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플라이백 컨버터

Overview

출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.

플라이백 컨버터는 벅 부스트 컨버터로, 벅과 부스트 모두 할 수 있습니다. 결합된 인덕터 또는 "플라이백 변압기"를 사용하여 입력과 출력 사이에 전기적 절연이 있습니다. 이 결합된 인덕터는 일반 변압기와 같이 전압 스텝업 및 스텝다운 기능을 모두 제공하지만 결합된 인덕터의 공기 간격을 사용하여 에너지 저장기능을 모두 제공하는 회전비를 가능하게 합니다.

이 실험의 목적은 플라이백 컨버터의 다양한 특성을 연구하는 것입니다. 이 컨버터는 벅 부스트 컨버터처럼 작동하지만 결합된 인덕터를 통해 전기 절연을 제공합니다. 수동으로 설정된 듀티 비율을 가진 개방형 루프 작업이 사용됩니다. 입력 출력 관계의 근사치가 관찰될 것이다.

Principles

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플라이백 컨버터를 더 잘 이해하려면 먼저 벅 부스트 컨버터를 이해해야 합니다. 플라이백 컨버터 회로는 벅 부스트 컨버터에서 파생될 수 있습니다.

벅 부스트 컨버터는 이름에서 알 수 있듯이 DC 전압 입력을 각각 더 높거나 낮은 전압으로 스텝업하거나 스텝다운할 수 있습니다. 벅 부스트 컨버터 회로를 파생하려면 도 1(a)에 도시된 바와 같이 벅 및 부스트 컨버터가 계단식으로 배열됩니다. 현재 소스/싱크는 벅 컨버터의 하중과 부스트 컨버터에 대한 입력으로 사용되어 부스트 컨버터가 입력 전압 극성을 유지하기 위해 뒤집히게 됩니다. 따라서 벅 부스트 컨버터는 역출력 전압 극성을 갖습니다.

도 1(b)에서 볼 수 있듯이, 현재 소스/싱크는 현재 소스 또는 싱크대 역할을 하는 대형 인덕터로 대체될 수 있다. 그러나 "L3"의 중간 전압은 매우 작은 잔물결 전압을 가질 필요가 없기 때문에 "C1"이 더 이상 필요하지 않습니다. 또한 스위치 2는 "L2"와 "L3"에 걸쳐 단락을 일으킬 수 있기 때문에 더 이상 필요하지 않습니다. 따라서 회로는 도 1(c)에 도시된 대로 업데이트됩니다.

또한, 다이오드 1은 인덕터 "L1"에 대한 현재 경로를 제공하기 위해 벅 컨버터에 사용되었지만, "L1"과 "L2"는 중간 단계에서 더 이상 매끄러운 전류가 필요하지 않으므로 제거할 수 있다. 이오드 1은 도 1(d) 및 (e)에 도시된 바와 같이 제거될 수 있다. 하단 측 다이오드 2는 가장 일반적인 벅 부스트 컨버터 회로 구현인 도 1(e)에 도시된 바와 같이 아래쪽 또는 왼쪽으로 이동할 수 있다.

Figure 1
그림 1. 캐스케이드 벅 및 부스트 컨버터에서 벅 부스트 컨버터 회로의 파생

플라이백 컨버터는 입력 과 출력 전압 사이에 전기 적 절연을 제공하여 벅 부스트 컨버터보다 한 단계 더 나아갑니다. 이는 소스 및 부하 측면의 근거를 분리해야 하는 많은 전원 공급 장치 응용 분야에서 필요합니다. 일반적으로 플라이백 컨버터는 최대 200W의 등급에 사용됩니다. 도 2에 표시된 회로도는 플라이백 컨버터가 벅 부스트 컨버터에서 파생되는 방법을 보여줍니다.

