Η ζήτηση για ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές πηγές ενέργειας στον καινοτόμο σχεδιασμό αυτοκινήτων μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: αύξηση της ισχύος, βελτίωση της αποδοτικότητας, μείωση των απαιτήσεων χώρου,και βελτίωση της αξιοπιστίαςΓια τα ηλεκτρικά οχήματα (EVs), η αποτελεσματικότητα είναι ζωτικής σημασίας για την ανακούφιση των χρηστών από το "ανήσυχο εύρος".Πρέπει να παρέχουμε συμπαγείς και ελαφριές λύσεις ενέργειας για εφεδρικές και βοηθητικές πηγές ενέργειαςΟι μικρότερες πηγές ενέργειας φέρνουν περισσότερες προκλήσεις.συμπεριλαμβανομένης της ανάγκης για μεγαλύτερες δυνατότητες απομόνωσης για την πρόληψη ηλεκτρικής βλάβης μεταξύ συστατικών με στενότερη απόσταση μεταξύ τους και τη μείωση των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών (EMI).
Οι μετατροπείς ισχύος flyback χρησιμοποιούνται συνήθως σε διάφορες εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων χαμηλής ισχύος, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής βοηθητικής ισχύος, διαχείρισης μπαταρίας και ισχύς κίνησης πύλης.με λιγότερα στοιχείαΟ πυρήνας μιας πηγής ενέργειας flyback είναι ο μετασχηματιστής flyback,που είναι συνήθως ένα από τα μεγαλύτερα στοιχεία που απαιτούνται για την υποστήριξη της απομόνωσης υψηλής τάσης.
Αυτό το άρθρο εισάγει την αρχή λειτουργίας των μετατροπών flyback, τις επιπτώσεις της παρασιτικής επαγωγικότητας και χωρητικότητας και τη σημασία του μεγέθους των συστατικών και της απομόνωσης του σήματος.Ο μετασχηματιστής του Μπορνς εισήχθη., και πώς βοήθησε στην επίλυση πολλών προβλημάτων τροφοδοσίας αυτοκινήτων.
Μετατροπέας flyback
Ο πυρήνας ενός μετατροπέα flyback είναι ένας μετασχηματιστής flyback, ο οποίος παρέχει μετάδοση ισχύος και απομόνωση μεταξύ των πρωτογενών και δευτερογενών πλευρών του κυκλώματος μετατροπέα (Σχήμα 1, επάνω).Ο μετατροπέας μπορεί να αυξήσει ή να αντισταθμίσει την τάση της παροχής ενέργειας συνεχούς ρεύματος σύμφωνα με τη διαμόρφωση του μετασχηματιστή flybackΕκτός από έναν μετασχηματιστή flyback, το κύκλωμα απαιτεί επίσης έναν πρωτογενή πλευρικό διακόπτη (SW) (συνήθως MOSFET) και έναν δευτερεύοντα διορθωτή / φίλτρο.
Απλοποιημένο σχεδιαστικό διάγραμμα των βασικών στοιχείων του μετατροπέα flyback
Σχήμα 1: Ένα απλοποιημένο σχηματικό διάγραμμα των βασικών στοιχείων (πάνω σχήμα) και σημαντικών λειτουργικών κυματομορφών (κάτω σχήμα) ενός μετατροπέα flyback (πηγή εικόνας: Bourns Inc.)
Με την τοποθέτηση του Vgs σε κατάσταση υψηλού επιπέδου (Σχήμα 1, κάτω), ο κύκλος λειτουργίας αρχίζει όταν ενεργοποιείται ο SW. Όταν κλείνει ο διακόπτης, η τάση που εφαρμόζεται στον επαγωγό είναι μια λειτουργία βήματος.Οι επαγωγείς μπορούν να αντισταθμίσουν τυχόν στιγμιαίες αλλαγές στο ρεύμα και να ενσωματώσουν την εφαρμοσμένη τάση βήματοςΑυτό δημιουργεί μια λειτουργία ράμπας, όπου το ρεύμα στην πρωτογενή επικάλυψη του μετασχηματιστή flyback αυξάνεται γραμμικά λόγω της επιρροής της πρωτογενούς επαγωγικότητας.Εξαιτίας της αντίστροφης κλίσης της διόδου ευθυγράμμισης (D)Το κενό αέρα στον πυρήνα του μετασχηματιστή flyback μπορεί να αποτρέψει τον κορεσμό όταν το μαγνητικό πεδίο του μετασχηματιστή αυξάνεται.
