Zapotrzebowanie na elektryczne i elektroniczne źródła zasilania w innowacyjnych projektach motoryzacyjnych można podsumować w następujący sposób: zwiększenie mocy, poprawa wydajności, zmniejszenie wymagań przestrzennych i zwiększenie niezawodności. W przypadku pojazdów elektrycznych (EV) wydajność ma kluczowe znaczenie w łagodzeniu „niepokoju dotyczącego zasięgu” użytkowników. Biorąc pod uwagę różne wymagania pojazdów elektrycznych, musimy zapewnić kompaktowe i lekkie rozwiązania w zakresie zasilania rezerwowych i pomocniczych źródeł zasilania. Mniejsze zasilacze niosą ze sobą więcej wyzwań, w tym potrzebę większej izolacji, aby zapobiec awariom elektrycznym między komponentami znajdującymi się w mniejszych odległościach i zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).
Przetwornice mocy typu flyback są powszechnie stosowane w różnych zastosowaniach pojazdów elektrycznych o małej mocy, w tym w generowaniu energii pomocniczej, zarządzaniu akumulatorami i mocy napędu bramy. Jego konstrukcja jest prostsza i składa się z mniejszej liczby komponentów, co zmniejsza rozmiar, poprawia niezawodność i obniża koszty. Rdzeniem zasilacza typu flyback jest transformator typu flyback, który jest zazwyczaj jednym z największych elementów wymaganych do zapewnienia izolacji wysokiego napięcia.
W artykule przedstawiono zasadę działania konwerterów typu flyback, wpływ pasożytniczej indukcyjności i pojemności oraz znaczenie rozmiaru elementu i izolacji sygnału. Następnie wprowadzono transformator typu flyback Bournsa i wyjaśniono, w jaki sposób pomógł on rozwiązać wiele problemów z zasilaniem pojazdów samochodowych.
Konwerter Flyback
Rdzeniem przetwornicy typu flyback jest transformator typu flyback, który zapewnia transmisję mocy i izolację pomiędzy stroną pierwotną i wtórną obwodu przetwornicy (Rysunek 1, góra). Konwerter może zwiększać lub obniżać napięcie źródła prądu stałego, zgodnie z konfiguracją transformatora typu flyback. Oprócz transformatora typu flyback obwód wymaga również przełącznika strony pierwotnej (SW) (zwykle MOSFET) i wtórnego prostownika/filtra.
Uproszczony schemat ideowy podstawowych elementów konwertera typu flyback
Rysunek 1: Pokazano uproszczony schemat ideowy podstawowych komponentów (górny rysunek) i ważnych przebiegów roboczych (dolny rysunek) konwertera typu flyback. (Źródło obrazu: Bourns Inc.)
Ustawiając Vgs w stanie wysokim (rysunek 1 na dole), cykl pracy rozpoczyna się po włączeniu SW. Gdy przełącznik jest zamknięty, napięcie przyłożone do cewki indukcyjnej jest funkcją stopniową. Cewki indukcyjne mogą przeciwdziałać chwilowym zmianom prądu i integrować przyłożone napięcie krokowe. Tworzy to funkcję rampową, w której prąd w uzwojeniu pierwotnym transformatora typu flyback rośnie liniowo pod wpływem indukcyjności pierwotnej. Z powodu odwrotnego polaryzacji diody prostowniczej (D) w uzwojeniu wtórnym transformatora nie ma prądu. Szczelina powietrzna w rdzeniu transformatora typu flyback może zapobiec nasyceniu, gdy wzrasta pole magnetyczne transformatora.
Kiedy przełącznik jest wyłączony (poprzez przywrócenie Vgs do stanu niskiego), energia zmagazynowana w polu magnetycznym transformatora jest przekazywana do uzwojenia wtórnego poprzez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia, ładując kondensator wyjściowy (C2). Prąd wtórny maleje liniowo aż do wyczerpania się energii pola magnetycznego lub ponownego otwarcia wyłącznika, rozpoczynając następny cykl.
Typowy transformator, taki jak transformator w liniowym zasilaczu, w sposób ciągły przekazuje energię z uzwojenia pierwotnego do uzwojenia wtórnego. Zasada działania transformatora typu flyback jest bardziej podobna do pary połączonych cewek indukcyjnych, ponieważ nie przekazuje on energii w sposób ciągły podczas cyklu roboczego. Jednakże, podobnie jak w przypadku transformatorów, napięcie wyjściowe można również regulować poprzez zmianę współczynnika zwojów pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Transformator typu flyback zapewnia również izolację galwaniczną pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Ponadto obsługuje także wiele uzwojeń wtórnych, dzięki czemu konwerter może wyprowadzać wiele napięć.
