หลักการพื้นฐานและวิธีการทำงานของแหล่งจ่ายไฟสลับฟลายแบ็ค

หลักการพื้นฐานและวิธีการทำงานของแหล่งจ่ายไฟสลับฟลายแบ็ค

หลักการพื้นฐานและวิธีการทำงาน

พื้นฐาน

เมื่อเปลี่ยนทรานซิสเตอร์ Trton Np ปฐมภูมิของหม้อแปลงจะมี Ip ปัจจุบันและเก็บพลังงานไว้ (E=LpIp/2) เนื่องจาก Np และ Ns มีขั้วตรงข้ามกัน ไดโอด D จึงมีอคติแบบย้อนกลับและตัดออกในเวลานี้ และไม่มีพลังงานถูกถ่ายโอนไปยังโหลด เมื่อเปลี่ยนทรอฟฟ์ ตามกฎของเลนซ์: (e=-N△Φ/△T) ขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้าจะสร้างศักย์ไฟฟ้าย้อนกลับ ในเวลานี้ ไดโอด D กำลังไปข้างหน้า และโหลดมีกระแส IL ไหล รูปคลื่นสถานะคงที่ของตัวแปลงฟลายแบ็ก

ขนาดของเวลาการนำไฟฟ้าจะเป็นตัวกำหนดแอมพลิจูดของ Ip และ Vce:

วีซีแม็กซ์=VIN/1-ดีแม็กซ์

VIN: แรงดันไฟฟ้าอินพุต DC; Dmax: รอบการทำงานสูงสุด

ดีแม็กซ์=ตัน/ตัน

จะเห็นได้ว่าเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าสะสมต่ำ ต้องรักษา Dmax ให้ต่ำ นั่นคือ Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.

ตัวสะสมกระแสไฟฟ้าที่ทำงานคือ เมื่อเปลี่ยนหลอดตรอน นั่นคือ Ip กระแสสูงสุดปฐมภูมิคือ: Ic=Ip=IL/n เนื่องจาก IL=Io เมื่อ Io มีค่าคงที่ ขนาดของอัตราส่วนการหมุน n จะกำหนดขนาดของ Ic สูตรข้างต้นจึงได้มาจากหลักการประหยัดพลังงาน และจำนวนแอมแปร์หลักและรองเท่ากัน ถึง NpIp=NsIs Ip ยังสามารถแสดงได้โดยวิธีการต่อไปนี้:

Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: ประสิทธิภาพของตัวแปลง

สูตรได้มาดังนี้:

กำลังขับ:po=LIp2η/2T

แรงดันไฟฟ้าอินพุต: VIN=Ldi/dt สมมติว่า di=Ip และ 1/dt=f/Dmax จากนั้น:

VIN=LIpf/Dmax หรือ Lp=VIN*Dmax/Ipf

จากนั้น po สามารถแสดงเป็น:

โป=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp

∴Ip=2po/ηVINDmax

ในสูตรข้างต้น:

VIN: แรงดันไฟฟ้าอินพุต DC ขั้นต่ำ (V)

Dmax: รอบหน้าที่การนำไฟฟ้าสูงสุด

Lp: ตัวเหนี่ยวนำปฐมภูมิของหม้อแปลง (mH)

Ip: กระแสสูงสุดของหม้อแปลงด้านปฐมภูมิ (A)

f: ความถี่การแปลง (KHZ)

วิธีการทำงาน

โดยทั่วไปแล้วหม้อแปลง Flyback ทำงานในสองโหมด:
1. โหมดไม่ต่อเนื่องของตัวเหนี่ยวนำ DCM (DiscontinuousInductorCurrentMode) หรือ "การแปลงพลังงานโดยสมบูรณ์": พลังงานทั้งหมดที่เก็บไว้ในหม้อแปลงที่ตันจะถูกถ่ายโอนไปยังเอาต์พุตในช่วงระยะเวลาฟลายแบ็ค (toff)

2. กระแสเหนี่ยวนำโหมดต่อเนื่อง CCM (ContinuousInductorCurrentMode) หรือ "การแปลงพลังงานที่ไม่สมบูรณ์": ส่วนหนึ่งของพลังงานที่เก็บไว้ในหม้อแปลงจะถูกเก็บไว้ที่จุดสิ้นสุดของ toff จนกระทั่งเริ่มรอบตันถัดไป

