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Electrical Engineering

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Overview

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Um conversor flyback é um conversor de buck-boost, que pode tanto buck e boost. Ele tem isolamento elétrico entre a entrada e a saída usando um indutor acoplado ou um "transformador de flyback". Este indutor acoplado permite uma relação de curvas que fornece capacidade de intensificação de tensão e step-down, como em um transformador regular, mas com armazenamento de energia usando a abertura de ar do indutor acoplado.

O objetivo deste experimento é estudar diferentes características de um conversor de flyback. Este conversor funciona como um conversor de buck-boost, mas tem isolamento elétrico através de um indutor acoplado. A operação de loop aberto com uma relação de serviço definida manualmente será usada. Será observada uma aproximação da relação entrada-saída.

Principles

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Para entender melhor o conversor de flyback, primeiro, é preciso entender um conversor de buck-boost. O circuito de conversor flyback pode então ser derivado do conversor buck-boost.

O conversor buck-boost, como o próprio nome indica, pode intensificar ou descer uma entrada de tensão DC para tensão maior ou mais baixa, respectivamente. Para derivar um circuito conversor de buck-boost, um conversor de dólares e boost são em cascata, como mostrado na Fig. 1 (a). Uma fonte/dissipação atual é usada como a carga para o conversor de buck e entrada para o conversor de impulso, fazendo com que o conversor de impulso seja invertido para manter a polaridade de tensão de entrada. Os conversores buck-boost têm, portanto, uma polaridade de tensão de saída invertida.

Como pode ser visto na Fig. 1 (b), a fonte/pia atual pode ser substituída por um grande indutor que age como fonte ou pia atual. No entanto, "C1" não é mais necessário, pois a tensão intermediária em "L3" não precisa ter uma tensão de ondulação muito pequena. Além disso, o Switch 2 não é mais necessário, pois pode causar um curto-circuito em "L2" e "L3". Assim, o circuito é atualizado como mostrado em Fig. 1 (c).

Além disso, o Diodo 1 foi usado no conversor de buck para fornecer um caminho atual para o indutor "L1", mas "L1" e "L2" podem ser removidos, uma vez que uma corrente lisa não é mais necessária no estágio intermediário. A dioda 1 também pode ser removida, como mostrado na Fig. 1 (d) e (e). O Diodo 2 do lado inferior pode ser movido para o lado superior ou para a esquerda na parte inferior, como mostrado na Fig. 1 (e) que é a implementação mais comum do circuito de conversor buck-boost.

Figure 1
Figura 1. Derivação de um circuito conversor de buck-boost de dólar em cascata e impulsionar conversores

O conversor flyback vai um passo além do conversor buck-boost, proporcionando isolamento elétrico entre as tensões de entrada e saída. Isso é desejado em muitas aplicações de alimentação onde os fundamentos nas laterais de origem e carga precisam ser separados. Normalmente, conversores flyback são usados em classificações de até 200 W. O esquema mostrado no Fig. 2 ilustra como um conversor de flyback é derivado de um conversor de buck-boost.

Quando o interruptor está ligado em um conversor de buck-boost, o diodo é tendencioso reverso e a energia é armazenada no indutor. Quando o interruptor está desligado, o indutor pode absorver energia do capacitor uma vez que o diodo está ligado, ou pode fornecer o capacitor e carregar com energia. Isso fornece a flexibilidade de step-down e step-up. No entanto, o indutor pode ser substituído por um indutor acoplado ou transformador de flyback para fornecer isolamento elétrico com o lado de saída, como mostrado na Fig. 2 (b). O interruptor estar na parte superior requer um circuito de driver de portão de alta lateral, que é mais elaborado e requer mais componentes do que um circuito de lado baixo. Portanto, o interruptor pode simplesmente ser movido de tal forma que um de seus terminais esteja aterrado e, portanto, exija um simples driver de portão baixo, como mostrado na Fig. 2 (c). Para ter as polaridades de entrada e tensão de saída no mesmo lado, o diodo de saída é invertido junto com a polaridade do transformador. O conversor de flyback final é mostrado em Fig. 2 (d).

Figure 2
Figura 2. Derivação de um circuito de conversor flyback de um circuito conversor buck-boost

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Procedure

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ATENÇÃO: Este experimento foi projetado para limitar a tensão de saída a menos de 50V DC. Use apenas as relações de serviço, frequências, tensão de entrada ou cargas que são dadas aqui.

