Apa batasan daya efektif dari topologi konverter flyback, dan mengapa?

Melihat beberapa topologi konverter terisolasi yang berbeda, flyback sepertinya itu paling sederhana pada pandangan pertama. Hanya ada satu saklar, jadi hanya ada satu driver, yang (semua hal lain dianggap sama) harus mengurangi biaya. Namun, pada tingkat daya tinggi (5kW +) flyback umumnya tidak dianggap praktis. Saya bertanya mengapa di awal karir saya, dan jawaban yang saya dapatkan tidak jelas.

Saya bertemu dengan satu orang yang biasanya melilitkan transformer flyback-nya sendiri; dia bilang dia mendapat 500W dari sekali, tetapi hanya nyaris, dan dengan banyak memutar untuk mengoptimalkan transformator. Pabrikan komersial tempat saya berbicara terdiam, atau bertanya hal gila apa yang saya lakukan untuk menginginkan trafo flyback sebesar itu.

Sebuah buku tua yang saya temui mengatakan bahwa trafo flyback perlu dioperasikan pada frekuensi tinggi, dan sakelar yang tersedia tidak dapat bertahan dari tekanan konverter flyback pada level daya tersebut. Namun, tidak jelas mengapa tekanan itu lebih buruk daripada topologi saklar tunggal lainnya, seperti boost converter. Juga tidak jelas mengapa frekuensi harus sangat tinggi. Saya menduga itu karena kopling yang sangat ketat diperlukan pada transformator / induktor berpasangan, yang membatasi pilihan bahan inti dan ukuran, menentukan pilihan frekuensi, menentukan pilihan sakelar selanjutnya. Tapi itu hanya dugaan.

Jadi apa masalahnya? Berapa batas daya efektif topologi flyback, dan mengapa?

Tidak ada batasan keras untuk daya output dari topologi flyback. Ini masalah yang terbaik untuk situasi tertentu. Seseorang dapat membuat flyback 1kW, tetapi kemungkinan tidak ekonomis. Ini adalah bisnis di mana mereka mengadakan pertemuan di atas karpet lebih dari 3 sen dioda dan menyadari bahwa lebih murah untuk merekrut insinyur penuh waktu daripada memasukkan beberapa sen uang tambahan ke dalam produk mereka - jadi jangan memilih topologi terbaik untuk persyaratan dapat meramalkan karier seseorang.

Konverter flyback menggunakan inti kurang efisien (berarti lebih banyak uang, ukuran dan berat untuk inti, yang lebih penting ketika tingkat daya naik). Seperti yang ditunjukkan Russell, flyback menyimpan energi yang ditransfer dalam induktor, dan melepaskannya ke output, berbeda dengan kebanyakan tipe lain yang mentransfer energi ketika sakelar dihidupkan. Itu berarti tekanan saat ini harus lebih tinggi, karena semua energi sedang ditransfer oleh satu saklar, dan itu hanya dapat pada sebagian waktu. (Perlu diingat bahwa beberapa kerugian sebanding dengan kuadrat arus, jadi 10A untuk 33% dari waktu vs 3A untuk 100% dari waktu mewakili daya beban yang sama, tetapi kerugian resistif dalam sakelar siklus kerja rendah adalah 3,7 kali lebih tinggi.

Tegangan tegangan pada sakelar di flyback jauh lebih tinggi (tegangan input ganda) dibandingkan dengan konverter maju dua sakelar (hanya voltase input). Ini membuat sakelar lebih mahal, terutama untuk MOSFET, di mana ukuran chip (dan karenanya biaya) dengan cepat naik dengan peringkat tegangan, semua hal lain dianggap sama. Sakelar yang kurang sensitif terhadap tegangan (dalam biaya) cenderung agak lambat (BJT dan IGBT), jadi sekali lagi kurang cocok untuk konverter flyback karena mereka akan membutuhkan inti yang lebih besar.

Konverter flyback memiliki sejumlah keunggulan (kesederhanaan potensial karena sakelar tunggal, tidak diperlukan induktor keluaran karena induktansi kebocoran berfungsi untuk Anda, rentang voltase input lebar), tetapi keunggulan tersebut sebagian besar mendominasi pada level daya yang lebih rendah.

Itu sebabnya Anda akan hampir selalu melihat konverter flyback digunakan dalam adaptor AC, dan Anda tidak akan pernah melihatnya di catu daya PC + 250W - kedua aplikasi di mana setiap kelebihan biaya yang aman untuk dikeluarkan telah diperas (terkadang lebih dari itu bahwa!).

