De vraag naar elektrische en elektronische energiebronnen in innovatief automobielontwerp kan als volgt worden samengevat:en het verbeteren van de betrouwbaarheidVoor elektrische voertuigen (EV's) is efficiëntie van cruciaal belang om de "afstandsangst" van de gebruikers te verlichten.We moeten compacte en lichte oplossingen bieden voor back-up en hulpbronnen.Kleine stroomvoorzieningen brengen meer uitdagingen met zich mee.met inbegrip van de noodzaak van grotere isolatiecapaciteiten om elektrische storingen tussen onderdelen met een nauwere afstand te voorkomen en elektromagnetische interferentie (EMI) te verminderen.
Flyback-vermogensomvormers worden vaak gebruikt in verschillende toepassingen van elektrische voertuigen met een laag vermogen, waaronder het opwekken van hulpkracht, batterijbeheer en poort aandrijving.met minder componenten, waardoor de grootte wordt verminderd, de betrouwbaarheid wordt verbeterd en de kosten worden verlaagd.die doorgaans een van de grootste componenten is die nodig is om hoge spanning te isoleren.
Dit artikel introduceert het werkingsprincipe van flyback-omvormers, de effecten van parasitaire inductance en capaciteit en het belang van de grootte van de componenten en signaalisolatie.Bourns'flyback transformator werd geïntroduceerd, en hoe het heeft bijgedragen aan het oplossen van vele problemen met de stroomvoorziening van auto's.
Flyback-converter
De kern van een flyback-omvormer is een flyback-transformer, die stroomoverdracht en isolatie tussen de primaire en secundaire zijde van het omvormercircuit biedt (figuur 1, bovenaan).De converter kan de spanning van de gelijkstroomtoevoer verhogen of terugdringen volgens de configuratie van de flyback-transformerNaast een flyback-transformer vereist het circuit ook een primaire zijschakelaar (SW) (meestal MOSFET) en een secundaire rechtgever/filter.
Een vereenvoudigd schematisch schema van de basiscomponenten van de flybackconverter
Figuur 1: Een vereenvoudigd schematisch schema van de basiscomponenten (boven) en belangrijke werkgolfvormen (onder) van een flybackconverter.
Door Vgs in een hoge toestand te plaatsen (figuur 1, onder), begint de werkcyclus wanneer SW wordt ingeschakeld.Inducteurs kunnen onmiddellijke veranderingen in de stroom tegengaan en de toegepaste stapspanning integrerenDit creëert een rampafunctie, waarbij de stroom in de primaire wikkeling van de flyback-transformator lineair toeneemt door de invloed van de primaire inductance.Als gevolg van de omgekeerde vooringenomenheid van de rechtstellerdiode (D)De luchtkloof in de kern van de terugvliegende transformator kan verzadiging voorkomen wanneer het magnetisch veld van de transformator toeneemt.
Wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld (door Vgs terug te brengen naar een lage toestand), wordt de energie die in het magnetisch veld van de transformator is opgeslagen, via de naar voren gestuurde diode overgedragen aan het secundaire veld,het opladen van de uitgangscondensator (C2)De secundaire stroom neemt lineair af totdat de energie van het magnetisch veld is uitgeput of de schakelaar opnieuw wordt geopend en de volgende cyclus wordt gestart.
Een typische transformator, zoals een transformator in een lineaire voedingsbron, draagt continu energie over van de primaire wikkeling naar de secundaire wikkeling.Het werkingsprincipe van een flyback transformator lijkt meer op een paar gekoppelde inductorenDe transformatoren worden in de loop van de werkcyclus niet voortdurend met energie verwerkt.de uitgangsspanning kan ook worden aangepast door de draaiverhouding tussen de primaire en secundaire opwikkelingen te wijzigenDe flyback-transformator zorgt ook voor elektrische isolatie tussen de primaire en secundaire wikkels.met een vermogen van meer dan 50 W,.
Parasitische effecten van flyback-omvormers
Als een typisch elektronisch circuit worden flybackconverters beïnvloed door parasitaire inductance en capaciteit (figuur 2).
