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Convertitore Flyback

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

Un convertitore flyback è un convertitore buck-boost, che può sia buck che boost. Ha isolamento elettrico tra l'ingresso e l'uscita utilizzando un induttore accoppiato o un "trasformatore flyback". Questo induttore accoppiato consente un rapporto di giri che fornisce sia la capacità di step-up che step-down di tensione, come in un normale trasformatore ma con accumulo di energia utilizzando l'air-gap dell'induttore accoppiato.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di studiare diverse caratteristiche di un convertitore flyback. Questo convertitore funziona come un convertitore buck-boost ma ha isolamento elettrico attraverso un induttore accoppiato. Verrà utilizzato il funzionamento a circuito aperto con un rapporto di servizio impostato manualmente. Si osserverà un'approssimazione della relazione input-output.

Principles

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Per capire meglio il convertitore flyback, in primo luogo, è necessario comprendere un convertitore buck-boost. Il circuito del convertitore flyback può quindi essere derivato dal convertitore buck-boost.

Il convertitore buck-boost, come suggerisce il nome, può aumentare o ridurre un ingresso di tensione CC a tensione superiore o inferiore, rispettivamente. Per ricavare un circuito convertitore buck-boost, un convertitore buck e boost sono collegati in cascata come mostrato in Fig. 1 (a). Una sorgente/sink di corrente viene utilizzata come carico per il convertitore buck e l'ingresso al convertitore boost, causando l'inversione del convertitore boost per mantenere la polarità della tensione di ingresso. I convertitori buck-boost hanno quindi una polarità della tensione di uscita invertita.

Come si può vedere in Fig. 1 (b), la sorgente/ sink di corrente può essere sostituita con un grande induttore che funge da sorgente di corrente o sink. Tuttavia, "C1" non è più necessario, poiché la tensione intermedia attraverso "L3" non deve avere una tensione di ripple molto piccola. Anche Switch 2 non è più necessario poiché potrebbe causare un cortocircuito tra "L2" e "L3". Il circuito viene così aggiornato come mostrato in Fig. 1 (c).

Inoltre, il diodo 1 è stato utilizzato nel convertitore buck per fornire un percorso di corrente per l'induttore "L1", ma "L1" e "L2" possono essere rimossi poiché una corrente liscia non è più necessaria nello stadio intermedio. Il diodo 1 può quindi anche essere rimosso, come mostrato in Fig. 1 (d) ed (e). Il diodo 2 sul lato inferiore può essere spostato sul lato superiore o a sinistra sul lato inferiore, come mostrato in Fig. 1 (e), che è l'implementazione più comune del circuito del convertitore buck-boost.

Figure 1
Figura 1. Derivazione di un circuito convertitore buck-boost da convertitori buck e boost in cascata

Il convertitore flyback fa un passo avanti rispetto al convertitore buck-boost fornendo isolamento elettrico tra le tensioni di ingresso e di uscita. Questo è desiderato in molte applicazioni di alimentazione in cui i terreni sul lato sorgente e sul lato di carico devono essere separati. In genere, i convertitori flyback vengono utilizzati in valutazioni fino a 200 W. Lo schema mostrato in Fig. 2 illustra come un convertitore flyback sia derivato da un convertitore buck-boost.

Quando l'interruttore è acceso in un convertitore buck-boost, il diodo è polarizzato inversamente e l'energia viene immagazzinata nell'induttore. Quando l'interruttore è spento, l'induttore può assorbire energia dal condensatore una volta acceso il diodo o può alimentare il condensatore e caricare di energia. Ciò fornisce la flessibilità step-down e step-up. Tuttavia, l'induttore può essere sostituito con un induttore accoppiato o un trasformatore flyback per fornire isolamento elettrico con il lato di uscita, come mostrato in Fig. 2 (b). L'interruttore sul lato superiore richiede un circuito gate driver high-side, che è più elaborato e richiede più componenti di un circuito low-side. Pertanto, l'interruttore può essere semplicemente spostato in modo tale che uno dei suoi terminali sia messo a terra e quindi richiede un semplice gate driver low-side come mostrato in Fig. 2 (c). Per avere le polarità della tensione di ingresso e di uscita sullo stesso lato, il diodo di uscita viene invertito insieme alla polarità del trasformatore. Il convertitore flyback finale è mostrato in Fig. 2 (d).

Figure 2
Figura 2. Derivazione di un circuito convertitore flyback da un circuito convertitore buck-boost

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Procedure

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ATTENZIONE: Questo esperimento è progettato per limitare la tensione di uscita a meno di 50V DC. Utilizzare solo i rapporti di servizio, le frequenze, la tensione di ingresso o i carichi indicati qui.