스위치가 벅 부스트 컨버터에 켜지면 다이오드가 역편향되고 에너지가 인덕터에 저장됩니다. 스위치가 꺼지면 다이오드가 켜지면 커패시터에서 에너지를 흡수하거나 커패시터를 공급하고 에너지로 로드할 수 있습니다. 이를 통해 스텝다운 및 스텝업 유연성을 제공합니다. 그러나, 인덕터는 도 2(b)에 도시된 바와 같이 출력 측과 전기적 절연을 제공하기 위해 결합된 인덕터 또는 플라이백 변압기로 대체될 수 있다. 상단 쪽에 있는 스위치에는 하이사이드 게이트 드라이버 회로가 필요하며, 이 회로는 보다 정교하고 로우 사이드 회로보다 더 많은 구성 요소가 필요합니다. 따라서 스위치는 단순히 단자 중 하나가 접지되어 도 2 (c)에 도시된 것처럼 간단한 로우 사이드 게이트 드라이버가 필요합니다. 입력 및 출력 전압 극성을 동일한 쪽에 갖기 위해 출력 다이오드는 변압기의 극성과 함께 반전됩니다. 최종 플라이백 컨버터는 도 2(d)에 표시됩니다.

Figure 2
그림 2. 벅 부스트 컨버터 회로에서 플라이백 컨버터 회로의 파생

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Procedure

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주의: 이 실험은 출력 전압을 50V DC 미만으로 제한하도록 설계되었습니다. 여기에 주어진 듀티 비율, 주파수, 입력 전압 또는 하중만 사용합니다.

이 실험은 HiRel Systems에서 제공하는 DC-DC 컨버터 보드를 활용합니다. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

보드 운영에 대한 정보는 이 컬렉션 비디오 "HiRel 보드 소개"에서 찾을 수 있습니다.

여기에 표시된 절차는 프로토 보드, 빵 기판 또는 인쇄 회로 기판에 구축 할 수있는 간단한 플라이백 컨버터 회로에 적용됩니다.

1. 보드 설정:

  1. "DIN" 커넥터에서 ±12 신호 공급을 연결하지만 "S90" OFF를 유지합니다.
  2. PWM 제어 선택기가 열린 루프 위치에 있는지 확인합니다.
  3. DC 전원 공급 장치를 16 V.로 설정하여 출력을 현재 보드에서 분리해제상태로 유지합니다.
  4. 하중 저항기를 연결하기 전에 10 Ω 조정합니다.
  5. 하부 MOSFET 및 플라이백 마그네틱 보드를 사용하여 도 3에 도시된 회로를 구축한다.
    1. 회전 비율 N1/N2 =2.
  6. "V2+"와 "COM"을 가로질러 "RL"을연결합니다.
    1. 부스트 컨버터가 불안정해지고 보드에 손상을 줄 수 있으므로 실험 중에 부하를 분리하지 마십시오.
  7. MOSFET 선택(하부 MOSGET), PWM 선택 및 기타 설정에 대한 스위치 어레이가 올바른지 확인하여 기능적인 도 3을 달성하십시오.

Figure 1
그림 3. 플라이백 컨버터 회로

2. 의무 비율 조정 및 스위칭 주파수

  1. 아래쪽 MOSFET의 게이트-소스를 가로질러 차동 프로브를 연결합니다.
  2. 켜기 "S90"을 켭니다. 스위칭 신호가 범위 화면에 나타납니다.
    1. 신호 시간 축을 조정하여 2~3개의 기간을 확인합니다.
    2. 주파수 전위도계를 조정하여 100kHz(10μs 의 주파수)를 달성합니다.
  3. 50%의 관세 비율(5μs 의 정시)을 달성하기 위해 관세 비율을 조정합니다.

3. 가변 입력에 대한 플라이백 컨버터 테스트

  1. 이미 16V로 설정된 입력 DC 전원 공급 장치를 "V1+" 및 "COM"에 연결합니다.
  2. 일반 프로브를 연결하여 "CS1"에서 입력 전류를 측정합니다. 접지 커넥터가 "COM"에 연결되어 있는지 확인합니다.
    1. 부하에 분산 프로브를 연결합니다.
    2. 파형을 캡처하고 출력 전압 평균, 입력 전류 피크 및 입력 전류 평균을 측정합니다.
    3. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
  3. 입력 전압을 11V, 13V 및 15 V로 조정합니다.
    1. 이러한 각 전압에 대해 위의 단계를 반복합니다.
  4. 입력 DC 공급의 연결을 끊고 출력을 16 V로 조정합니다.

