. Acesta este un parametru important care determină puterea pe care o poate furniza sursa de alimentare flyback.

Funcționarea convertorului flyback poate fi împărțită în două faze în funcție de starea comutatorului T (a se vedea figura 2):

  • În starea ON, comutatorul T (a se vedea figura 1) este închis, primarul transformatorului este conectat direct la sursa de tensiune de intrare. Acest lucru are ca rezultat o creștere a fluxului magnetic din transformator. Tensiunea pe secundar este negativă, iar dioda este polarizată invers. Este condensatorul de ieșire care furnizează energia necesară sarcinii.
  • În starea OFF, comutatorul este deschis. Energia stocată în transformator este transferată la sarcină.

Parametrii utilizați mai jos sunt:

  • reticența circuitului magnetic al transformatorului;
  • fluxul din circuitul magnetic;
  • numărul de rotații ale înfășurării primare a transformatorului;
  • numărul de spire ale înfășurării secundare a transformatorului;
  • ciclul de lucru

Management continuu

Fig. 3: Forme de undă curent / tensiune în convertorul flyback.

Când un convertor flyback funcționează în modul de conducție continuă, fluxul din transformator nu merge niciodată la zero. Figura 3 prezintă formele de undă de curent și tensiune din convertor.

Tensiunea de ieșire este calculată după cum urmează (presupunând că componentele sunt ideale):

ON stat

Curent în primar

În timpul fazei de conducere, comutatorul T este închis, provocând o creștere a curentului în funcție de relație:

Primesti:

Cu valoarea curentului instantaneu . corespunde și valorii minime a curentului . Valoarea sa exactă va fi determinată ulterior. La sfârșitul fazei de conducere atinge valoarea sa maximă :

este ciclul de funcționare . Acesta indică fracțiunea din perioada T în timpul căreia se desfășoară comutatorul T. variază de la 0 ( T nu conduce niciodată) la 1 ( T conduce întotdeauna). Cât despre , valoarea a se va determina după examinarea stării blocate.

Energie stocată

La sfârșitul fazei de conducere, energia stocat în transformator este:

La sfârșitul fazei de conducere, comutatorul T se deschide, împiedicând curentul să circule în continuare. Conservarea energiei stocate în transformator determină apariția unui curent în secundarul transformatorului, a cărui valoare inițială poate fi calculat folosind conservarea energiei stocate în transformator în timpul „trecerii” acestuia de la primar la secundar:

Prin înlocuire Și cu expresia lor în termeni de reticență a circuitului magnetic și a numărului de rotații ale înfășurărilor transformatorului, obținem:

Prin urmare:

Tensiuni

Tensiunea poate fi calculat din relațiile flux / tensiune. Direcția relativă a înfășurărilor este inversată; avem:

Și

De la care:

Starea OFF

Curent secundar

În timpul stării OFF, energia stocată în circuitul magnetic în starea ON este transferată la condensatorul C (în figura 1).

La sfârșitul stării OFF, scade la valoarea sa minimă

Energie stocată

La sfârșitul stării OFF, ca și la sfârșitul stării ON, se aplică conservarea energiei stocate în transformator. Putem scrie:

Prin înlocuire Și cu expresiile lor în funcție de reticență a circuitului magnetic și a numărului de rotații ale înfășurărilor transformatorului, obținem:

Rezultă că:

Tensiuni

Calculul tensiunii se poate face ținând cont de relația flux / tensiune. Direcția relativă a înfășurărilor este inversată:

Și

Urmează:

Tensiunea peste comutator T este:

Relații de intrare / ieșire

Voltaj

Dacă considerăm că convertorul a atins o stare stabilă, tensiunea medie pe înfășurările transformatorului trebuie să fie zero. Dacă luăm în considerare în special tensiunea medie la capetele înfășurării secundare:

Urmează:

Avem aceeași relație ca și convertorul Buck-Boost cu adăugarea raportului . Acest lucru se datorează faptului că schema de bază a unui convertor flyback este aceeași cu cea a unui convertor buck-boost în care inductanța este înlocuită de un transformator cu raport de ture . Tensiunea de ieșire nu depinde de curentul de ieșire, ci doar de ciclul de funcționare și de tensiunea de intrare.

Actual

Dacă luăm în considerare convertorul ideal, puterea consumată este aceeași cu cea de intrare:

De la care:

Prin urmare:

Puteți găsi valorile Și calculând valoarea medie a :

Prin înlocuire cu expresia sa în termeni de Și :

Și înlocuind cu expresia sa în termeni de curent de ieșire:

Cu raportul de transformare este ușor de obținut Și

Mod de operare discontinuu

Fig. 4: Forma de undă a convertorului de curent / tensiune în direcție discontinuă.

În unele cazuri, cantitatea de energie necesară încărcăturii este suficient de mică și poate fi transferată în mai puțin timp decât perioada de comutare. În acest caz, debitul care circulă în transformator este zero pentru o parte a perioadei. Singura diferență cu principiul de funcționare descris mai sus este că energia stocată în circuitul magnetic este zero la începutul ciclului (vezi formele de undă din figura 4). Deși mică, diferența dintre conducerea continuă și cea discontinuă are un impact puternic asupra formulei tensiunii de ieșire. Tensiunea de ieșire poate fi calculată după cum urmează.