Questo esperimento utilizzerà la scheda convertitore DC-DC fornita da HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

Informazioni sul funzionamento della scheda sono disponibili in questo video di raccolta "Introduzione alla scheda HiRel".

La procedura mostrata qui si applica a qualsiasi semplice circuito di conversione flyback che può essere costruito su schede proto, schede bread o circuiti stampati.

1. Configurazione della scheda:

  1. Collegare l'alimentazione del segnale ±12 al connettore "DIN" ma mantenere "S90" OFF.
  2. Assicurarsi che il selettore di controllo PWM si trova nella posizione a ciclo aperto.
  3. Impostare l'alimentazione CC a 16 V. Tenere l'uscita scollegata dalla scheda per ora.
  4. Prima di collegare il resistore di carico, regolarlo a 10 Ω.
  5. Costruire il circuito mostrato in Fig. 3 utilizzando il MOSFET inferiore e la lavagna magnetica flyback.
    1. Si noti che il rapporto di giri N1/N2=2.
  6. Collega "RL"tra "V2+" e "COM".
    1. MAI Scollegare il carico durante l'esperimento poiché il convertitore boost può diventare instabile e causare danni alla scheda.
  7. Assicurarsi che l'array di switch per la selezione MOSFET (MOSGET inferiore), la selezione PWM e altre impostazioni siano corrette per ottenere una Fig. 3 funzionale.

Figure 1
Figura 3. Circuito convertitore Flyback

2. Regolazione del rapporto di servizio e della frequenza di commutazione

  1. Collegare la sonda differenziale attraverso il gate-to-source del MOSFET inferiore.
  2. Attiva "S90". Un segnale di commutazione dovrebbe apparire sullo schermo dell'ambito.
    1. Regolare l'asse temporale del segnale per visualizzare due o tre periodi.
    2. Regolare il potenziometro di frequenza per ottenere una frequenza di 100 kHz (periodo di 10 μs).
  3. Regolare il potenziometro del rapporto di lavoro per ottenere un rapporto di servizio del 50% (in tempo di 5 μs).

3. Test del convertitore Flyback per l'input variabile

  1. Collegare l'alimentatore CC in ingresso, che è già impostato a 16 V, a "V1+" e "COM".
  2. Collegare una sonda normale per misurare la corrente di ingresso a "CS1". Assicurarsi che il connettore di terra sia collegato a "COM".
    1. Collegare la sonda differenziale attraverso il carico.
    2. Cattura le forme d'onda e misura la media della tensione di uscita, il picco della corrente di ingresso e la media della corrente di ingresso.
    3. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
  3. Regolare la tensione di ingresso a 11 V, 13 V e 15 V.
    1. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tensioni.
  4. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso e regolarne l'uscita a 16 V.

4. Test del convertitore Flyback per il rapporto di lavoro variabile

  1. Collegare una sonda normale attraverso il cancello alla fonte del MOSFET inferiore.
  2. Collegare la sonda differenziale attraverso il carico.
  3. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V1+" e "COM".
  4. Cattura le forme d'onda e misura la tensione di uscita media e il tempo di uscita della tensione gate-to-source (anche il rapporto di servizio).
    1. Registrare le letture di corrente e tensione in ingresso sull'alimentatore CC.
  5. Adeguare il rapporto di dazio al 10%, 25% e 40%. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuno di questi tre rapporti di servizio.
  6. Reimpostare il rapporto di servizio al 50%.
  7. Scollegare l'alimentazione CC in ingresso.

5. Test del convertitore Flyback per la frequenza di commutazione variabile

  1. Collegare una sonda normale a "CS1" per misurare la corrente di ingresso.
  2. Collegare la sonda differenziale attraverso il carico.
  3. Sul secondo oscilloscopio, osservare la tensione gate-to-source utilizzando una sonda normale per regolare la frequenza di commutazione secondo necessità.
  4. Collegare l'alimentazione CC di ingresso a "V1+" e "COM".
  5. Regolare la frequenza di commutazione a 70 kHz.
  6. Cattura le forme d'onda dal primo ambito e misura la corrente di ingresso e la tensione di uscita media.
    1. Registrare il rapporto di frequenza e di servizio dal secondo ambito, ma non acquisire la sua forma d'onda.
    2. Registrare la corrente di ingresso e la lettura della tensione sull'alimentatore CC.
  7. Regolare la frequenza di commutazione a 50 kHz, 30 kHz e 10 kHz (o il minimo possibile se non è possibile raggiungere 10 kHz).
    1. Ripetere i passaggi precedenti per ciascuna di queste tre frequenze di commutazione.
  8. Spegnere l'alimentazione CC di ingresso e "S90", quindi smontare il circuito.