Pasożytnicze efekty konwerterów typu flyback
Jak na typowy obwód elektroniczny, przetwornice typu flyback podlegają wpływom pasożytniczej indukcyjności i pojemności (rysunek 2).
Schematyczny obraz konwertera flyback
Rysunek 2: Pokazano schemat ideowy konwertera typu flyback z zaznaczoną na czerwono pojemnością pasożytniczą i indukcyjnością związaną z elementami konwertera. (Źródło obrazu: Bourns Inc.)
Indukcyjność namagnesowana (Lm) jest główną właściwością indukcyjną, która określa magazynowanie energii transformatorów typu flyback. Z transformatorami związana jest także pasożytnicza indukcyjność rozproszenia (Llk) połączona szeregowo z przełącznikami. Gdy przełącznik jest odłączony, będzie próbował utrzymać prąd pierwotny i zwiększyć napięcie na przełączniku. Większość konwerterów typu flyback wykorzystuje obwody zaciskowe lub obwody buforowe w celu ochrony przełączników przed skutkami takich napięć przejściowych. Efekt ten zwiększy również promieniowanie pola magnetycznego i wpłynie na zakłócenia elektromagnetyczne. Indukcyjność routingu płytki drukowanej (Ltr) zwiększa te efekty.
Projektanci transformatorów dołożą wszelkich starań, aby zminimalizować indukcyjność rozproszenia. Główną metodą jest zwiększenie sprzężenia między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Aby to osiągnąć, należy zminimalizować odstępy między uzwojeniami i ułożyć je schodkowo.
Pojemność rozproszona obejmuje pojemność pierwotną (Cp), pojemność między uzwojeniami (Cps), pojemność wtórną (Cs), pojemność wyjściową tranzystora polowego (Co) i pojemność diody wtórnej (Cd). Kondensatory te oddziałują z cewkami indukcyjnymi, zmniejszając integralność kształtu fali sygnału przetwornika (rysunek 3).
Schematyczny diagram wpływu elementów pasożytniczych, takich jak kondensatory i cewki indukcyjne, na przebiegi przełącznika (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 3: Pokazano wpływ elementów pasożytniczych, takich jak kondensatory i cewki indukcyjne, na kształt fali przełączającej. (Źródło obrazu: Bourns Inc.)
Kształt fali przełączającej jest korzystnie impulsem prostokątnym bez przeregulowania lub niedoregulowania. Szybki czas konwersji tego prostokątnego impulsu zapewnia, że przebieg napięcia osiągnie zero, zanim prąd wzrośnie. W rzeczywistości wpływ pasożytniczej pojemności i indukcyjności może spowolnić czas konwersji i spowodować przeregulowanie, niedoregulowanie i chwilowe oscylacje. Ponadto, ze względu na nakładanie się niezerowych przebiegów napięcia pierwotnego i prądu, wolniejsze czasy narastania i opadania zwiększą straty przełączania przetwornicy. To nakładanie się spowoduje straty przełączania w przełącznikach FET, zmniejszając w ten sposób wydajność konwertera. Znaczący spadek w górnej części impulsu jest spowodowany rezystancją obciążenia i indukcyjnością magnesowania.
Projektując transformator typu flyback, należy dołożyć starań, aby częstotliwość rezonansu własnego znajdowała się z dala od częstotliwości przełączania konwertera oraz maksymalnie skrócić okablowanie pomiędzy przełącznikiem a transformatorem typu flyback, co pomaga zminimalizować pojemność pasożytniczą. Ponadto pojemność między uzwojeniami zapewnia również ścieżkę do sprzęgania składowych wysokiej częstotliwości sygnału pierwotnego z wyjściem. Im większa pojemność między uzwojeniami, tym większe przewodzone promieniowanie EMI konwertera. Aby osiągnąć optymalną wydajność, należy dokonać kompromisów w projekcie, ponieważ ciaśniejsze sprzężenie uzwojeń zmniejsza indukcyjność rozproszenia, ale także zwiększa pojemność między uzwojeniami. W tym właśnie leży znaczenie doświadczenia projektantów transformatorów.
Zmniejsz rozmiar i izoluj sygnały
Komponenty stosowane w zastosowaniach motoryzacyjnych powinny być jak najmniejsze. Fizyczne wymiary komponentów są określone przez właściwości materiału i fizyczne cechy funkcjonalności komponentów. W przypadku transformatorów typu flyback odstęp między przewodami musi być wystarczający, aby wytrzymać szczytowe napięcie robocze i testy napięcia wymagane do standardowej certyfikacji. Kluczowymi specyfikacjami związanymi z przebiciem napięcia są szczelina i droga pełzania (rysunek 4).