Basisprincipes en werkwijzen van flyback-geschakelde voeding
Basisprincipes en werkwijzen
Fundamenteel
Wanneer de transistor Trton wordt geschakeld, heeft de primaire Np van de transformator een stroom Ip en wordt daarin energie opgeslagen (E=LpIp/2). Omdat Np en Ns tegengestelde polariteiten hebben, is de diode D op dit moment in tegengestelde richting voorgespannen en uitgeschakeld, en wordt er geen energie overgedragen naar Load. Bij het schakelen van Troff zal, volgens de wet van Lenz: (e=-N△Φ/△T), de primaire wikkeling van de transformator een omgekeerd potentiaal genereren. Op dit moment is de diode D voorwaarts geleidend en stroomt er stroom IL door de belasting. Steady-state golfvorm van flyback-omzetter
De grootte van de geleidingstijd ton bepaalt de amplitude van Ip en Vce:
Vcemax=VIN/1-Dmax
VIN: gelijkstroomingangsspanning; Dmax: maximale werkcyclus
Dmax=ton/T
Het is duidelijk dat om een lage collectorspanning te verkrijgen, Dmax laag moet worden gehouden, dat wil zeggen Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.
De bedrijfsstroom van de collector, Ie bij het schakelen van de buis Tron, dat wil zeggen de primaire piekstroom Ip, is: Ic=Ip=IL/n. Omdat IL=Io, wanneer Io constant is, de grootte van de windingenverhouding n de grootte van Ic bepaalt, is de bovenstaande formule afgeleid op basis van het principe van energiebesparing en is het aantal primaire en secundaire ampèrewindingen gelijk aan NpIp=NsI's. Ip kan ook op de volgende manier worden uitgedrukt:
Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: efficiëntie van de converter
De formule is als volgt afgeleid:
Uitgangsvermogen: po=LIp2η/2T
Ingangsspanning: VIN=Ldi/dt, uitgaande van di=Ip en 1/dt=f/Dmax, en dan:
VIN=LIpf/Dmax of Lp=VIN*Dmax/Ipf
Dan kan po worden uitgedrukt als:
po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp
∴Ip=2po/ηVINDmax
In de bovenstaande formule:
VIN: Minimale DC-ingangsspanning (V)
Dmax: maximale geleidingscyclus
Lp: Primaire inductie van transformator (mH)
Ip: piekstroom primaire zijde transformator (A)
f: conversiefrequentie (KHZ)
Manier van werken
Flyback-transformatoren werken over het algemeen in twee modi:
1. Inductorstroom discontinue modus DCM (DiscontinuousInductorCurrentMode) of "volledige energieconversie": alle energie die bij ton in de transformator is opgeslagen, wordt tijdens de terugslagperiode (toff) naar de uitgang overgedragen.
2. Inductorstroom continue modus CCM (ContinuousInductorCurrentMode) of "onvolledige energieconversie": een deel van de energie die in de transformator is opgeslagen, wordt aan het einde van de toff vastgehouden tot het begin van de volgende toncyclus.
DCM en CCM zijn zeer verschillend in termen van kleine signaaloverdrachtsfuncties. Hun golfvormen worden weergegeven in figuur 3. Wanneer de ingangsspanning van de omvormer VIN binnen een groot bereik verandert, of de belastingsstroom IL binnen een groot bereik verandert, moet deze in feite twee werkmodi omvatten. Daarom is het vereist dat de flyback-omzetter stabiel werkt in DCM/CCM. Maar het is moeilijker om te ontwerpen. Meestal kunnen we de kritische toestand van DCM/CCM als ontwerpbasis gebruiken. Gekoppeld aan huidige modusregeling pWM. Deze methode kan verschillende problemen in DCM effectief oplossen, maar elimineert niet het inherente instabiliteitsprobleem van het circuit in CCM. CCM kan worden opgelost door de versterking van de regellus aan te passen om de lage frequentieband te scheiden en de transiënte responssnelheid te verminderen. De instabiliteit wordt veroorzaakt door het "rechterhelftvlak nul" van de overdrachtsfunctie.
DCM en CCM zijn zeer verschillend in termen van kleine signaaloverdrachtsfuncties.
DCM/CCM primair en secundair stroomgolfvormdiagram
Wanneer de ingangsspanning VIN van de omzetter binnen een groot bereik verandert, of de belastingstroom IL binnen een groot bereik verandert, moet deze in feite twee bedrijfsmodi omvatten. Daarom heeft de flyback-converter DCM/CCM nodig. Beide kunnen stabiel werken. Maar het is moeilijker om te ontwerpen. Meestal kunnen we de DCM/CCM-kritische toestand als ontwerpbasis gebruiken en de huidige modusregeling pWM gebruiken. Deze methode kan verschillende problemen in DCM effectief oplossen, maar er is geen inherent instabiliteitsprobleem in het circuit tijdens CCM. De instabiliteit die wordt veroorzaakt door het "nulpunt in het rechterhelftvlak" van de overdrachtsfunctie in CCM kan worden opgelost door de versterking van de regellus aan te passen om de lage frequentieband te scheiden en de transiënte responssnelheid te verminderen.
In een stabiele toestand moet de verandering in de toename van de magnetische flux ΔΦ bij ton gelijk zijn aan de verandering bij "toff", anders zal de magnetische kern verzadigd zijn.
daarom,
ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns
Dat wil zeggen dat de waarde in volt/seconde van elke winding van de primaire wikkeling van de transformator gelijk moet zijn aan de waarde in volt/seconde van elke winding van de secundaire wikkeling.
Als we de huidige golfvormen van DCM en CCM in figuur 3 vergelijken, kunnen we weten dat tijdens de Trton-periode in de DCM-toestand de gehele energieoverdrachtsgolfvorm een hogere primaire piekstroom heeft. Dit komt omdat de primaire inductantiewaarde Lp relatief laag is, waardoor Ip scherp wordt. Het negatieve effect dat door de toename wordt veroorzaakt, is het vergroten van het wikkelingsverlies (wikkelingsverlies) en de rimpelstroom van de ingangsfiltercondensator, waardoor de schakeltransistor een hoge stroombelastbaarheid om veilig te kunnen werken.
In de CCM-toestand is de piekstroom aan de primaire zijde laag, maar het schakelkristal heeft een hoge collectorstroomwaarde in de ton-toestand. Dit resulteert in een hoog energieverbruik van het schakelkristal. Tegelijkertijd is, om CCM te bereiken, een hogere primaire spanning van de transformator vereist. De zij-inductantiewaarde Lp en de in de transformatorkern opgeslagen restenergie vereisen dat het volume van de transformator groter is dan dat van DCM, terwijl andere coëfficiënten gelijk zijn.
Samenvattend is het ontwerp van DCM- en CCM-transformatoren in principe hetzelfde, afgezien van de definitie van de piekstroom aan de primaire zijde (Ip=Imax-Imin in CCM).
