اصول اولیه و روش های کار منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک

اصول اولیه و روش های کار منبع تغذیه سوئیچینگ فلای بک

اصول اولیه و روش کار

اساسی

هنگامی که ترانزیستور ترتون سوئیچ می شود، Np اولیه ترانسفورماتور دارای Ip جریان است و انرژی را در آن ذخیره می کند (E=LpIp/2). از آنجایی که Np و Ns دارای قطبیت مخالف هستند، دیود D در این زمان معکوس بایاس می شود و قطع می شود و هیچ انرژی به بار منتقل نمی شود. هنگام تعویض تروف، طبق قانون لنز: (e=-N△Φ/△T)، سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور پتانسیل معکوس ایجاد می کند. در این زمان، دیود D هدایت رو به جلو است و بار دارای جریان IL است. شکل موج حالت پایدار مبدل فلای بک

اندازه تن زمان هدایت، دامنه Ip و Vce را تعیین می کند:

Vcemax=VIN/1-Dmax

VIN: ولتاژ DC ورودی؛ Dmax: حداکثر چرخه کاری

Dmax=تن/T

مشاهده می شود که برای به دست آوردن ولتاژ پایین کلکتور، Dmax باید پایین نگه داشته شود، یعنی Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.

جریان کار کلکتور یعنی هنگام تعویض لوله Tron، یعنی پیک جریان اولیه Ip این است: Ic=Ip=IL/n. از آنجایی که IL=Io، زمانی که Io ثابت است، اندازه نسبت چرخش n اندازه Ic را تعیین می کند، فرمول فوق بر اساس اصل بقای توان مشتق شده است و تعداد دورهای آمپر اولیه و ثانویه برابر است. به NpIp=NsIs. IP را می توان با روش زیر نیز بیان کرد:

Ic=IP=2po/(η*VIN*Dmax)η: کارایی مبدل

فرمول به صورت زیر مشتق شده است:

توان خروجی: po=LIp2η/2T

ولتاژ ورودی: VIN=Ldi/dt، با فرض di=IP، و 1/dt=f/Dmax، سپس:

VIN=LIpf/Dmax یا Lp=VIN*Dmax/Ipf

سپس po را می توان به صورت زیر بیان کرد:

po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp

∴IP=2po/ηVINDmax

در فرمول بالا:

VIN: حداقل ولتاژ ورودی DC (V)

Dmax: حداکثر چرخه وظیفه هدایت

Lp: اندوکتانس اولیه ترانسفورماتور (mH)

IP: پیک جریان سمت اولیه ترانسفورماتور (A)

f: فرکانس تبدیل (KHZ)

شیوه ی کار

ترانسفورماتورهای فلای بک به طور کلی در دو حالت کار می کنند:
1. حالت ناپیوسته جریان سلف DCM (DiscontinuousInductorCurrentMode) یا "تبدیل کامل انرژی": تمام انرژی ذخیره شده در ترانسفورماتور در تن به خروجی در طول دوره بازگشت (toff) منتقل می شود.

2. حالت پیوسته جریان سلف CCM (ContinuousInductorCurrentMode) یا "تبدیل انرژی ناقص": بخشی از انرژی ذخیره شده در ترانسفورماتور در انتهای toff تا شروع چرخه تن بعدی حفظ می شود.

DCM و CCM از نظر عملکردهای کوچک انتقال سیگنال بسیار متفاوت هستند. شکل موج آنها در شکل 3 نشان داده شده است. در واقع، هنگامی که ولتاژ ورودی مبدل VIN در یک محدوده بزرگ تغییر می کند، یا جریان بار IL در یک محدوده بزرگ تغییر می کند. بنابراین، مبدل فلای بک لازم است تا در DCM/CCM پایدار کار کند. اما طراحی آن دشوارتر است. معمولاً می توانیم از حالت بحرانی DCM/CCM به عنوان مبنای طراحی استفاده کنیم. همراه با کنترل حالت فعلی pWM. این روش می تواند به طور موثر مشکلات مختلف را در DCM حل کند، اما مشکل ناپایداری ذاتی مدار در CCM را از بین نمی برد. CCM را می توان با تنظیم بهره حلقه کنترل برای جدا کردن باند فرکانس پایین و کاهش سرعت پاسخ گذرا حل کرد. ناپایداری توسط "نیم صفحه سمت راست صفر" تابع انتقال ایجاد می شود.

DCM و CCM از نظر عملکردهای کوچک انتقال سیگنال بسیار متفاوت هستند.

نمودار شکل موج جریان اولیه و ثانویه DCM/CCM

در واقع، هنگامی که VIN ولتاژ ورودی مبدل در یک محدوده بزرگ تغییر می کند، یا جریان بار IL در یک محدوده بزرگ تغییر می کند، باید دو حالت عملیاتی را در بر بگیرد. بنابراین، مبدل flyback به DCM/CCM نیاز دارد که هر دو می‌توانند پایدار کار کنند. اما طراحی آن دشوارتر است. معمولاً می‌توانیم از حالت بحرانی DCM/CCM به عنوان مبنای طراحی استفاده کنیم و از pWM کنترل حالت فعلی استفاده کنیم. این روش می تواند به طور موثر مشکلات مختلفی را در DCM حل کند، اما در هنگام CCM مشکل ناپایداری ذاتی در مدار وجود ندارد. ناپایداری ناشی از "نقطه صفر صفحه نیمه راست" تابع انتقال در CCM را می توان با تنظیم بهره حلقه کنترل برای جداسازی باند فرکانس پایین و کاهش سرعت پاسخ گذرا حل کرد.

در حالت پایدار، تغییر در افزایش شار مغناطیسی ΔΦ در تن باید برابر با تغییر در "توف" باشد، در غیر این صورت هسته مغناطیسی اشباع می شود.

از این رو،

ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns

یعنی مقدار ولت/ثانیه هر دور سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور باید برابر با مقدار ولت/ثانیه هر دور سیم پیچ ثانویه باشد.

با مقایسه شکل موج های جریان DCM و CCM در شکل 3، می توان فهمید که در طول دوره ترتون در حالت DCM، کل شکل موج انتقال انرژی دارای پیک جریان اولیه بالاتری است. این به این دلیل است که مقدار القایی اولیه Lp نسبتاً پایین است و Ip را شدید می کند. اثر منفی ناشی از افزایش، افزایش تلفات سیم پیچ (اتلاف سیم پیچ) و جریان موج دار خازن فیلتر ورودی است که نیاز به ترانزیستور سوئیچینگ دارد. ظرفیت حمل جریان بالا به منظور کار ایمن.

در حالت CCM، پیک جریان سمت اولیه کم است، اما کریستال سوئیچینگ مقدار جریان کلکتور بالایی در حالت تن دارد. این منجر به مصرف انرژی بالای کریستال سوئیچینگ می شود. در عین حال، برای دستیابی به CCM، ولتاژ اولیه ترانسفورماتور بیشتر مورد نیاز است. مقدار اندوکتانس جانبی Lp و انرژی باقیمانده ذخیره شده در هسته ترانسفورماتور نیاز دارد که حجم ترانسفورماتور بزرگتر از حجم DCM باشد، در حالی که سایر ضرایب برابر هستند.

به طور خلاصه، طراحی ترانسفورماتورهای DCM و CCM اساساً یکسان است، به جز تعریف جریان پیک جانبی اولیه (Ip=Imax-Imin در CCM).