ГлавнаяСтатьиЭлектроника → О работе импульсного обратноходового преобразователя (Flyback)

О работе импульсного обратноходового преобразователя (Flyback)

22 октября 2015 года
Ключевые слова: схемотехника , питание

Принцип действия

Простейший обратноходовый преобразователь, известный как Flyback, показан на Рис.1. Он состоит из источника питания с напряжением E, электронного ключа S, трансформатора с двумя обмотками, выпрямительного диода D, конденсатора фильтра C и сопротивления нагрузки R. Ключ периодически замыкается и размыкается с периодом T и длительностью замкнутого состояния ts .


Рис.1. Устройство обратноходового преобразователя.

Когда ключ замыкается, в катушке L1 появляется возрастающий ток i1 и в ее магнитном поле накапливается энергия. Знак ЭДС в катушке L2 отрицательный, и ток через нее и диод не течет.
После размыкания ключа ЭДС самоиндукции пытается поддержать убывающий магнитный поток и меняет свой знак. Диод открывается и через него и катушку L2 начинает течь убывающий ток i2 , который заряжает конденсатор C. Его емкость велика, поэтому напряжение на нем почти не меняется и равно Uout .

Как рассчитать токи катушек?

По второму правилу Кирхгофа (сумма напряжений на участке цепи равна приложенной к нему ЭДС) при замкнутом ключе E = L1 di1 / dt.
Откуда:

di1 / dt = E / L1     (1)

Аналогично, при разомкнутом ключе:     UL2 + Uout = 0   ,   Uout = - L2 di2 / dt
Откуда:

di2 / dt = - Uout / L2     (2)

Какие возможны ситуации?

Если индуктивность L1 мала, то запасенная энергия расходуется быстро и ток i2 достигнет нуля прежде конца периода. Это режим прерывистого магнитного потока (Рис 2А).
При большей индуктивности энергия не успеет израсходоваться и магнитный поток станет непрерывным (Рис 2Б).
Наконец, при очень большой индуктивности импульсы токов i1 и i2 будут почти прямоугольными, а магнитный поток постоянным (Рис 2В).


Рис.2. Форма токов и напряжений в преобразователе.

Режим прерывистого магнитного потока

Здесь решение уравнений (1) и (2) такое:

i1 = E t / L1     ,     i2 = n i1max - Uout ( t - ts ) / L2     (3)

Где   i1max = E ts / L1 - максимальный ток первичной обмотки,   n = ( L1 / L2 )1/2 - коэффициент трансформации.

Энергия, поглощенная нагрузкой за период, равна запасенной энергии:     T ⋅ U2out / R = W1    ,   где   W1 = L1 i 21max / 2
Отсюда величина выходного напряжения:

Uout = E D ( R T / ( 2 L1 ) )1/2     (4)

где D = ts / T - коэффициент заполнения импульсов коммутации.

При постоянном коэффициенте заполнения с ростом сопротивления нагрузки R выходное напряжение может значительно увеличиваться. Поэтому в обратноходовых преобразователях ставят дополнительную не отключаемую нагрузку.

Режим непрерывного магнитного потока

В стационарном режиме энергия реактивных элементов за период не меняется. Поэтому средние напряжения на индуктивностях и токи через емкости равны 0.

$$\boxed{ {1\over T} \int\limits_0^T U_L \,dt = {1\over T} \int\limits_0^T {di_L \over dt} \, dt = {1\over T} \left ( \,i(T)-i(0)\, \right) = 0 }$$     ,     $$\boxed{ {1\over T} \int\limits_0^T i_c \,dt = {1\over T} (\, q(T)-q(0) \,)=0 }$$

Напряжение на катушке L2 в течении времени D T равно - E / n , а в оставшуюся часть периода ( 1 - D ) T оно равно Uout.

Условие баланса:

- ( E / n ) D + (1 - D ) Uout = 0     (5)

Отсюда величина выходного напряжения:

Uout = ( E / n ) ⋅ D / ( 1 - D )     (6)

Если пренебречь сопротивлением ключа и обмоток трансформатора, то в режиме непрерывного потока выходное напряжение не зависит от нагрузки.

Каково условие существования непрерывного режима?