4. 가변 듀티 비율에 대한 플라이백 컨버터 테스트

  1. 게이트를 가로질러 일반 프로브를 MOSFET 하부의 소스에 연결합니다.
  2. 부하에 분산 프로브를 연결합니다.
  3. 입력 DC 공급 장치를 "V1+" 및 "COM"에 연결합니다.
  4. 파형을 캡처하고 게이트 대 소스 전압(또한 듀티 비율)의 출력 전압 평균 및 정시 측정합니다.
    1. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
  5. 관세비율을 10%, 25%, 40%로 조정합니다. 이 세 가지 의무 비율 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
  6. 관세비율을 50%로 재설정합니다.
  7. 입력 DC 공급 의 연결을 끊습니다.

5. 가변 스위칭 주파수에 대한 플라이백 컨버터 테스트

  1. "CS1"에서 일반 프로브를 연결하여 입력 전류를 측정합니다.
  2. 부하에 분산 프로브를 연결합니다.
  3. 두 번째 오실로스코프에서는 일반 프로브를 사용하여 게이트 대 소스 전압을 관찰하여 필요에 따라 스위칭 주파수를 조정합니다.
  4. 입력 DC 공급 장치를 "V1+" 및 "COM"에 연결합니다.
  5. 스위칭 주파수를 70kHz로 조정합니다.
  6. 첫 번째 범위에서 파형을 캡처하고 입력 전류 피크 및 출력 전압 평균을 측정합니다.
    1. 두 번째 범위에서 주파수 및 의무 비율을 기록하지만 파형을 캡처하지 않습니다.
    2. DC 전원 공급 장치에 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다.
  7. 스위칭 주파수를 50kHz, 30kHz 및 10kHz로 조정합니다(또는 10kHz에 도달할 수 없는 경우 최소 가능).
    1. 이 세 가지 스위칭 주파수 각각에 대해 위의 단계를 반복합니다.
  8. 입력 DC 공급 및 "S90"을 끄고 회로를 분해합니다.

플라이백 컨버터는 DC 입력보다 크거나 적을 수 있는 DC 출력 전압을 생성하는 기능을 갖춘 전기 장치입니다. 전압을 단계아래로 내려가는 벅 컨버터가 부스트 컨버터로 계단식으로 배열되면 전압을 상승시키는 결과 벅 부스트 컨버터가 됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 벅 부스트 컨버터는 입력 전압을 내려가거나 단계별로 올라갈 수 있으며 플라이백 컨버터의 기초가 됩니다. 플라이백 컨버터는 결합된 인덕터 또는 출력과 입력 사이의 전기 적 절연을 위한 플라이백 변압기를 사용하기 때문에 벅 부스트 컨버터와 다릅니다. 이 비디오는 플라이백 컨버터의 구성을 설명하고 컨버터의 작동 조건을 변경하면 출력에 미치는 영향을 조사합니다.

플라이백 컨버터의 작동 방식을 이해하려면 부스트 컨버터가 있는 벅 컨버터로 시작합니다. 이 회로의 스위치는 펄스 폭 변조 신호에 의해 켜지고 꺼져 있습니다. 벅 컨버터의 출력에 있는 하중은 현재 싱크대이며, 이는 부스트 컨버터의 입력입니다. 이 회로에서 부스트 컨버터는 현재 싱크를 통해 전류의 방향이 각 단계의 동작과 일치하므로 반전되어야 합니다. 결과적으로 계단식 컨버터는 입력에 비해 반전되는 출력 극성을 가짐합니다. 회로는 이 벅 부스트 컨버터 구성으로 단순화될 수 있습니다. 스위치가 닫히면 전압 소스가 인덕터를 통해 전류를 구동합니다. 이 전류는 시간이 지남에 따라 선형적으로 증가하고 인덕터에 에너지를 저장하는 자기장을 만듭니다. 이 때 다이오드는 편향되어 수행되지 않으므로 커패시터만 부하에 에너지를 공급합니다. 스위치가 열려 있을 때 인덕터를 통해 전류가 동일한 방향으로 계속되어 인덕터가 극성을 역전시켜야 합니다. 이제 다이오드가 편향되고 인덕터는 커패시터를 충전하는 동시에 부하에 에너지를 전달할 수 있습니다. 스위치가 다시 닫히면 주기가 반복됩니다. 인덕터를 결합된 인덕터 또는 플라이백 변압기로 교체하면 소스 및 하중 측면의 근거를 분리해야 하는 경우 필요한 입력과 출력 간의 전기적 절연이 제공됩니다. 스위치를 전압 소스의 높은 측면에서 낮은 면으로 이동하면 스위치와 스위치를 구동하는 회로에 대한 전기 적 요구가 단순화됩니다. 마지막으로 결합된 인덕터 또는 플라이백 변압기의 극성을 반전시키고 다이오드의 방향을 반전시켜 출력의 극성을 입력에 일치시킬 수 있습니다. 그 결과 기본 플라이백 컨버터가 생성됩니다. 이제 벅의 계단에서 플라이백 컨버터를 파생하고 변환기를 부스트하는 방법을 살펴보겠습니다.

