Princípios básicos e métodos de trabalho da fonte de alimentação de comutação flyback
Princípios básicos e métodos de trabalho
Fundamental
Quando o transistor Trton é chaveado, o primário Np do transformador possui uma corrente Ip e armazena energia nele (E=LpIp/2). Como Np e Ns têm polaridades opostas, o diodo D é polarizado inversamente e cortado neste momento, e nenhuma energia é transferida para a carga. Ao chavear Troff, de acordo com a lei de Lenz: (e=-N△Φ/△T), o enrolamento primário do transformador irá gerar um potencial reverso. Neste momento, o diodo D está conduzindo diretamente e a carga tem corrente IL fluindo. Forma de onda de estado estacionário do conversor flyback
O tamanho do tempo de condução ton determinará a amplitude de Ip e Vce:
Vcemax=VIN/1-Dmax
VIN: tensão CC de entrada; Dmax: ciclo máximo de trabalho
Dmáx=tonelada/T
Pode-se observar que para se obter uma tensão de coletor baixa, Dmax deve ser mantido baixo, ou seja, Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.
A corrente de operação do coletor Ie na comutação do tubo Tron, ou seja, a corrente de pico primária Ip é: Ic=Ip=IL/n. Como IL=Io, quando Io é constante, o tamanho da relação de espiras n determina o tamanho de Ic , a fórmula acima é derivada com base no princípio da conservação de energia e o número de espiras de amperes primárias e secundárias é igual para NpIp=NsIs. O IP também pode ser expresso pelo seguinte método:
Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: Eficiência do conversor
A fórmula é derivada da seguinte forma:
Potência de saída:po=LIp2η/2T
Tensão de entrada: VIN=Ldi/dt, assumindo di=Ip e 1/dt=f/Dmax, então:
VIN=LIpf/Dmax ou Lp=VIN*Dmax/Ipf
Então po pode ser expresso como:
po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp
∴Ip=2po/ηVINDmax
Na fórmula acima:
VIN: Tensão mínima de entrada CC (V)
Dmax: ciclo de trabalho máximo de condução
Lp: Indutância primária do transformador (mH)
Ip: corrente de pico do lado primário do transformador (A)
f: frequência de conversão (KHZ)
Maneira de trabalhar
Os transformadores Flyback geralmente funcionam em dois modos:
1. Modo descontínuo de corrente do indutor DCM (DiscontinuousInductorCurrentMode) ou “conversão completa de energia”: toda a energia armazenada no transformador em tonelada é transferida para a saída durante o período flyback (toff).
2. Modo contínuo de corrente do indutor CCM (ContinuousInductorCurrentMode) ou “conversão incompleta de energia”: parte da energia armazenada no transformador é retida no final do toff até o início do próximo ciclo de tonelada.
DCM e CCM são muito diferentes em termos de funções de transferência de pequenos sinais. Suas formas de onda são mostradas na Figura 3. Na verdade, quando a tensão de entrada do conversor VIN muda dentro de uma grande faixa, ou a corrente de carga IL muda dentro de uma grande faixa Quando , ela deve abranger dois modos de trabalho. Portanto, o conversor flyback é necessário para funcionar de forma estável em DCM/CCM. Mas é mais difícil projetar. Normalmente podemos usar o estado crítico DCM/CCM como base de projeto. Juntamente com o controle de modo atual pWM. Este método pode resolver efetivamente vários problemas no DCM, mas não elimina o problema de instabilidade inerente do circuito no CCM. O CCM pode ser resolvido ajustando o ganho da malha de controle para separar a banda de baixa frequência e reduzir a velocidade de resposta transitória. A instabilidade é causada pelo "zero semiplano direito" da função de transferência.
DCM e CCM são muito diferentes em termos de funções de transferência de pequenos sinais.
Diagrama de forma de onda de corrente primária e secundária DCM/CCM
Na verdade, quando a tensão de entrada VIN do conversor muda dentro de uma grande faixa, ou a corrente de carga IL muda dentro de uma grande faixa, ele deve abranger dois modos de operação. Portanto, o conversor flyback requer DCM/CCM. Ambos podem funcionar de forma estável. Mas é mais difícil projetar. Normalmente podemos usar o estado crítico DCM/CCM como base de projeto e usar o controle de modo de corrente pWM. Este método pode resolver efetivamente vários problemas no DCM, mas não há problema de instabilidade inerente no circuito durante o CCM. A instabilidade causada pelo "ponto zero do meio plano direito" da função de transferência no CCM pode ser resolvida ajustando o ganho da malha de controle para separar a banda de baixa frequência e reduzir a velocidade de resposta transitória.
Num estado estável, a mudança no incremento do fluxo magnético ΔΦ na tonelada deve ser igual à mudança no "toff", caso contrário o núcleo magnético ficará saturado.
portanto,
ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns
Ou seja, o valor de volts/segundo de cada espira do enrolamento primário do transformador deve ser igual ao valor de volts/segundo de cada espira do enrolamento secundário.
Comparando as formas de onda atuais do DCM e do CCM na Figura 3, podemos saber que durante o período Trton no estado DCM, toda a forma de onda de transferência de energia tem uma corrente de pico primária mais alta. Isso ocorre porque o valor da indutância primária Lp é relativamente baixo, tornando Ip acentuadamente. O efeito negativo causado pelo aumento é aumentar a perda do enrolamento (perda do enrolamento) e a corrente de ondulação do capacitor do filtro de entrada, o que exige que o transistor chaveador tenha um alta capacidade de carga de corrente para trabalhar com segurança.
No estado CCM, a corrente de pico do lado primário é baixa, mas o cristal de comutação tem um alto valor de corrente de coletor no estado ton. Isso resulta em alto consumo de energia do cristal de comutação. Ao mesmo tempo, para atingir o CCM, é necessária uma tensão primária mais alta do transformador. O valor da indutância lateral Lp e a energia residual armazenada no núcleo do transformador exigem que o volume do transformador seja maior que o do DCM, enquanto os outros coeficientes são iguais.
Resumindo, o projeto dos transformadores DCM e CCM é basicamente o mesmo, exceto pela definição da corrente de pico do lado primário (Ip=Imax-Imin no CCM).