DCM และ CCM แตกต่างกันมากในแง่ของฟังก์ชันการถ่ายโอนสัญญาณขนาดเล็ก รูปคลื่นของพวกมันจะแสดงในรูปที่ 3 ในความเป็นจริง เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวแปลง VIN เปลี่ยนแปลงภายในช่วงกว้าง หรือ IL กระแสโหลดเปลี่ยนแปลงภายในช่วงกว้าง เมื่อ จะต้องขยายโหมดการทำงานสองโหมด ดังนั้น ตัวแปลงฟลายแบ็คจึงจำเป็นต้องทำงานอย่างเสถียรใน DCM/CCM แต่การออกแบบนั้นยากกว่า โดยปกติแล้วเราสามารถใช้สถานะวิกฤต DCM/CCM เป็นพื้นฐานการออกแบบได้ ควบคู่ไปกับการควบคุมโหมดปัจจุบัน pWM วิธีนี้สามารถแก้ไขปัญหาต่างๆ ใน ​​DCM ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ไม่ได้ขจัดปัญหาความไม่เสถียรโดยธรรมชาติของวงจรใน CCM CCM สามารถแก้ไขได้โดยการปรับอัตราขยายของลูปควบคุมเพื่อแยกย่านความถี่ต่ำและลดความเร็วการตอบสนองชั่วคราว ความไม่เสถียรนี้เกิดจาก "ศูนย์ครึ่งระนาบด้านขวา" ของฟังก์ชันการถ่ายโอน

DCM และ CCM แตกต่างกันมากในแง่ของฟังก์ชันการถ่ายโอนสัญญาณขนาดเล็ก

แผนภาพรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าหลักและรอง DCM/CCM

ในความเป็นจริง เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวแปลง VIN เปลี่ยนแปลงภายในช่วงกว้าง หรือ IL กระแสโหลดเปลี่ยนแปลงภายในช่วงกว้าง จะต้องขยายโหมดการทำงานสองโหมด ดังนั้นตัวแปลงฟลายแบ็คจึงต้องใช้ DCM/CCM ทั้งคู่จึงสามารถทำงานได้อย่างเสถียร แต่การออกแบบนั้นยากกว่า โดยปกติเราสามารถใช้สถานะวิกฤต DCM/CCM เป็นพื้นฐานการออกแบบ และใช้ pWM ควบคุมโหมดปัจจุบัน วิธีนี้สามารถแก้ไขปัญหาต่าง ๆ ใน DCM ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในวงจรระหว่าง CCM ไม่มีปัญหาความไม่เสถียรโดยธรรมชาติ ความไม่เสถียรที่เกิดจาก "จุดศูนย์ครึ่งระนาบด้านขวา" ของฟังก์ชันการถ่ายโอนใน CCM สามารถแก้ไขได้โดยการปรับอัตราขยายของลูปควบคุมเพื่อแยกย่านความถี่ต่ำ และลดความเร็วการตอบสนองชั่วคราว

ในสถานะเสถียร การเปลี่ยนแปลงของการเพิ่มฟลักซ์แม่เหล็ก ΔΦ ที่ตันจะต้องเท่ากับการเปลี่ยนแปลงที่ "toff" มิฉะนั้น แกนแม่เหล็กจะอิ่มตัว

ดังนั้น,

ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns

นั่นคือค่าโวลต์/วินาทีของแต่ละรอบของขดลวดปฐมภูมิของหม้อแปลงจะต้องเท่ากับค่าโวลต์/วินาทีของแต่ละรอบของขดลวดทุติยภูมิ

เมื่อเปรียบเทียบรูปคลื่นปัจจุบันของ DCM และ CCM ในรูปที่ 3 เราจะทราบได้ว่าในช่วงคาบ Trton ในสถานะ DCM รูปคลื่นการถ่ายโอนพลังงานทั้งหมดจะมีกระแสจุดสูงสุดปฐมภูมิที่สูงกว่า เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำปฐมภูมิ Lp ค่อนข้างต่ำ ทำให้ Ip คมชัด ผลเสียที่เกิดจากการเพิ่มขึ้นคือทำให้การสูญเสียของขดลวด (การสูญเสียของขดลวด) เพิ่มขึ้น และกระแสริปเปิลของตัวเก็บประจุตัวกรองอินพุตซึ่งต้องใช้ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งต้องมี ความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าสูงเพื่อให้ทำงานได้อย่างปลอดภัย

ในสถานะ CCM กระแสสูงสุดของด้านปฐมภูมิจะต่ำ แต่คริสตัลสวิตชิ่งมีค่ากระแสสะสมสูงในสถานะตัน ส่งผลให้เกิดการใช้พลังงานสูงของคริสตัลสวิตชิ่ง ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้บรรลุ CCM จำเป็นต้องใช้แรงดันไฟฟ้าปฐมภูมิที่สูงขึ้นของหม้อแปลงไฟฟ้า ค่าตัวเหนี่ยวนำด้านข้าง Lp และพลังงานตกค้างที่เก็บไว้ในแกนหม้อแปลงต้องการให้ปริมาตรของหม้อแปลงมากกว่า DCM ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์อื่นๆ เท่ากัน

โดยสรุป การออกแบบของหม้อแปลง DCM และ CCM โดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกัน ยกเว้นคำจำกัดความของกระแสพีคด้านปฐมภูมิ (Ip=Imax-Imin ใน CCM)