Este experimento utilizará a placa conversora DC-DC fornecida pela HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html

Informações sobre a operação do conselho podem ser encontradas neste vídeo de coleções "Introdução ao Quadro HiRel".

O procedimento aqui mostrado se aplica a qualquer circuito simples de conversor de flyback que possa ser construído em placas de proto, placas de pão ou placas de circuito impresso.

1. Configuração do quadro:

  1. Conecte a fonte de sinal ±12 no conector "DIN", mas mantenha "S90" DESLIGADO.
  2. Certifique-se de que o seletor de controle PWM esteja na posição de loop aberto.
  3. Defina a fonte de alimentação DC em 16 V. Mantenha sua saída desconectada da placa por enquanto.
  4. Antes de conectar o resistor de carga, ajuste-o a 10 Ω.
  5. Construa o circuito mostrado em Fig. 3 usando a placa magnética MOSFET inferior e flyback.
    1. Observe que a razão de giro n1/N2=2.
  6. Conecte "RL"em "V2+" e "COM".
    1. NUNCA Desconecte a carga durante o experimento, pois o conversor de impulso pode se tornar instável e causar danos à placa.
  7. Certifique-se de que a matriz de switches para seleção MOSFET (MOSGET inferior), seleção PWM e outras configurações estão corretas para alcançar uma Fig. 3 funcional.

Figure 1
Figura 3. Circuito de conversor flyback

2. Ajustando a relação de dever e a frequência de comutação

  1. Conecte a sonda diferencial através do portão-fonte do MOSFET inferior.
  2. Ligue "S90". Um sinal de comutação deve aparecer na tela do escopo.
    1. Ajuste o eixo de tempo do sinal para ver dois ou três períodos.
    2. Ajuste o potencialiômetro de frequência para alcançar uma frequência de 100 kHz (período de 10 μs).
  3. Ajuste o potencialiômetro da razão de serviço para atingir uma relação de 50% de imposto (no tempo de 5 μs).

3. Teste do conversor flyback para entrada variável

  1. Conecte a fonte de alimentação DC de entrada, que já está definida em 16 V, a "V1+" e "COM".
  2. Conecte uma sonda regular para medir a corrente de entrada em "CS1". Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
    1. Conecte a sonda diferencial através da carga.
    2. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída, o pico de corrente de entrada e a média da corrente de entrada.
    3. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
  3. Ajuste a tensão de entrada para 11 V, 13 V e 15 V.
    1. Repita as etapas acima para cada uma dessas tensões.
  4. Desconecte a entrada de alimentação DC e ajuste sua saída para 16 V.

4. Teste do conversor flyback para a relação de dever variável

  1. Conecte uma sonda regular através do portão à fonte do MOSFET inferior.
  2. Conecte a sonda diferencial através da carga.
  3. Conecte a fonte DC de entrada a "V1+" e "COM".
  4. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
    1. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
  5. Ajuste a taxa de direitos para 10%, 25% e 40%. Repita as etapas acima para cada uma dessas três relações de serviço.
  6. Redefinir a taxa de direitos para 50%.
  7. Desconecte a entrada de alimentação DC.

5. Teste do conversor flyback para frequência de comutação variável

  1. Conecte uma sonda regular em "CS1" para medir a corrente de entrada.
  2. Conecte a sonda diferencial através da carga.
  3. No segundo osciloscópio, observe a tensão porta-a-fonte usando uma sonda regular para ajustar a frequência de comutação conforme necessário.
  4. Conecte a fonte DC de entrada a "V1+" e "COM".
  5. Ajuste a frequência de comutação para 70 kHz.
  6. Capture as formas de onda do primeiro escopo e meça a média de pico de corrente de entrada e tensão de saída.
    1. Regisso da frequência e do dever a partir do segundo escopo, mas não capture sua forma de onda.
    2. Regisso registro da corrente de entrada e leitura de tensão na fonte de alimentação DC.
  7. Ajuste a frequência de comutação para 50 kHz, 30 kHz e 10 kHz (ou mínimo possível se 10 kHz não puderem ser alcançados).
    1. Repita as etapas acima para cada uma dessas três frequências de comutação.
  8. Desligue a entrada de alimentação DC e "S90", e desmonte o circuito.

