Quali sono le effettive limitazioni di potenza della topologia del convertitore flyback e perché?

Osservando diverse topologie di convertitori isolati, il flyback sembra essere il più semplice a prima vista. C'è solo un interruttore, quindi c'è un solo driver, che (a parità di tutte le altre cose) dovrebbe ridurre i costi. Tuttavia, ad alti livelli di potenza (5kW +) il flyback sembra generalmente non essere considerato pratico. Ho chiesto perché all'inizio della mia carriera e le risposte che ho ottenuto sono state vaghe.

Ho incontrato una persona che normalmente avvolgeva i suoi trasformatori flyback; ha detto che ne ha ricavato 500 W una volta, ma a malapena e con molti riavvolgimenti per ottimizzare il trasformatore. I produttori commerciali con cui ho parlato sono rimasti in silenzio o hanno chiesto quale cosa folle stavo facendo per volere un trasformatore flyback così grande.

Un vecchio libro in cui mi sono imbattuto diceva che i trasformatori flyback devono essere azionati ad alte frequenze e che gli switch disponibili non potevano sopravvivere alle sollecitazioni di un convertitore flyback a quei livelli di potenza. Tuttavia, non era chiaro perché tali stress fossero peggiori rispetto ad altre topologie a singolo interruttore, come i convertitori di boost. Né era chiaro perché le frequenze dovessero essere così alte. Ho il sospetto che sia necessario un accoppiamento eccezionalmente stretto attraverso il trasformatore / induttore accoppiato, che limita la scelta dei materiali e delle dimensioni del nucleo, dettando la scelta della frequenza, dettando ulteriormente la selezione dell'interruttore. Ma è solo una supposizione.

Quindi qual è il vero affare? Qual è il limite di potenza effettiva della topologia flyback e perché?

Non esiste un limite rigido alla potenza di uscita da una topologia flyback. È una questione di quale è meglio per una determinata situazione. Si potrebbe creare un flyback da 1kW, ma non sarebbe probabilmente economico. Questo è un business in cui hanno riunioni sanguinanti sul tappeto con diodi da 3 centesimi e riconoscono che è più economico assumere un altro ingegnere a tempo pieno che mettere qualche soldo in più nel loro prodotto, quindi non scegliere il la migliore topologia per i requisiti potrebbe scorciare la propria carriera.

Il convertitore flyback utilizza il core in modo meno efficiente (significa più denaro, dimensioni e peso per un core, che conta di più quando i livelli di potenza salgono). Come sottolinea Russell, il flyback immagazzina l'energia trasferita nell'induttore e la rilascia all'uscita, al contrario della maggior parte degli altri tipi che trasferiscono energia quando l'interruttore è acceso. Ciò significa necessariamente che lo stress attuale deve essere maggiore, poiché tutta l'energia viene trasferita da un singolo interruttore e può rimanere solo una parte del tempo. (Tenere presente che alcune perdite sono proporzionali al quadrato della corrente, quindi 10A per il 33% del tempo contro 3A per il 100% del tempo rappresentano la stessa potenza di carico, ma le perdite resistive nell'interruttore del ciclo di lavoro basso sono 3,7 volte superiore.

Lo stress di tensione sull'interruttore in un flyback è molto più elevato (doppia tensione di ingresso) rispetto a un convertitore diretto a due interruttori (solo la tensione di ingresso). Ciò rende lo switch più costoso, soprattutto per i MOSFET, in cui la dimensione del chip (e quindi il costo) aumenta rapidamente con la tensione nominale, a parità di altre condizioni. Gli switch meno sensibili alla tensione (in termini di costi) tendono ad essere piuttosto lenti (BJT e IGBT), quindi ancora meno adatti ai convertitori flyback perché richiederebbero un core più grande.

I convertitori flyback hanno una serie di vantaggi (potenziale semplice grazie al singolo interruttore, nessun induttore di uscita richiesto perché l'induttanza di dispersione funziona per te, ampio intervallo di tensioni di ingresso), ma questi vantaggi prevalgono principalmente a livelli di potenza inferiori.