Очевидно, на его границе формулы (6) и (4) дают равное напряжение. Отсюда можно найти минимальную индуктивность L1 :

L1min = n2 ( 1 - D )2 R T / 2     (7)

Простейший расчет обратноходового преобразователя

Для непрерывного режима задаем коэффициент заполнения D от 0 до 0,5 (оптимально 0.4) и из (6) находим коэффициент трансформации:

n = ( E / Uout ) D / ( 1 - D )     (8)

Зная R и период T из (7) находим минимальную индуктивность первичной обмотки.

Пример:
Напряжение U0 = 20В , Uout = 10В , D = 0,4
n = ( 20 / 10 ) 0,4 / ( 0,6 ) = 1,33
Нагрузка R = 500 Ом и частота переключения 100 кГц (период 10 мкс) дают минимальную индуктивность   L1 = 1,33 210 -5 ( 1 - 0,4 ) 2 500 / 2 = 1600 мкГн.
Индуктивность вторичной обмотки   L2 = 1600 / 1.33 2 = 900 мкГн.
Моделирование преобразователя в LTSPICE подтвердило расчет.

Рис.3. Моделирование обратноходового преобразователя.

На практике все индуктивности надо увеличить вдвое. Это гарантирует режим непрерывного потока при вариациях температуры и сопротивления нагрузки и изменении свойств феррита с течением времени.
КПД преобразователя при этом будет близок к максимуму. При малых индуктивностях он уменьшается из-за резкого увеличения потребляемого тока. а при больших - из-за роста омического сопротивления обмоток.

Практические замечания

Влияние паразитных параметров трансформатора

В реальном трансформаторе часть магнитного потока рассеивается, а его обмотки имеют некоторые сопротивления и межвитковые емкости. Поэтому в практическую схему надо добавить индуктивность рассеяния Ls и омическое сопротивление обмотки Rs последовательно c L1 и емкость Cp параллельно L1 ( Риc.4 ).
В результате, при размыкании ключа появятся высокочастотные осцилляции его напряжения Us в контуре Ls Cp, а в момент исчезновения тока вторичной обмотки — интенсивные низкочастотные колебания в параллельном контуре L1 Cp.


Рис.4. Паразитные параметры трансформатора и их влияние на работу преобразователя в режиме прерывистого магнитного потока.


Расчет паразитных параметров сложен, поэтому их определяют экспериментально.
Измеряют омические сопротивления обмоток и индуктивность L1.
По частоте низкочастотных колебаний fμ определяют емкость Cp = 1 / ( 4π2 L1 fμ2 ) .
По частоте высокочастотных колебаний fs определяют индуктивность Ls = 1 / ( 4π2 Cp fs2 ) .

Выбор режима работы

Непрерывный режим имеет ряд достоинств: меньше пиковые токи и паразитные колебания, выше КПД, разброс индуктивности трансформатора не критичен. Он хорошо подходит для питания маломощных постоянных нагрузок, чувствительных к колебательным помехам, например датчиков.

Если потребляемый ток очень сильно меняется, то обеспечить непрерывный режим во всем диапазоне нагрузок нельзя. При смене режимов существует ряд проблем с устойчивостью авторегуляторов напряжения. Поэтому преобразователь конструируют так, чтобы он работал исключительно в прерывистом режиме. Решение этой задачи описано в обзоре Дмитрия Макашова [3].

Выводы

Достоинством обратноходового преобразователя является простота конструкции, недостатком большое повышение выходного напряжения в режиме холостого хода.

Направление магнитного поля в магнитопроводе не меняется, поэтому используется лишь половина кривой намагничивания, что ограничивает величину передаваемой энергии.

В трансформатор обратноходового преобразователя обязательно вводят немагнитный зазор. Он позволяет уменьшить остаточную индукцию магнитного поля в сердечнике и увеличить передаваемую мощность.


PS : Файл схемы для моделирования обратноходового преобразователя в LT Spice здесь

Литература.

  1. Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера, 2005. – 632 с. ил.
  2. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416 с. ил.
  3. Дмитрий Макашов. Обратноходовый преобразователь. или здесь

Оставьте свой комментарий

Ваше имя:

Комментарий:

Формулы на латехе: $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$ превратится в $$f(x) = x^2-\sqrt{x}$$.
Для выделения используйте следующий код: [i]курсив[/i], [b]жирный[/b].
Цитату оформляйте так: [q = имя автора]цитата[/q] или [q]еще цитата[/q].
Ссылку начните с http://. Других команд или HTML-тегов здесь нет.

Сколько будет 35+4?