Schematische afbeelding van de flybackconverter
Figuur 2: Het schematische schema van de flyback-omvormer wordt weergegeven, met de rood onderstreept parasitaire capaciteit en inductance gerelateerd aan de omvormercomponenten. (Image source: Bourns Inc.)
Magnetische inductance (Lm) is de belangrijkste inductieve eigenschap die de energieopslag van flyback transformatoren bepaalt.Ook gerelateerd aan transformatoren is parasitaire lekkage inductance (Llk) in serie met schakelaarsAls de schakelaar wordt losgekoppeld, zal hij proberen de primaire stroom te handhaven en de spanning over de schakelaar te verhogen.De meeste flyback-omvormers gebruiken klemcircuits of buffercircuits om schakelaars te beschermen tegen de effecten van dergelijke tijdelijke spanningenDit effect zal ook de magnetische veldstraling verhogen en elektromagnetische interferentie beïnvloeden.
De ontwerpers van transformatoren zullen alles in het werk stellen om de lekkage-inductiviteit te minimaliseren.het is noodzakelijk om de afstand tussen de wikkels te minimaliseren en ze op een gestapelde manier te ordenen.
De gedistribueerde capaciteit omvat de primaire capaciteit (Cp), de interwindingcapaciteit (Cps), de secundaire capaciteit (Cs), de uitgangscapaciteit (Co) van de veldtransistor,en de capaciteit van de secundaire diode (Cd)Deze condensatoren werken met inductoren samen, waardoor de integriteit van de golfvorm van het signaal van de converter wordt verminderd (figuur 3).
Schematisch schema van de invloed van parasitaire componenten zoals condensatoren en inductoren op schakelaargolfvormen (klik om te vergroten)
Figuur 3: De invloed van parasitaire componenten zoals condensatoren en inductoren op de schakelgolfvorm wordt getoond. (Bildbron: Bourns Inc.)
De schakelgolfvorm is bij voorkeur een rechthoekige puls zonder overschot of onderschot.De snelle omzettingstijd van deze rechthoekige puls zorgt ervoor dat de spanningsgolfvorm op nul is voordat de stroom toeneemtIn feite kunnen de effecten van parasitaire capaciteit en inductance de conversietijd vertragen en overschot, onderschot en onmiddellijke oscillatie veroorzaken.vanwege de overlapping van niet-nul primaire spanning en stroomgolfvormenDeze overlapping zal resulteren in schakelverliezen in FET-schakelaars, waardoor de efficiëntie van de converter wordt verminderd.De significante afname aan de bovenkant van de puls wordt veroorzaakt door de belasting weerstand en magnetiserende inductance.
Bij het ontwerpen van een flyback transformator,er moet worden gewerkt om de zelfresonantiefrequentie weg te houden van de schakelfrequentie van de omvormer en om de bedrading tussen de schakelaar en de flyback-transformer zoveel mogelijk te verkortenBovendien biedt de interwindingcapaciteit ook een pad voor het koppelen van de hoogfrequente componenten van het primaire signaal aan de uitgang.Hoe groter de capaciteit tussen de wikkels, hoe groter de geleide EMI-straling van de omvormer.de krappe wikkelingcouplage vermindert de lekkage-inductaantie, maar verhoogt ook de interwindingcapaciteitHier ligt het belang van de ervaring van transformatorontwerpers.
Verminder de grootte en isoleer signalen
De in de automobielindustrie gebruikte onderdelen moeten zo klein mogelijk zijn.De fysieke afmetingen van onderdelen worden bepaald door de materiële eigenschappen en de fysieke kenmerken van de functionaliteit van de onderdelen.Voor flyback-transformatoren moet de geleidersafstand voldoende zijn om de voor de standaardcertificering vereiste piekoperatiespanning en spanningstest te kunnen doorstaan.De belangrijkste specificaties met betrekking tot de spanningsonderbreking zijn de splitsing en de kruipafstand (figuur 4).