Waktu tidur sebelumnya - jawaban yang sangat singkat. Semua senang :-).

Anda membedakan 'flyback' dan boost '- yang dapat berarti hal yang sama, tetapi mungkin tidak.

Fitur paling unik dari Flyback adalah bahwa energi yang akan ditransfer disimpan sepenuhnya di dalam induktor ketika sakelar hidup, dan ditransfer ke output oleh medan magnet yang runtuh saat sakelar dimatikan. Beberapa pemikiran akan mengungkapkan bahwa di dalam inti berpenutup udara (atau yang di mana celah udara didistribusikan di seluruh induktor) energi sebenarnya disimpan terutama di 'udara' di celah - pernyataan yang akan menarik 'komentar sebaliknya yang kuat' . Terlepas dari lokasi penyimpanan yang tepat, energi disimpan dalam medan magnet, dan peningkatan daya membutuhkan ukuran inti yang meningkat.

Konverter yang mentransfer daya selama sakelar aktif tidak bergantung terutama pada inti dan medan untuk penyimpanan energi.

Untuk mentransfer lebih banyak daya dalam sistem flyback Anda harus meningkatkan energi yang ditransfer per siklus dan / atau jumlah siklus per detik. Untuk induktor yang 'habis' sepenuhnya:

• $E$ = Energi yang disimpan dalam induktor =$\frac{1}{2}LI^2$

• Daya = Laju transfer energi per detik =$f\cdot\frac{1}{2}LI^2$

Di mana: = siklus pelepasan per detik = puncak arus = induktansi
$f$
$I$
$L$

Untuk voltase sistem tertentu, untuk mendapatkan lebih banyak daya dalam waktu pengisian induktor yang tersedia, Anda harus MENURUNKAN , karena , dan dan diperbaiki.$L$$I = V\cdot t/L$$t$$V$

Karena transfer energi = , menggandakan dalam isolasi akan meningkatkan laju transfer energi dengan faktor 4, TETAPI ketika harus mengurangi untuk melakukan ini, sebenarnya naik kira-kira secara linear dengan meningkatkan arus. $f\cdot\frac{1}{2}LI^2$$I$$L$$E$

Satu-satunya variabel "bebas" yang tersisa adalah frekuensi. harus menjadi , tetapi karena waktu pengisian dan pengosongan berbanding terbalik dengan voltase, ketika output naik, turun sehingga lebih banyak waktu untuk dan pengisian induktor.$t_{charge}$$<$$<<$ $1/f$$t_{off}$$t_{on}$

MOSFET awal sangat terbatas dalam frekuensi cutoff. FET modern jauh lebih mampu, tetapi untuk IGBT switching tegangan tinggi kecepatan tinggi seringkali menguntungkan.

Jadi ... Anda tidak mungkin melihat konverter flyback lebih dari beberapa ratus Watt, dan biasanya kurang.

Lebih lanjut mungkin.

Energi hilang di setiap penutupan kapasitansi sakelar.

Hal ini membuat frekuensi yang semakin meningkat menjadi jawaban yang tidak praktis untuk flycore dengan kesenjangan penyimpanan energi yang lebih besar dengan biaya induktansi yang lebih rendah.

Anda dapat memiliki inti besar dengan banyak belokan, tetapi kemudian Anda kehilangan lebih banyak tembaga.

MOSFIS SIC, GAN, dan Superjunction Silikon semuanya memiliki kapasitansi yang jauh lebih sedikit daripada perangkat terbaik satu dekade lalu. Flyback daya hard switching yang lebih tinggi dimungkinkan.

Teknik terbaik menggunakan resonansi untuk menghapus sebagian atau semua muatan yang tersimpan pada sakelar sebelum menyalakannya.

Beralih arus puncak dan tegangan puncak membatasi output daya praktis, TETAPI semikonduktor menjadi jauh lebih baik. Misalnya Mosfet SiC 1200 Volt 100m ohm dapat mematikan 30 amp puncak. Oleh karena itu orang dapat berpikir tentang 1Kw off line. Meskipun switch modern ini memiliki kerugian switching yang rendah, ada energi yang terperangkap dalam induktansi kebocoran transformator yang tidak sampai ke beban yang ketika Anda menggunakan teknologi transformator ortodoks, Anda akan menemukan lebih buruk daripada calon kerugian switching saat beroperasi pada frekuensi normal. Penjepit aktif SO atau apa pun yang mengatasi kebocoran adalah paspor untuk daya tinggi dengan kerugian rendah.