Những hạn chế năng lượng hiệu quả của cấu trúc liên kết chuyển đổi flyback là gì và tại sao?

Nhìn vào một số cấu trúc liên kết chuyển đổi bị cô lập khác nhau, flyback trông có vẻ đơn giản nhất từ ​​cái nhìn đầu tiên. Chỉ có một công tắc, vì vậy chỉ có một trình điều khiển, mà (tất cả những thứ khác đều bằng nhau) sẽ giảm chi phí. Tuy nhiên, ở mức công suất cao (5kW +) flyback dường như thường không được coi là thực tế. Tôi hỏi tại sao đầu sự nghiệp của tôi, và câu trả lời tôi nhận được là mơ hồ.

Tôi đã gặp một người thường quanh co máy biến áp flyback của chính mình; ông nói rằng ông đã nhận được 500W một lần, nhưng chỉ vừa đủ, và có rất nhiều tua lại để tối ưu hóa máy biến áp. Các nhà sản xuất thương mại mà tôi nói chuyện đã im lặng, hoặc hỏi tôi đang làm gì điên rồ để muốn một máy biến áp flyback lớn như vậy.

Một cuốn sách cũ mà tôi đã đi qua nói rằng máy biến áp flyback cần phải được vận hành ở tần số cao, và các công tắc có sẵn không thể tồn tại được sự căng thẳng của bộ chuyển đổi flyback ở các mức công suất đó. Tuy nhiên, không rõ lý do tại sao những căng thẳng đó tồi tệ hơn các cấu trúc liên kết chuyển đổi đơn khác, như bộ chuyển đổi tăng tốc. Cũng không rõ tại sao tần số cần phải cao như vậy. Tôi nghi ngờ đó là bởi vì cần có sự kết hợp chặt chẽ đặc biệt giữa cuộn cảm / cuộn cảm, điều này hạn chế sự lựa chọn vật liệu và kích thước lõi, lựa chọn tần số chính xác, lựa chọn công tắc tiếp theo. Nhưng đó chỉ là dự đoán.

Vì vậy, những gì thực sự thỏa thuận? Giới hạn sức mạnh hiệu quả của cấu trúc liên kết flyback là gì và tại sao?

Không có giới hạn cứng cho công suất đầu ra từ cấu trúc liên kết flyback. Đó là một vấn đề tốt nhất cho một tình huống nhất định. Người ta có thể tạo ra một flyback 1kW, nhưng nó sẽ không kinh tế. Đây là một doanh nghiệp nơi họ có các cuộc họp trực tiếp trên 3 xu và nhận ra rằng việc thuê một kỹ sư toàn thời gian khác rẻ hơn so với việc đưa thêm một vài chi phí vào sản phẩm của họ - vì vậy không chọn cấu trúc liên kết tốt nhất cho các yêu cầu có thể báo trước sự nghiệp của một người.

Bộ chuyển đổi flyback sử dụng lõi kém hiệu quả hơn (có nghĩa là nhiều tiền hơn, kích thước và trọng lượng cho lõi, điều này quan trọng hơn khi mức năng lượng tăng lên). Như Russell chỉ ra, flyback lưu trữ năng lượng được truyền trong cuộn cảm và giải phóng nó ra đầu ra, trái ngược với hầu hết các loại khác truyền năng lượng khi bật công tắc. Điều đó có nghĩa là sự căng thẳng hiện tại phải cao hơn, vì tất cả năng lượng đang được truyền bằng một công tắc duy nhất và nó chỉ có thể ở một phần của thời gian. (Hãy nhớ rằng một số tổn thất tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện, vì vậy 10A trong 33% thời gian so với 3A trong 100% thời gian biểu thị cùng một công suất tải, nhưng tổn thất điện trở trong công tắc chu kỳ nhiệm vụ thấp là Cao gấp 3,7 lần.

Ứng suất điện áp trên công tắc trong flyback cao hơn nhiều (điện áp đầu vào kép) so với bộ chuyển đổi hai công tắc (chỉ điện áp đầu vào). Điều này làm cho việc chuyển đổi trở nên đắt hơn, đặc biệt là đối với MOSFET, trong đó kích thước chip (và do đó chi phí) tăng nhanh với định mức điện áp, tất cả những thứ khác đều bằng nhau. Các công tắc ít nhạy cảm với điện áp (về chi phí) có xu hướng khá chậm (BJT và IGBT), do đó, một lần nữa ít phù hợp hơn cho các bộ chuyển đổi flyback vì chúng sẽ yêu cầu lõi lớn hơn.