이 실험의 출력은 DC 50볼트 이하로 제한됩니다. 지정된 듀티 사이클, 주파수 입력 전압 및 부하만 사용합니다. 이러한 실험은 스위치 S90이 꺼진 하이 렐 시스템의 파워 폴 보드를 사용하여 신호 공급을 커넥터 J90에 연결합니다. 변조 선택 점퍼 J62 및 J63을 열린 루프 위치로 펄스를 설정합니다. DC 보급장치를 16볼트로 조정하지만 출력을 전신주 판에 연결하지 는 않습니다. 다음으로, 하부 MOSFET및 플라이백 마그네틱 보드로 플라이백 컨버터 회로를 구축합니다. 하중 저항기를 10옴으로 조정합니다. 그런 다음 터미널 V2+와 com 사이의 보드 전위요계에 연결합니다. 스위치 선택기 은행 S30을 다음과 같은 PWM에서 하단 MOSFET에 켜기 PWM 사용 및 스위치 오프로드로 설정합니다. 아래 모체페트의 게이트와 소스 사이에 오실로스코프의 차동 프로브를 연결합니다. 스위치 S90을 켜고 MOSFET를 켜고 끄는 스위칭 신호를 관찰합니다. RV60을 설정하여 100킬로헤르츠의 스위칭 주파수를 생성합니다. 설정 듀티 비율 전위요미터 RV64 그래서 펄스는 5 마이크로 초의 정시있다.

먼저, 하부 MOSFET의 게이트와 소스 사이에 일반 프로브를 연결합니다. 부하 전반에 걸쳐 차동 프로브를 연결하고 입력 DC 공급을 V1+ 및 com에 연결합니다. 출력 전압은 인덕터 및 커패시터에서 발생하는 삼각형 파동으로, 하중에 전류를 번갈아 공급합니다. MOSFET의 게이트 소스 전압은 디지털 펄스 트레인입니다. 출력 전압의 평균 값과 게이트의 정시를 소스 전압으로 측정한 다음 입력 전류 및 전압 판독값을 기록합니다. 펄스 스트림이 각각 0.1, 0.25 및 0.4의 의무 비율에 해당하는 12.5 및 4 마이크로초의 정시로 설정된 이 테스트를 반복합니다. 스위치가 닫히면 스위치가 열리면 에너지가 인덕터에 저장되고 부하에 에너지가 소멸됩니다. 이상적으로, 출력은 관세 비율에 따라 증가하지만, 0.5 이상의 관세 비율에 대해, 저장된 에너지는 방출 된 에너지보다 크므로 코어의 포화가 가능합니다. 잔류 에너지 저장을 피하기 위해 플라이백 컨버터는 0.5의 관세 비율 이상으로 작동하지 않습니다.