Un convertitore flyback è un dispositivo elettrico con la capacità di generare una tensione di uscita CC che può essere maggiore o minore dell'ingresso CC. Se un convertitore buck, che abbassa la tensione, viene collegato in cascata con un convertitore boost, che aumenta la tensione, il risultato è un convertitore buck-boost. Come suggerisce il nome, il convertitore buck-boost può scendere o aumentare la sua tensione di ingresso ed è la base del convertitore flyback. Il convertitore flyback differisce da un convertitore buck-boost in quanto utilizza un induttore accoppiato o un trasformatore flyback per l'isolamento elettrico tra l'uscita e l'ingresso. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore flyback e indagherà su come la modifica delle condizioni operative del convertitore influisce sulla sua uscita.

Per capire come funziona un convertitore flyback, inizia con un convertitore buck in serie con un convertitore boost. Gli interruttori in questo circuito sono accesi e spenti da un segnale modulato a larghezza di impulso. Il carico all'uscita del convertitore buck è un sink di corrente, che a sua volta è l'input del convertitore boost. In questo circuito, il convertitore boost deve essere invertito in modo che la direzione della corrente attraverso il dissipatore di corrente sia coerente con il funzionamento di ciascun stadio. Di conseguenza, il convertitore in cascata ha una polarità di uscita invertita rispetto al suo ingresso. Il circuito può essere semplificato in questa configurazione del convertitore buck-boost. Quando l'interruttore è chiuso, la sorgente di tensione guida la corrente attraverso l'induttore. Questa corrente aumenta linearmente con il tempo e crea un campo magnetico che immagazzina energia nell'induttore. In questo momento, il diodo è invertito polarizzato e non conduce, quindi solo il condensatore fornisce energia al carico. Quando l'interruttore è aperto, la corrente attraverso l'induttore deve continuare nella stessa direzione causando l'inversione di polarità dell'induttore. Ora il diodo diventa polarizzato in avanti e l'induttore può fornire energia al carico mentre allo stesso tempo carica il condensatore. Quando l'interruttore si chiude di nuovo, il ciclo si ripete. La sostituzione dell'induttore con un induttore accoppiato o un trasformatore flyback, fornisce l'isolamento elettrico tra l'ingresso e l'uscita, necessario quando i motivi sulla sorgente e sui lati del carico devono essere separati. Spostando l'interruttore dal lato alto della sorgente di tensione al lato basso, semplifica le richieste elettriche sull'interruttore e sul circuito che lo guida. Infine, l'inversione della polarità dell'induttore accoppiato o del trasformatore flyback e l'inversione della direzione del diodo consentono alla polarità dell'uscita di corrispondere all'ingresso. Il risultato è il convertitore flyback di base. Ora che abbiamo visto come derivare il convertitore flyback dalla cascata di un convertitore buck e boost, indaghiamo su come cambia il suo comportamento con diverse condizioni operative.

L'uscita in questo esperimento è limitata a 50 volt DC o meno. Utilizzare solo i cicli di lavoro specificati, le tensioni di ingresso delle frequenze e i carichi. Questi esperimenti utilizzano la scheda Power Pole del sistema High Rel Con l'interruttore S90 spento, collegare l'alimentazione del segnale al connettore J90. Impostare l'impulso con i ponticelli di selezione della modulazione J62 e J63 sulla posizione ad anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 16 volt, ma non collegare l'uscita alla scheda del polo di alimentazione. Quindi, costruisci il circuito del convertitore flyback con il MOSFET inferiore e la lavagna magnetica flyback. Regolare la resistenza di carico a 10 ohm. Quindi collegarlo al potenziometro di bordo tra i terminali V2+ e com. Impostare il banco di selezione degli interruttori S30 come segue PWM sul MOSFET inferiore utilizzare PWM integrato e spegnere il carico. Collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il cancello e la sorgente del MOSFET inferiore. Accendere l'interruttore S90 e osservare il segnale di commutazione che accende e spegne il MOSFET. Impostare RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Impostare il potenziometro del rapporto di servizio RV64 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di on-time di cinque microsecondi.