Um conversor flyback é um dispositivo elétrico com a capacidade de gerar uma tensão de saída DC que pode ser maior ou menor que a entrada DC. Se um conversor de dólares, que desce a tensão, for em cascata com um conversor de impulso, que intensifica a tensão, o resultado é um conversor de impulso de dólar. Como o nome indica, o conversor buck-boost pode descer ou intensificar sua tensão de entrada e é a base do conversor flyback. O conversor flyback difere de um conversor de buck-boost, pois usa um indutor acoplado, ou um transformador de flyback para isolamento elétrico entre a saída e a entrada. Este vídeo ilustrará a construção de um conversor de flyback e investigará como a alteração da condição de funcionamento do conversor afeta sua saída.

Para entender como funciona um conversor de flyback, comece com um conversor de dólares em série com um conversor de impulso. Os interruptores deste circuito são ligados e desligados por um sinal modulado de largura de pulso. A carga na saída do conversor de dólares é um dissipador atual, que por sua vez é a entrada do conversor boost. Neste circuito, o conversor de impulso deve ser invertido para que a direção da corrente através da pia atual seja consistente com o funcionamento de cada etapa. Como resultado, o conversor em cascata tem uma polaridade de saída que é invertida em comparação com sua entrada. O circuito pode ser simplificado para esta configuração de conversor buck-boost. Quando o interruptor é fechado, a fonte de tensão conduz a corrente através do indutor. Esta corrente aumenta linearmente com o tempo e cria um campo magnético que armazena energia no indutor. Neste momento, o diodo é invertido tendencioso e não conduz, por isso apenas o capacitor fornece energia para a carga. Quando o interruptor estiver aberto, a corrente através do indutor deve continuar na mesma direção, fazendo com que o indutor inverta a polaridade. Agora o diodo torna-se tendencioso para a frente e o indutor pode fornecer energia para a carga enquanto ao mesmo tempo carrega o capacitor. Quando o interruptor fecha novamente, o ciclo se repete. A substituição do indutor por um indutor acoplado ou transformador de flyback, proporciona isolamento elétrico entre a entrada e a saída, que é necessária quando os fundamentos nas laterais de origem e carga devem ser separados. Movendo o interruptor do lado alto da fonte de tensão para o lado baixo, simplifica as demandas elétricas no interruptor e no circuito que o conduz. Finalmente, inverter a polaridade do indutor acoplado ou transformador de flyback, e inverter a direção do diodo, permite que a polaridade da saída corresponda à entrada. O resultado é o conversor básico de flyback. Agora que vemos como derivar o conversor flyback da cascata de um dólar e impulsionar o conversor, vamos investigar como seu comportamento muda com diferentes condições operacionais.

A saída neste experimento é limitada a 50 volts DC ou menos. Use apenas os ciclos de trabalho especificados, tensões de entrada de frequências e cargas. Esses experimentos usam a placa do polo de alimentação do sistema High Rel Com o interruptor S90 desligado, conecte a fonte de sinal no conector J90. Ajuste o pulso com os jumpers de seleção de modulação J62 e J63 na posição de loop aberto. Ajuste a fonte DC para 16 volts, mas não conecte sua saída à placa do polo de energia. Em seguida, construa o circuito conversor flyback com o MOSFET inferior e a placa magnética flyback. Ajuste o resistor de carga para 10 ohms. Em seguida, conecte-o ao potencialiômetro da placa entre os terminais V2+ e com. Defina o banco seletor de interruptor S30 da seguinte forma o PWM para o fundo MOSFET use PWM a bordo e desligue a carga. Conecte a sonda diferencial do osciloscópio entre o portão e a fonte do MOSFET inferior. Ligue o interruptor S90 e observe o sinal de comutação que liga e desliga o MOSFET. Defina RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 kilohertz. Defina a razão de serviço potencialiometer RV64 para que os pulsos tenham um tempo de cinco microssegundos.