Bộ chuyển đổi Flyback có một số lợi thế (đơn giản tiềm năng vì công tắc đơn, không cần cuộn cảm đầu ra vì điện cảm rò rỉ hoạt động cho bạn, dải điện áp đầu vào rộng), nhưng những ưu điểm đó chủ yếu chiếm ưu thế ở mức năng lượng thấp hơn.

Đó là lý do tại sao hầu như bạn sẽ luôn thấy bộ chuyển đổi flyback được sử dụng trong bộ điều hợp AC và bạn sẽ không bao giờ thấy nó trong bộ nguồn PC 250W + - cả hai ứng dụng mà mọi chi phí vượt quá an toàn để vắt kiệt (đôi khi nhiều hơn thế cái đó!).

Quá khứ đi ngủ - câu trả lời quá ngắn. Tất cả đều hạnh phúc :-).

Bạn phân biệt 'flyback' và boost '- có thể có nghĩa tương tự, nhưng có thể không.

Tính năng độc đáo nhất của Flyback là năng lượng được truyền được lưu trữ hoàn toàn trong cuộn cảm khi bật công tắc và được truyền đến đầu ra bằng từ trường sập khi tắt công tắc. Một số ý kiến ​​sẽ tiết lộ rằng trong lõi bị hở không khí (hoặc một trong đó các khe hở không khí được phân phối khắp cuộn cảm), năng lượng thực tế được lưu trữ chủ yếu trong 'không khí' trong khoảng trống - một tuyên bố sẽ thu hút 'bình luận trái ngược mạnh mẽ' . Bất kể vị trí lưu trữ chính xác, năng lượng được lưu trữ trong từ trường và công suất tăng đòi hỏi kích thước lõi tăng lên.

Bộ chuyển đổi chuyển giao năng lượng trong trạng thái của công tắc không chủ yếu dựa vào lõi và trường để lưu trữ năng lượng.

Để truyền thêm năng lượng trong hệ thống flyback, bạn phải tăng năng lượng truyền trong mỗi chu kỳ và / hoặc số chu kỳ mỗi giây. Đối với một cuộn cảm 'xả' hoàn toàn:

• $E$$\frac{1}{2}LI^2$

• $f\cdot\frac{1}{2}LI^2$

$f$
$I$
$L$ = độ tự cảm

$L$$I = V\cdot t/L$$t$$V$ là cố định.

$f\cdot\frac{1}{2}LI^2$$I$$L$$E$

$t_{charge}$$<$$<<$ $1/f$$t_{off}$$t_{on}$

MOSFE sớm rất hạn chế về tần số cắt. Các FET hiện đại có khả năng NHƯNG nhiều hơn đối với các IGBT chuyển đổi điện áp cao tốc độ cao thường có lợi thế.

Vì vậy, ... bạn không thể thấy các bộ chuyển đổi flyback ở mức hơn vài trăm Watts, và thường là ít hơn.

Càng về sau có lẽ.

Năng lượng bị mất trong mỗi lần đóng điện dung.

Điều này làm cho tần số ngày càng tăng trở thành một câu trả lời không thực tế cho một flycore với khoảng cách lưu trữ năng lượng lớn hơn với chi phí điện cảm thấp hơn.

Bạn có thể có một lõi lớn với rất nhiều lượt, nhưng sau đó bạn đang mất nhiều đồng hơn.

Các mosfet SIC, GAN và Silicon Superjeft đều có điện dung thấp hơn nhiều so với các thiết bị tốt nhất một thập kỷ trước. Công suất cao hơn flyback chuyển đổi cứng là có thể.

Các kỹ thuật tốt nhất sử dụng cộng hưởng để loại bỏ một phần hoặc toàn bộ điện tích được lưu trên công tắc trước khi bật.

Chuyển đổi dòng điện cực đại và điện áp cực đại giới hạn đầu ra công suất thực tế, NHƯNG các chất bán dẫn đang trở nên tốt hơn nhiều. Ví dụ, một Mosfet SiC 1200 Volt 100m ohm có thể tắt đỉnh 30 amps. Do đó, người ta có thể nghĩ về 1Kw off line. Mặc dù các thiết bị chuyển mạch hiện đại này có tổn thất chuyển mạch thấp, nhưng năng lượng bị mắc kẹt trong cuộn cảm rò rỉ máy biến áp không chịu tải mà khi bạn sử dụng công nghệ biến áp chính thống, bạn sẽ thấy tồi tệ hơn bất kỳ tổn thất chuyển mạch tiềm năng nào khi chạy ở tần số bình thường. Kẹp hoạt động SO hoặc bất cứ điều gì giải quyết rò rỉ là hộ chiếu cho công suất cao với tổn thất thấp.