일반 범위 프로브를 연결하여 오실로스코프 의 세 가지를 채널로 연결합니다. 이 프로브를 CS1과 com 간에 클립하여 입력 전류를 측정합니다. 70킬로헤르츠의 주파수를 생성하기 위해 전위요미터 RV60을 조정하면서 게이트를 소스 스위칭 신호로 관찰한다. DC 전원 공급 장치를 입력 터미널 V1+ 및 com에 연결합니다. 입력 전류 파 형태를 관찰하고 평균 입력 및 출력 전압을 측정합니다. DC 공급의 입력 전류 및 전압 판독값뿐만 아니라 주파수 및 관세 비율을 기록합니다. RV60을 50, 30 및 10킬로헤르츠의 스위칭 주파수로 조정한 후 이 테스트를 반복하여 듀티 사이클 비율이 0.5로 고정됩니다. 주파수가 감소함에 따라 커패시터 충전 및 방전 시간도 증가하기 때문에 출력 잔물결이 증가합니다.

플라이백 컨버터는 일반적으로 출력이 입력에서 아연 도금되어야 하는 격리된 전원 공급 장치에 사용됩니다. 고장 발생 시 회로 손상을 방지하고 위험 전압으로부터 사용자를 보호합니다. 휴대 전화 충전기는 120 볼트 AC 메인 공급 장치를 플라이백 컨버터에 입력하는 내부 DC 전압으로 변환합니다. 플라이백 컨버터는 차례로 휴대 전화에 연결하고 충전 하는 표준 USB 커넥터에 5 볼트 출력을 생성 합니다. 플라이백 컨버터에서 갈바닉 격리는 휴대 전화와 사용자가 120 AC 공급과 접촉하지 못하도록 보호합니다. 대조적으로, 휴대 전화는 가능성이 리튬 이온 배터리에 대한 충전기에서 명목 3.6 볼트에 5 볼트를 줄이기 위해 벅 컨버터를 사용합니다. 이러한 안전한 저전압의 경우 격리가 필요하지 않습니다. 오래된 텔레비전 또는 컴퓨터 모니터의 음극선 튜브는 전자 빔을 사용하여 화면에 인광을 비추습니다. CRT의 수평 편향 드라이브는 종종 스텝 업 모드에서 작동하는 플라이백 컨버터를 통합합니다. 플라이백 컨버터는 이 빔을 제어하는 고전압을 생성하고 화면에서 선택한 지점을 공격하도록 이동합니다.

당신은 플라이백 컨버터에 대한 JoVE의 소개를 보았습니다. 이제 플라이백 컨버터가 부스트 및 벅 컨버터와 어떻게 관련이 있는지, 그리고 동작 상태에 따라 동작이 어떻게 달라지는지 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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플라이백 컨버터는 입력 전압을 단계별로 또는 내려갈 수 있는 격리된 벅 부스트 컨버터입니다. 플라이백 결합 된 인덕터 또는 변압기의 회전 비율은 스테핑 위 또는 다운 프로세스에서 보조됩니다. 스위칭 주파수가 높다는 점을 감안할 때 플라이백 변압기 크기는 작고 페릿 코어를 사용합니다. 입력 전압이 V인이고 출력 전압이 V 출력인경우, V 출력 전압이 V출력인 경우(N2/N1)D/(1-D)에서컨버터가 연속 전도 모드에서 작동할 때 0≤D≤100%. 일반적으로 플라이백 컨버터는 플라이백 변압기의 에너지 균형을 유지하기 위해 50% 이상의 듀티 사이클을 작동하지 않습니다.

관계에서 V 아웃 /V에서볼 수 있듯이, D1/(1-D)는 곱하고 벅과 부스트 기능을 표시하는 반면 N2/N1 용어는 변압기의 회전 비율의 효과를 보여줍니다. 플라이백 컨버터를 설계하고 구축하는 주요 요인 중에는 1) 플라이백 변압기의 자화 인덕턴스 Lm, 변압기의 입력 측에 걸쳐 스너버 회로가 있습니다.

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Applications and Summary

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플라이백 컨버터는 일반적으로 출력 측이 입력 측에서 아연 도금 절연을 가져야 하는 격리된 전원 공급 장치에 사용됩니다. 이는 게이트 드라이브 회로에 격리된 DC 공급장치가 필요할 수 있는 MOSFET 및 IGBT와 같은 고측 전력 반도체를 구동하는 데 일반적입니다. 플라이백 컨버터는 일반적으로 100kHz 이상의 고스위칭 주파수에서 작동하며 일반적으로 200W를 초과하지 않는 전력 등급을 갖습니다.

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Transcript

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