Primeiro, conecte uma sonda regular entre o portão e a fonte do MOSFET inferior. Conecte a sonda diferencial através da carga e conecte a entrada de alimentação DC ao V1+ e à com. A tensão de saída é uma onda de triângulo resultante do indutor e do capacitor que alternadamente fornece corrente para a carga. A tensão de origem do portão do MOSFET é um trem de pulso digital. Meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de entrada do portão para a tensão da fonte e regissão as leituras da corrente de entrada e da tensão. Repita este teste com os fluxos de pulso definidos para um tempo de um 2,5 e quatro microsegundos que correspondem a relações de serviço de 0,1, 0,25 e 0,4, respectivamente. Quando o interruptor é fechado, a energia é armazenada no indutor quando o interruptor está aberto, a energia é dissipada na carga. O ideal é que a saída aumente com a razão de imposto, porém, para as relações de imposto acima de 0,5, a energia armazenada é maior do que a energia dissipada, resultando em possível saturação do núcleo. Para evitar o armazenamento residual de energia, os conversores de flyback não são operados acima de uma taxa de serviço de 0,5.

Conecte uma sonda de escopo regular ao canal três do osciloscópio. Corte esta sonda entre CS1 e com para medir a corrente de entrada. Observe o sinal de comutação de origem ao ajustar o potencialiômetro RV60 para produzir uma frequência de 70 kilohertz. Conecte a fonte de alimentação DC aos terminais de entrada V1+ e com. Observe a forma de onda de corrente de entrada e meça a entrada média e a tensão de saída. Regisso regisário e de plantão, bem como as leituras de corrente de entrada e tensão da fonte DC. Repita este teste depois de ajustar o RV60 para uma frequência de comutação de 50, 30 e 10 kilohertz com a razão de ciclo de serviço fixada em 0,5. À medida que a frequência diminui, a ondulação da saída aumenta porque os tempos de carga e descarga do capacitor também aumentam.

Os conversores flyback são normalmente usados em fontes de alimentação isoladas, onde a saída deve ser galvanicamente isolada da entrada. Evitar danos no circuito em caso de falha e proteger os usuários de tensões perigosas. Carregadores de celular convertem a fonte principal DE 120 volts CA em uma tensão INTERNA DC que se torna a entrada para um conversor de flyback. O conversor flyback, por sua vez, gera uma saída de cinco volts para o conector USB padrão que se conecta a um celular e o carrega. O isolamento galvanic no conversor de flyback protege tanto o celular quanto o usuário do contato com o fornecimento de 120 AC. Em contraste, o celular provavelmente usa um conversor de dólares para reduzir cinco volts do carregador para 3,6 volts nominais para sua bateria de íons de lítio. Para essas baixas tensões seguras, não é necessário isolamento. O tubo de raios catódicos na televisão ou monitor de computador mais antigo usa um feixe de elétrons para iluminar fósforos na tela. A unidade de deflexão horizontal do CRT geralmente incorpora conversores de flyback que operam no modo de intensificação. O conversor flyback gera a alta tensão que controla este feixe e move-o para atingir os pontos escolhidos na tela.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE aos conversores flyback. Agora você deve entender como o conversor de flyback está relacionado para aumentar e conversores de buck e como seu comportamento varia com a condição de operação. Obrigado por assistir.

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Results

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Os conversores flyback são conversores isolados que podem subir ou descer a tensão de entrada. A relação de volta do indutor ou transformador acoplado ao flyback auxilia no processo de intensificação para cima ou para baixo. Dado que a frequência de comutação é alta, o tamanho do transformador de flyback é pequeno e usa núcleos ferrite. Se a tensão de entrada estiver V dentro e a tensão de saída estiver em V,V out/Vem=(N2/N1)D/(1-D) quando o conversor estiver operando no modo de condução contínua, onde 0≤D≤100%. Normalmente, os conversores de flyback não são operados acima do ciclo de 50% de serviço para manter o equilíbrio energético no transformador de flyback.

Como visto no Vout/Vno relacionamento, D e 1/(1-D) são multiplicados e mostram as capacidades de buck e boost, enquanto o termo N2/N1 mostra o efeito da razão de giros do transformador. Entre os principais fatores na concepção e construção de um conversor de flyback estão 1) a indutância magnetizante Lm do transformador de flyback, e 2) o circuito de snubber através do lado de entrada do transformador.

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Applications and Summary

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Os conversores flyback são normalmente usados em fontes de alimentação isoladas, onde o lado de saída deve ter isolamento galvânico do lado de entrada. Isso é comum na condução de semicondutores de energia de alta área, como MOSFETs e IGBTs cujos circuitos de acionamento de portão podem exigir fontes privadas de DC isoladas. Os conversores flyback são normalmente operados em altas frequências de comutação superiores a 100 kHz, e têm classificações de potência tipicamente não superiores a 200 W.

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Transcript

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