Quais são as limitações de energia efetivas da topologia do conversor flyback e por quê?

Olhando para várias topologias diferentes de conversores isolados, o flyback parece ser o mais simples à primeira vista. Há apenas uma opção, portanto, há apenas um driver, que (todas as outras coisas são iguais) deve reduzir o custo. No entanto, em níveis elevados de potência (5kW +), o flyback parece geralmente não ser considerado prático. Perguntei o porquê no início de minha carreira, e as respostas que obtive foram vagas.

Eu conheci uma pessoa que geralmente usava seus próprios transformadores flyback; ele disse que conseguiu 500W de uma vez, mas apenas por pouco, e com bastante rebobinagem para otimizar o transformador. Os fabricantes comerciais com quem conversei ficaram em silêncio ou perguntaram que coisa insana eu estava fazendo para querer um transformador flyback tão grande.

Um livro antigo que me deparei dizia que os transformadores flyback precisam ser operados em altas frequências, e os comutadores disponíveis não poderiam sobreviver às tensões de um conversor flyback nesses níveis de potência. No entanto, não ficou claro por que essas tensões eram piores do que outras topologias de chave única, como conversores de impulso. Nem ficou claro por que as frequências precisavam ser tão altas. Eu suspeito que é porque é necessário um acoplamento excepcionalmente apertado no transformador / indutor acoplado, o que limita a escolha dos materiais e tamanhos do núcleo, determinando a escolha da frequência, determinando ainda mais a seleção do interruptor. Mas isso é apenas um palpite.

Então, qual é o verdadeiro negócio? Qual é o limite de energia efetivo da topologia flyback e por quê?

Não há limite rígido para a potência de saída de uma topologia de flyback. É uma questão de qual é o melhor para uma determinada situação. Pode-se criar um flyback de 1kW, mas provavelmente não seria econômico. Esse é um negócio em que eles têm reuniões sangrentas sobre diodos de 3 centavos e reconhecem que é mais barato contratar outro engenheiro em tempo integral do que gastar alguns centavos extras em seu produto - para não escolher a melhor topologia para os requisitos pode encurtar a carreira de alguém.

O conversor flyback usa o núcleo com menos eficiência (significa mais dinheiro, tamanho e peso para um núcleo, o que importa mais à medida que os níveis de energia aumentam). Como Russell aponta, o flyback armazena a energia transferida no indutor e a libera para a saída, em oposição à maioria dos outros tipos que transferem energia quando o interruptor está ligado. Isso significa que necessariamente a tensão atual deve ser maior, uma vez que toda a energia está sendo transferida por um único interruptor, e isso pode ocorrer apenas em uma parte do tempo. (Lembre-se de que algumas perdas são proporcionais ao quadrado da corrente, portanto, 10A por 33% do tempo vs. 3A por 100% do tempo representam a mesma potência de carga, mas as perdas resistivas no comutador de ciclo de serviço baixo são 3,7 vezes maior.

O estresse de tensão no comutador em um flyback é muito maior (tensão de entrada dupla) em comparação com um conversor de avanço de dois comutadores (apenas a tensão de entrada). Isso torna o switch mais caro, especialmente para MOSFETs, onde o tamanho do chip (e, portanto, o custo) aumenta rapidamente com a classificação de tensão, sendo todas as outras coisas iguais. Os comutadores menos sensíveis à tensão (em custo) tendem a ser bastante lentos (BJTs e IGBTs), portanto, menos adequados para conversores flyback, porque exigiriam um núcleo maior.

Os conversores Flyback têm várias vantagens (simplicidade potencial por causa do comutador único, sem necessidade de indutores de saída porque a indutância de vazamento funciona para você, ampla faixa de tensão de entrada), mas essas vantagens predominam principalmente em níveis mais baixos de energia.

É por isso que você quase sempre vê conversores flyback usados ​​em adaptadores CA e nunca em uma fonte de alimentação de PC de 250 W + - ambas as aplicações em que qualquer excesso de custo seguro de espremer foi reduzido (às vezes mais do que naquela!).

Hora de dormir passada - resposta tão curta. Todos estão felizes :-).

Você diferencia 'flyback' e boost '- o que pode significar a mesma coisa, mas não pode.

A característica mais exclusiva do Flyback é que a energia a ser transferida é armazenada inteiramente no indutor quando o interruptor está ligado e transferida para a saída pelo campo magnético em colapso quando o interruptor está desligado. Alguns pensamentos revelarão que, em um núcleo com folga de ar (ou no qual as folgas de ar são distribuídas por todo o indutor) a energia é de fato armazenada principalmente no 'ar' na folga - uma afirmação que atrairá 'comentários contrários robustos' . Independentemente do local exato de armazenamento, a energia é armazenada no campo magnético e o aumento da energia requer um tamanho de núcleo aumentado.

Os conversores que transferem energia durante o estado de comutação não dependem principalmente do núcleo e do campo para armazenamento de energia.

Para transferir mais energia em um sistema flyback, você deve aumentar a energia transferida por ciclo e / ou o número de ciclos por segundo. Para um indutor totalmente 'descarregado':

• $E$$\frac{1}{2}LI^2$

• $f\cdot\frac{1}{2}LI^2$

$f$
$I$
$L$

$L$$I = V\cdot t/L$$t$$V$

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

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

MOSFETs iniciais eram extremamente limitados na frequência de corte. Os FETs modernos são muito mais capazes, mas para IGBTs de comutação de alta velocidade e alta velocidade são muitas vezes vantajosos.

Então ... é improvável que você veja conversores flyback com mais de algumas centenas de watts e, geralmente, menos.

Mais tarde, talvez.

A energia é perdida em cada fechamento da capacitância do interruptor.

Isso faz com que a frequência cada vez maior seja uma resposta impraticável a um flycore com maior espaço de armazenamento de energia ao custo de uma indutância mais baixa.

Você pode ter um núcleo grande com muitas voltas, mas depois está perdendo mais em cobre.

Os mosfets da SIC, GAN e Superjunção de Silício têm muito menos capacitância do que os melhores dispositivos de uma década atrás. São possíveis flybacks de comutação rígida de maior potência.

As melhores técnicas usam ressonância para remover parte ou toda a carga armazenada no comutador antes de ligá-lo.

As correntes de pico de comutação e as tensões de pico limitam as saídas de energia práticas, MAS os semicondutores estão ficando muito melhores. Por exemplo, um Mosfet SiC 1200 Volt 100m ohm pode desativar o pico de 30 amperes. Portanto, pode-se pensar em 1Kw off-line. Embora esses comutadores modernos tenham baixas perdas de comutação, há a energia presa na indutância de vazamento do transformador que não atinge a carga que, quando você usa a tecnologia ortodoxa de transformadores, você encontrará que é pior do que qualquer perda de comutação em potencial ao operar em frequências normais. A braçadeira ativa SO ou qualquer coisa que resolva vazamentos é o passaporte para alta potência com baixas perdas.