Faza de conducere

În faza de conducere, singura diferență între modul de funcționare continuu și discontinuu este că curentul Nu-i nimic. Preluarea ecuațiilor obținute în modul continuu de funcționare și că nu este nimic, primești:

și, în sfârșit:

Starea OFF

În timpul stării neconductoare, energia stocată în circuitul magnetic în timpul stării conductoare este transferată condensatorului.

În starea oprită, I 2 dispare după δ • T:

Prin înlocuire cu expresia sa, obținem:

Prin înlocuire Și cu expresia lor în termeni de reticență a circuitului magnetic și a numărului de rotații ale înfășurărilor transformatorului, obținem:

Relația de intrare / ieșire

Curentul în sarcina I s este egal cu curentul mediu prin dioda (I 2). După cum se poate vedea din Figura 2, curentul prin diodă este egal cu cel al secundarului în starea oprită.

Astfel, curentul prin diodă poate fi scris astfel:

Înlocuind I 2max și δ cu expresiile lor respective obținem:

Prin urmare, câștigul în tensiunea de ieșire poate fi scris astfel:

Limita dintre modul de funcționare continuu și discontinuu

Fig. 5: Evoluția tensiunii de ieșire normalizată a unui convertor flyback cu un curent de ieșire normalizat.

Așa cum s-a explicat în paragraful anterior, convertorul funcționează în direcție discontinuă atunci când curentul solicitat de sarcină este redus și funcționează în direcție continuă pentru curenți mai mari. Limita dintre conducția continuă și cea discontinuă este atinsă atunci când curentul din inductor este zero chiar înainte de comutare. Cu notațiile din Figura 4, aceasta corespunde:

În acest caz, curentul de ieșire I slim (curentul de ieșire la limita dintre conducerea continuă și cea discontinuă) este dat de ecuația:

Înlocuind I 2max cu expresia sa de conducere discontinuă

La limita dintre cele două moduri de conducere, tensiunea de ieșire urmează expresiile celor două moduri. Vom folosi acea dată pentru modul de conducere continuă:

Prin urmare, putem rescrie I slim după cum urmează:

Vom folosi două noi notații:

  • Tensiunea normalizată, definită de , care corespunde câștigului de tensiune al convertorului.
  • Lo normalizat curent, definit de . Termenul corespunde curentului maxim de ieșire care poate ajunge teoretic într-un ciclu (variația curentului primar atinsă pentru ). Prin urmare, se obține, sub un regim permanent, egal cu 0 când curentul de ieșire este zero și 1 pentru curentul maxim pe care convertorul îl poate furniza.

Folosind aceste notații, obținem:

  • În conducție continuă, ;
  • În conducție discontinuă, ;
  • Curentul limitativ între conducerea continuă și cea discontinuă este după cum urmează: . Prin urmare, granița dintre conducerea continuă și cea discontinuă este descrisă de: .

Această curbă a fost reprezentată grafic în Figura 5 pentru . Diferența de comportament între modurile de conduită continue și discontinue este foarte clară. Acest lucru poate provoca probleme de servo tensiune de ieșire.

Influența inductanțelor de dispersie

Diagrama unui convertor flyback cu inductanță de scurgere primară.

Formele de undă descrise mai sus sunt valabile numai dacă toate componentele sunt considerate ideale. În cazul real, se poate observa o supratensiune peste întrerupător în momentul deschiderii acestuia. Această creștere provine din energia stocată în inductanța dispersată a transformatorului. [8] Deoarece inductanța de scurgere nu este conectată „direct” la primarul transformatorului, energia pe care o conține atunci când întrerupătorul este deschis nu poate fi transferată la secundar. Evacuarea energiei stocate în inductanța parazită va crea o supratensiune în întrerupătorul. În plus, anularea curentului prin comutator nu are loc cu o tensiune zero, de asemenea, va avea ca rezultat schimbarea pierderilor. Aceste pierderi pot fi reduse prin adăugarea de circuite de ajutor în momentul comutării.

Există, de asemenea, o inductanță secundară de scurgere. La rândul său, această inductanță duce la pierderi și reduce energia furnizată de alimentarea cu energie a sarcinii. În cazul alimentării cu mai multe ieșiri, inductanțele de scurgere ale secundarelor vor crea pierderi diferite la fiecare ieșire.

Versiuni speciale

Alimentare cu absorbție sinusoidală

În cazul unui convertor alimentat de o punte cu diode a cărei ieșire este conectată la un condensator, factorul de putere nu este unitatea, în principal datorită formei de undă a curentului absorbit. Această configurație, care nu respectă regulile de interconectare a electronicii de putere, prevede conexiunea între un generator de tensiune, rețeaua electrică, cu un alt generator de tensiune, condensatorul, care devine o sarcină. Funcționarea podului graetz are ca efect producerea unui curent cu o formă de undă puternic distorsionată, care nu respectă reglementările. Dacă, pe de altă parte, sarcina punții de diodă este un convertor de tip flyback (cu control adecvat), convertizorului i se poate cere să absoarbă un curent aproape sinusoidal în fază cu tensiunea de rețea și astfel să atingă un factor de putere unitate. Datorită convertorului, regulile de interconectare între surse și sarcini vor fi respectate și este posibil să se obțină o utilizare excelentă a resurselor de energie.