Όταν ο διακόπτης απενεργοποιείται (επαναφέροντας το Vgs σε χαμηλή κατάσταση), η ενέργεια που αποθηκεύεται στο μαγνητικό πεδίο του μετασχηματιστή μεταφέρεται στο δευτερεύον μέσω της προωθημένης διόδου,φόρτιση του πυκνωτή εξόδου (C2)Το δευτερογενές ρεύμα μειώνεται γραμμικά μέχρι να εξαντληθεί η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου ή να ανοίξει ξανά ο διακόπτης, ξεκινώντας τον επόμενο κύκλο.
Ένας τυπικός μετασχηματιστής, όπως ένας μετασχηματιστής σε γραμμική τροφοδοσία, μεταφέρει συνεχώς ενέργεια από την πρωτογενή επικάλυψη στην δευτερογενή επικάλυψη.Η αρχή λειτουργίας ενός μετασχηματιστή flyback είναι πιο παρόμοια με ένα ζευγάρι συνδεδεμένων επαγωγώνΩστόσο, όπως και οι μετασχηματιστές, οι ηλεκτρονικές συσκευές δεν μπορούν να μεταφέρουν συνεχώς ενέργεια κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας.η τάση εξόδου μπορεί επίσης να ρυθμιστεί με την αλλαγή της αναλογίας στροφών μεταξύ των πρωτογενών και δευτερογενών τυλιγμώνΟ μετασχηματιστής flyback παρέχει επίσης ηλεκτρική απομόνωση μεταξύ των πρωτογενών και δευτερογενών τυλιγμών.που επιτρέπει στον μετατροπέα να εκπέμπει πολλαπλές τάσεις.
Παρασιτικές επιδράσεις των μετατροπών flyback
Ως τυπικό ηλεκτρονικό κύκλωμα, οι μετατροπείς flyback επηρεάζονται από παρασιτική επαγωγικότητα και χωρητικότητα (Σχήμα 2).
Σχεδιακή εικόνα μετατροπέα flyback
Σχήμα 2: Δείχνει το σχήμα του μετατροπέα flyback, με το κόκκινο να υπογραμμίζει την παρασιτική χωρητικότητα και την επαγωγικότητα που σχετίζονται με τα συστατικά του μετατροπέα (πηγή εικόνας: Bourns Inc.)
Η μαγνητοποιημένη επαγωγικότητα (Lm) είναι η κύρια επαγωγική ιδιότητα που καθορίζει την αποθήκευση ενέργειας των μετασχηματιστών flyback.Επίσης σχετίζεται με τους μετασχηματιστές είναι παρασιτική επαγωγικότητα διαρροής (Llk) σε σειρά με διακόπτεςΌταν ο διακόπτης αποσυνδεθεί, θα προσπαθήσει να διατηρήσει το κύριο ρεύμα και να αυξήσει την τάση σε όλο τον διακόπτη.Οι περισσότεροι μετατροπείς flyback χρησιμοποιούν κυκλώματα συμπίεσης ή κυκλώματα αποθήκευσης για την προστασία των διακόπτες από τις επιπτώσεις τέτοιων παροδικών τάσεωνΗ επίδραση αυτή θα αυξήσει επίσης την ακτινοβολία μαγνητικού πεδίου και θα επηρεάσει την ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή.
Οι σχεδιαστές μετασχηματιστών θα καταβάλουν κάθε προσπάθεια για να ελαχιστοποιήσουν την επαγωγικότητα διαρροής.είναι απαραίτητο να ελαχιστοποιήσετε την απόσταση μεταξύ των τυλιγμών και να τα οργανώσετε σε σταδιακό τρόπο.