Ecco perché vedrai quasi sempre convertitori flyback utilizzati negli adattatori CA e non lo vedrai mai in un alimentatore PC da 250 W + - entrambe le applicazioni in cui è stato eliminato qualsiasi costo in eccesso che è sicuro da comprimere (a volte più che quella!).

Andata a letto passata: una risposta così breve. Tutti sono felici :-).

Distingui 'flyback' e boost '- che può significare la stessa cosa, ma potrebbe non esserlo.

La caratteristica più singolare di Flyback è che l'energia da trasferire viene immagazzinata interamente nell'induttore quando l'interruttore è acceso e trasferita all'uscita dal campo magnetico collassante quando l'interruttore è spento. Qualche pensiero rivelerà che in un nucleo interconnesso dall'aria (o in uno in cui gli spazi vuoti dell'aria sono distribuiti in tutto l'induttore) l'energia viene infatti immagazzinata principalmente nell'aria nel divario - un'affermazione che attirerà "un robusto commento contrario" . Indipendentemente dalla posizione esatta di conservazione, l'energia viene immagazzinata nel campo magnetico e una maggiore potenza richiede una dimensione del nucleo maggiore.

I convertitori che trasferiscono energia durante lo stato di accensione non si basano principalmente sul core e sul campo per lo stoccaggio di energia.

Per trasferire più potenza in un sistema flyback è necessario aumentare l'energia trasferita per ciclo e / o il numero di cicli al secondo. Per un induttore completamente "scaricato":

• $E$$\frac{1}{2}LI^2$

• $f\cdot\frac{1}{2}LI^2$

$f$
$I$
$L$

Per una determinata tensione di sistema, per ottenere più potenza in un determinato tempo di carica dell'induttore disponibile, è necessario DIMINUIRE , poiché , e e sono fissi.I = V ⋅ t / L t $L$$I = V\cdot t/L$$t$$V$

Poiché il trasferimento di energia = , raddoppiando in isolamento aumenterebbe la velocità di trasferimento di energia di un fattore 4, MA poiché deve diminuire per fare questo, infatti aumenta approssimativamente in modo lineare con corrente crescente. IL$f\cdot\frac{1}{2}LI^2$$I$$L$$E$

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

I MOSFET iniziali erano estremamente limitati nella frequenza di taglio. I moderni FET sono molto più capaci, MA spesso gli IGBT a commutazione ad alta tensione ad alta velocità sono spesso vantaggiosi.

Quindi ... è improbabile che tu veda convertitori flyback a più di qualche centinaio di watt, e di solito meno.

Più tardi forse.

L'energia viene persa in ogni chiusura della capacità dell'interruttore.

Ciò rende la frequenza sempre crescente una risposta impraticabile a un flycore con un maggiore gap di accumulo di energia al costo di una bassa induttanza.

Puoi avere un grosso nucleo con molte curve, ma poi stai perdendo di più nel rame.

I mosfet SIC, GAN e Silicon Superjunction hanno tutti una capacità molto inferiore rispetto ai migliori dispositivi di un decennio fa. Sono possibili flyback a commutazione elevata di potenza superiore.

Le migliori tecniche utilizzano la risonanza per rimuovere parte o tutta la carica memorizzata sullo switch prima di accenderlo.

Le correnti di picco di commutazione e le tensioni di picco limitano le uscite di potenza pratiche, MA i semiconduttori stanno migliorando molto. Ad esempio, un Mosfet SiC da 1200 Volt 100m ohm potrebbe spegnere un picco di 30 amp. Quindi si potrebbe pensare a 1Kw off line. Sebbene questi moderni interruttori abbiano basse perdite di commutazione, c'è l'energia intrappolata nell'induttanza di dispersione del trasformatore che non arriva al carico che, quando si utilizza la tecnologia di trasformazione ortodossa, si trova che è peggiore di qualsiasi potenziale perdita di commutazione quando si esegue a frequenze normali. Il morsetto così attivo o qualsiasi cosa che affronti la perdita è il passaporto ad alta potenza con basse perdite.