Regim auto-oscilant

Un convertor flyback în modul auto-oscilant își variază frecvența de comutare pentru a funcționa întotdeauna la limita conducției continue și discontinue. Acest dispozitiv permite reducerea entității pierderilor transformatorului și limitarea pierderilor de recuperare în diode; pe de altă parte, introduce solicitări suplimentare întrerupătorului. [9]

Aplicații

Convertoarele Flyback sunt utilizate pentru fabricarea surselor de alimentare:

  • cost redus cu multiple ieșiri;
  • tensiune înaltă și putere redusă.

Puterea constantă

Circuitul electronic al unui balast de lampă HMI utilizând un convertor flyback de 250W.

Dacă te obligă să păstrezi curentul constantă, flyback-ul menține constantă puterea de încărcare [10] Acest lucru este potrivit în special pentru alimentarea lămpilor cu descărcare , cum ar fi lămpile cu halogenuri metalice, unde puterea trebuie menținută constantă pe tot parcursul vieții lor, crescând tensiunea arcului ca funcția uzurii electrozilor (ciclul de funcționare al comutării se modifică în mod corespunzător „natural”). Prin urmare, controlul-comanda unui astfel de convertor este foarte simplu, deoarece nu necesită utilizarea niciunui control al puterii. Prin urmare, nu există riscul instabilității de reglare în raport cu caracteristicile dinamice ale lămpii (în special datorită rezistenței negative a arcului în timpul fazelor de aprindere).
În cazul unui dispozitiv portabil, alimentat de o baterie, compensarea variației de tensiune a acestuia este ușor obținută prin verificarea referinței de curent în timpul acestei variații. Reglarea ( estomparea ) este la fel de simplificată cu reglarea directă a valorii curente setate în sursa de alimentare.

Notă

  1. ^ Surse de alimentare cu comutare ( PDF ), pe itiomar.it (arhivat din original la 24 iulie 2015) .
  2. ^ Christophe P. Basso , Capitolul 7: Simulări și modele practice ale convertoarelor flyback, p. 579 .
  3. ^ Până la 100 W conform: Michel Girard , Cap. I: Généralités concernant les alimentations, "1.5.2: Principe des alimentations à découpage isolées galvaniquement", pp. 29-30: "d: Remarques concernant alimentations to découpage isolées galvaniquement"
  4. ^ Până la 100 W conform: (EN) Ed Walker, Design Review: A Step-by-Step Approach to AC Line-Powered Converter (PDF), pe focus.ti.com, Texas Instruments, p. 3-2. Adus la 20 aprilie 2012 (arhivat din original la 28 august 2006) .
  5. ^ Până la 150 W conform: Jean-Paul Ferrieux, François Forest , Capitolul II Alimentations à découpage à commutation commandée, paragraful «2.2: Alimentation à découpage FLYBACK», p. 54 "2.2.2.3: Facteur de dimensiuni de întrerupere"
  6. ^ De la 30 la 250 W, conform: ( EN ) L. Wuidart, Notă de aplicație - Topologii pentru surse de alimentare cu comutare ( PDF ), pe stmicroelectronics.net , ST, p. 6 din 18. Adresă URL accesată la 20 aprilie 2012 (arhivată de la adresa URL originală ) .
  7. ^ 400 W conform: IEEE Xplore, Informații despre articol, „Un convertor flyback de 400 W”, Assow, B. Telecommunications Energy Conference, 1989. INTELEC apos; 89. Proceedings Conference., Volumul unsprezecelea internațional, numărul, 15-18 octombrie 1989, pagini: 20.6 / 1 - 20.6 / 4, vol. 2.
  8. ^ Această inductanță ia în considerare faptul că cuplarea magnetică între primar și secundar nu este perfectă.
  9. ^ Jean-Paul Ferrieux, François Forest , Cap. II Alimentations à découpage à commutation commandée, paragrafo « 2.2.3 : Alimentation FLYBACK en régime auto-oscillant », pag. 54-56 .
  10. ^ L'energia elettrica immagazzinata nel trasformatore e quindi trasmessa al carico è costante.

Bibliografia

  • ( FR ) Michel Girard, Hugues Angelis; Magali Girard, Alimentations à découpage - Cours et exercices corrigés , Parigi, Dunod, 2003, p. 336, ISBN 2100069403 .
  • ( FR ) Jean-Paul Ferrieux, François Forest, Alimentations à découpage - Convertisseurs à résonance, principes, composants, modélisation , Parigi, Dunod, 2006, p. 316, ISBN 2100505394 .
  • ( EN ) Christophe P. Basso, Switch-mode Power Supplies - SPICE Simulations and Practical Designs , New York, McGraw-Hill, 2008, p. 889, ISBN 0071508589 .

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni