Jakie są skuteczne ograniczenia mocy topologii konwertera flyback i dlaczego?

Patrząc na kilka różnych topologii izolowanych konwerterów, flyback wygląda na najprostszy na pierwszy rzut oka. Jest tylko jeden przełącznik, więc jest tylko jeden sterownik, który (wszystkie inne rzeczy są równe) powinien obniżyć koszty. Jednak przy wysokich poziomach mocy (5 kW +) przelot wydaje się zasadniczo nie być uważany za praktyczny. Zapytałem, dlaczego na początku mojej kariery, a odpowiedzi, które otrzymałem, były niejasne.

Spotkałem jedną osobę, która często nawijała własne transformatory typu flyback; powiedział, że raz pobrał 500 W z jednego, ale tylko ledwie i z dużą ilością przewijania, aby zoptymalizować transformator. Producenci komercyjni, z którymi rozmawiałem, zamilkli lub spytali, jaką szaloną rzecz robię, żeby mieć tak duży transformator typu flyback.

W starej książce, na którą natknąłem się, powiedziano, że transformatory typu flyback muszą pracować na wysokich częstotliwościach, a dostępne przełączniki nie są w stanie wytrzymać obciążeń konwertera flyback przy tych poziomach mocy. Nie było jednak jasne, dlaczego te obciążenia były gorsze niż inne topologie z jednym przełącznikiem, takie jak przetworniki podwyższające napięcie. Nie było też jasne, dlaczego częstotliwości muszą być tak wysokie. Podejrzewam, że dzieje się tak, ponieważ konieczne jest wyjątkowo ścisłe połączenie transformatora / sprzężonej cewki indukcyjnej, co ogranicza wybór materiałów i rozmiarów rdzenia, dyktuje wybór częstotliwości, dodatkowo dyktuje wybór przełącznika. Ale to tylko przypuszczenie.

Więc jaka jest prawdziwa okazja? Jaki jest efektywny limit mocy topologii flyback i dlaczego?

Nie ma twardego ograniczenia mocy wyjściowej z topologii flyback. Jest to kwestia tego, która opcja jest najlepsza w danej sytuacji. Można stworzyć flyback 1kW, ale nie byłoby to ekonomicznie opłacalne. Jest to biznes, w którym odbywają się krwawe spotkania na dywanikach za 3-centymetrowe diody i zdają sobie sprawę, że taniej jest zatrudnić innego inżyniera w pełnym wymiarze godzin niż zainwestować dodatkowe kilka groszy w ich produkt - więc nie wybieraj najlepsza topologia wymagań mogłaby skrócić karierę.

Konwerter Flyback wykorzystuje rdzeń mniej wydajnie (oznacza więcej pieniędzy, rozmiarów i wagi rdzenia, co ma większe znaczenie, gdy poziomy mocy rosną). Jak zauważa Russell, funkcja flyback przechowuje przeniesioną energię w cewce i uwalnia ją na wyjście, w przeciwieństwie do większości innych typów, które przenoszą energię, gdy przełącznik jest włączony. Oznacza to, że natężenie prądu musi być koniecznie wyższe, ponieważ cała energia jest przenoszona za pomocą jednego przełącznika i może to być tylko część czasu. (Należy pamiętać, że niektóre straty są proporcjonalne do kwadratu prądu, więc 10A przez 33% czasu vs. 3A przez 100% czasu reprezentuje tę samą moc obciążenia, ale straty rezystancyjne w przełączniku cyklu pracy małej są 3,7 razy wyższy.

Napięcie napięciowe na przełączniku w trybie flyback jest znacznie wyższe (podwójne napięcie wejściowe) w porównaniu z dwuprzełączeniowym konwerterem do przodu (tylko napięcie wejściowe). To sprawia, że ​​przełącznik jest droższy, szczególnie w przypadku tranzystorów MOSFET, w których rozmiar chipa (a zatem i koszt) gwałtownie rośnie wraz z napięciem znamionowym, a wszystkie inne rzeczy są równe. Przełączniki, które są mniej wrażliwe na napięcie (pod względem kosztów), wydają się być raczej powolne (BJT i ​​IGBT), więc znów mniej odpowiednie dla przetwornic typu flyback, ponieważ wymagałyby większego rdzenia.