Η κατανεμημένη χωρητικότητα περιλαμβάνει την πρωτογενή χωρητικότητα (Cp), την χωρητικότητα μεταξύ των περιελιγμών (Cps), τη δευτερογενή χωρητικότητα (Cs), την χωρητικότητα εξόδου του τρανζίστορα με επίδραση πεδίου (Co),και δευτερεύουσα χωρητικότητα διόδου (Cd)Αυτοί οι πυκνωτές αλληλεπιδρούν με τους επαγωγούς, μειώνοντας την ακεραιότητα της μορφής κύματος του σήματος μετατροπέα (Σχήμα 3).
Σχεδιακό διάγραμμα της επιρροής παρασιτικών συστατικών όπως πυκνωτές και επαγωγείς στις μορφές κύματος διακόπτη (κάντε κλικ για να μεγαλώσετε)
Σχήμα 3: Η επιρροή παρασιτικών συστατικών όπως οι πυκνωτές και οι επαγωγείς στο σχήμα κύματος μετάδοσης (πηγή εικόνας: Bourns Inc.)
Η σχήμα κύματος του διακόπτη είναι κατά προτίμηση ορθογώνιος παλμός χωρίς υπερβολική ή υποεκτόμηση.Ο γρήγορος χρόνος μετατροπής αυτού του ορθογώνιου παλμού εξασφαλίζει ότι η μορφή κύματος τάσης είναι στο μηδέν πριν από την αύξηση του ρεύματοςΣτην πραγματικότητα, οι επιδράσεις της παρασιτικής χωρητικότητας και της επαγωγικότητας μπορούν να επιβραδύνουν τον χρόνο μετατροπής και να προκαλέσουν υπερέκταση, υποέκταση και στιγμιαία ταλαντώσεις.λόγω της επικαλύψεως μη μηδενικών κυματικών μορφών πρωταρχικής τάσης και ρεύματοςΗ επικάλυψη αυτή θα οδηγήσει σε απώλειες μετάδοσης σε διακόπτες FET, μειώνοντας έτσι την απόδοση του μετατροπέα.Η σημαντική μείωση στην κορυφή του παλμού προκαλείται από την αντίσταση φορτίου και μαγνητοποιητική επαγωγικότητα.
Κατά το σχεδιασμό ενός μετασχηματιστή flyback,πρέπει να καταβάλλονται προσπάθειες για να διατηρηθεί η αυτοανακουφιστική συχνότητα μακριά από τη συχνότητα μετάδοσης του μετατροπέα και να συντομευθεί όσο το δυνατόν περισσότερο η καλωδίωση μεταξύ του διακόπτη και του μετασχηματιστή flybackΕπιπλέον, η χωρητικότητα διασύνδεσης παρέχει επίσης μια διαδρομή για τη σύνδεση των συστατικών υψηλής συχνότητας του πρωτογενούς σήματος με την έξοδο.Όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα μεταξύ των τυλιγμώνΓια να επιτευχθεί βέλτιστη απόδοση, πρέπει να γίνουν συμβιβασμοί στον σχεδιασμό,καθώς η στενότερη ζεύξη περιστροφής μειώνει την επαγωγικότητα διαρροής αλλά αυξάνει επίσης την χωρητικότητα μεταξύ περιστροφήςΕδώ βρίσκεται η σημασία της εμπειρίας των σχεδιαστών μετασχηματιστών.
Μειώστε το μέγεθος και απομονώστε τα σήματα
Τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές αυτοκινήτων πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερα.Οι φυσικές διαστάσεις των κατασκευαστικών στοιχείων καθορίζονται από τις ιδιότητες του υλικού και τα φυσικά χαρακτηριστικά της λειτουργικότητας των κατασκευαστικών στοιχείων.Για τους μετασχηματιστές flyback, ο διαχωρισμός των αγωγών πρέπει να είναι επαρκής για να αντέχει στην κορυφαία τάση λειτουργίας και τις δοκιμές τάσης που απαιτούνται για την τυποποιημένη πιστοποίηση.Οι βασικές προδιαγραφές που σχετίζονται με τη διάσπαση της τάσης είναι το κενό και η απόσταση συρρίκνωσης (σχήμα 4).