Innanzitutto, collegare una sonda regolare tra il cancello e la sorgente del MOSFET inferiore. Collegare la sonda differenziale attraverso il carico e collegare l'alimentazione CC in ingresso a V1+ e com. La tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dall'induttore e dal condensatore che forniscono alternativamente corrente al carico. La tensione della sorgente gate del MOSFET è un treno di impulsi digitali. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di uscita della tensione gate-to-source, quindi registrare le letture della corrente di ingresso e della tensione. Ripetere questo test con i flussi di impulsi impostati su un tempo di 2,5 e quattro microsecondi che corrispondono a rapporti di servizio di 0,1, 0,25 e 0,4, rispettivamente. Quando l'interruttore è chiuso, l'energia viene immagazzinata nell'induttore quando l'interruttore è aperto, l'energia viene dissipata nel carico. Idealmente, la produzione aumenta con il rapporto di servizio, tuttavia, per rapporti di servizio superiori a 0,5, l'energia immagazzinata è maggiore dell'energia dissipata, con conseguente possibile saturazione del nucleo. Per evitare l'accumulo di energia residua, i convertitori flyback non funzionano al di sopra di un rapporto di servizio di 0,5.

Collegare una sonda normale per incanalare tre dell'oscilloscopio. Agganciare questa sonda tra CS1 e com per misurare la corrente di ingresso. Osservare il segnale di commutazione gate to source mentre si regola il potenziometro RV60 per produrre una frequenza di 70 kilohertz. Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso V1+ e com. Osservare la forma d'onda della corrente di ingresso e misurare la tensione media di ingresso e di uscita. Registrare il rapporto di frequenza e di servizio, nonché le letture di corrente e tensione di ingresso dall'alimentazione CC. Ripetere questo test dopo aver regolato RV60 su una frequenza di commutazione di 50, 30 e 10 kilohertz con il rapporto del ciclo di lavoro fissato a 0,5. Man mano che la frequenza diminuisce, l'ondulazione di uscita aumenta perché aumentano anche i tempi di carica e scarica del condensatore.

I convertitori flyback sono tipicamente utilizzati in alimentatori isolati in cui l'uscita deve essere isolata galvanicamente dall'ingresso. Prevenire danni al circuito in caso di guasto e proteggere gli utenti da tensioni pericolose. I caricabatterie per telefoni cellulari convertono l'alimentazione principale CA a 120 volt in una tensione CC interna che diventa l'ingresso di un convertitore flyback. Il convertitore flyback a sua volta genera un'uscita a cinque volt al connettore USB standard che si collega a un telefono cellulare e lo carica. L'isolamento galvanico nel convertitore flyback protegge sia il telefono cellulare che l'utente dal contatto con l'alimentazione 120 AC. Al contrario, il telefono cellulare probabilmente utilizza un convertitore buck per ridurre cinque volt dal caricabatterie a 3,6 volt nominali per la sua batteria agli ioni di litio. Per queste basse tensioni sicure, non è necessario alcun isolamento. Il tubo catodico e il vecchio televisore o il monitor del computer utilizzano un fascio di elettroni per illuminare i fosfori sullo schermo. L'azionamento di deflessione orizzontale dei CRT spesso incorpora convertitori flyback che operano in modalità step-up. Il convertitore flyback genera l'alta tensione che controlla questo raggio e lo sposta per colpire i punti scelti sullo schermo.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai convertitori flyback. Ora dovresti capire come il convertitore flyback è correlato ai convertitori boost e buck e come il suo comportamento varia con le condizioni operative. Grazie per l'attenzione.

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Results

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I convertitori Flyback sono convertitori buck-boost isolati che possono aumentare o ridurre la tensione di ingresso. Il rapporto di giri dell'induttore accoppiato flyback o del trasformatore aiuta nel processo di salita o discesa. Dato che la frequenza di commutazione è elevata, la dimensione del trasformatore flyback è piccola e utilizza nuclei di ferrite. Se la tensione di ingresso è Vin e la tensione di uscita è Vout, Vout/Vin=(N2/N1)D/(1-D) quando il convertitore funziona in modalità a conduzione continua, dove 0≤D≤100%. In genere, i convertitori flyback non vengono azionati al di sopra del 50% del ciclo di lavoro per mantenere il bilancio energetico nel trasformatore flyback.

Come si vede nella relazione Vout/Vin relazione, D e 1/(1-D) vengono moltiplicati e mostrano le capacità buck e boost, mentre il termine N2/N1 mostra l'effetto del rapporto di giri del trasformatore. Tra i principali fattori nella progettazione e costruzione di un convertitore flyback ci sono 1) l'induttanza magnetizzante Lm del trasformatore flyback e 2) il circuito snubber attraverso il lato di ingresso del trasformatore.

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Applications and Summary

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I convertitori flyback sono in genere utilizzati in alimentatori isolati in cui il lato di uscita dovrebbe avere isolamento galvanico dal lato di ingresso. Ciò è comune nella guida di semiconduttori di potenza high-side come MOSFET e IGBT i cui circuiti di gate drive possono richiedere alimentatori DC isolati. I convertitori Flyback sono in genere utilizzati a frequenze di commutazione elevate superiori a 100 kHz e hanno potenze nominali in genere non superiori a 200 W.

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