Przetwornice Flyback mają wiele zalet (potencjalna prostota ze względu na pojedynczy przełącznik, nie są wymagane cewki wyjściowe, ponieważ indukcyjność upływowa działa dla Ciebie, szeroki zakres napięcia wejściowego), ale zalety te dominują głównie przy niższych poziomach mocy.

Dlatego prawie zawsze zobaczysz konwertery flyback zastosowane w zasilaczach sieciowych i nigdy nie zobaczysz tego w zasilaczu do komputera o mocy 250 W + - obie aplikacje, w których wyciśnięty został wszelki nadmierny koszt, który można bezpiecznie wycisnąć (czasami więcej że!).

Po spaniu - tak krótka odpowiedź. Wszyscy są szczęśliwi :-).

Rozróżniasz „flyback” i boost ”- co może oznaczać to samo, ale nie musi.

Najbardziej unikalną cechą Flyback jest to, że energia, która ma zostać przeniesiona, jest całkowicie magazynowana w cewce, gdy przełącznik jest włączony, i przekazywana na wyjście przez zapadające się pole magnetyczne, gdy przełącznik jest wyłączony. Pewna myśl ujawni, że w rdzeniu z przerwami powietrznymi (lub takim, w którym szczeliny powietrzne są rozmieszczone w cewce indukcyjnej) energia jest w rzeczywistości magazynowana głównie w „powietrzu” w szczelinie - stwierdzenie, które przyciągnie „mocny przeciwny komentarz” . Niezależnie od dokładnego miejsca przechowywania energia jest magazynowana w polu magnetycznym, a zwiększona moc wymaga zwiększonego rozmiaru rdzenia.

Konwertery, które przenoszą energię w stanie włączenia przełącznika, nie polegają głównie na rdzeniu i polu magazynowania energii.

Aby przenieść większą moc w systemie flyback, musisz zwiększyć energię przekazywaną na cykl i / lub liczbę cykli na sekundę. W przypadku całkowicie „rozładowanego” induktora:

• $E$$\frac{1}{2}LI^2$

• $f\cdot\frac{1}{2}LI^2$

$f$
$I$
$L$

$L$$I = V\cdot t/L$$t$$V$

$f\cdot\frac{1}{2}LI^2$$I$$L$$E$

$t_{charge}$$<$$<<$ $1/f$$t_{off}$$t_{on}$

Wczesne tranzystory MOSFET były bardzo ograniczone w częstotliwości odcięcia. Nowoczesne tranzystory polowe są znacznie bardziej zdolne, ALE dla szybkich przełączników wysokiego napięcia IGBT są często korzystne.

Więc ... jest mało prawdopodobne, że zobaczysz konwertery flyback o mocy większej niż kilkaset watów, a zwykle mniejszej.

Może później.

Energia jest tracona przy każdym zamknięciu pojemności przełącznika.

To sprawia, że ​​coraz większa częstotliwość jest niepraktyczną odpowiedzią na flycore z większą przerwą w magazynowaniu energii kosztem niższej indukcyjności.

Możesz mieć duży rdzeń z dużą ilością zwojów, ale wtedy tracisz więcej w miedzi.

Wszystkie mosfety SIC, GAN i Silicon Superjunction mają znacznie mniejszą pojemność niż najlepsze urządzenia sprzed dekady. Możliwe są ciężkie przełączenia zwrotne o większej mocy.

Najlepsze techniki wykorzystują rezonans, aby usunąć część lub całość ładunku zgromadzonego na przełączniku przed jego włączeniem.

Przełączanie prądów szczytowych i napięć szczytowych ogranicza praktyczne moce wyjściowe, ALE półprzewodniki są coraz lepsze. Na przykład Mosfet SiC 1200 Volt 100 m Ohm mógłby wyłączyć szczyt 30 A. Dlatego można pomyśleć o 1KW off-line. Chociaż te nowoczesne przełączniki mają niskie straty przełączania, energia jest uwięziona w indukcyjności upływu transformatora, która nie dociera do obciążenia, co przy zastosowaniu ortodoksyjnej technologii transformatora jest gorsze niż jakiekolwiek potencjalne straty przełączania przy pracy na normalnych częstotliwościach. Tak aktywny zacisk lub cokolwiek, co zajmuje się wyciekiem, to paszport do dużej mocy przy niskich stratach.