עקרונות בסיסיים ושיטות עבודה של החלפת אספקת חשמל ב-Flyback
עקרונות יסוד ושיטות עבודה
בסיסי
כאשר הטרנזיסטור Trton משתנה, ל-Np הראשוני של השנאי יש Ip זרם והוא אוגר בו אנרגיה (E=LpIp/2). מכיוון של-Np ו-Ns יש קוטביות הפוכה, הדיודה D מוטה ומנתקת בזמן זה, ולא מועברת אנרגיה ל-Load. בעת החלפת Troff, על פי חוק לנץ: (e=-N△Φ/△T), הפיתול הראשוני של השנאי תיצור פוטנציאל הפוך. בשלב זה, הדיודה D מוליכה קדימה, ולעומס זורם זרם IL. צורת גל במצב יציב של ממיר flyback
גודל טון זמן ההולכה יקבע את המשרעת של Ip ו-Vce:
Vcemax=VIN/1-Dmax
VIN: מתח DC כניסה; Dmax: מחזור עבודה מקסימלי
Dmax=טון/T
ניתן לראות שכדי לקבל מתח קולט נמוך יש לשמור על Dmax נמוך, כלומר Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.
זרם ההפעלה של האספן כלומר בעת החלפת הצינור Tron, כלומר, זרם השיא הראשי Ip הוא: Ic=Ip=IL/n. מכיוון ש-IL=Io, כאשר Io קבוע, גודל יחס הסיבובים n קובע את הגודל של Ic, הנוסחה לעיל נגזרת על בסיס עקרון שימור החשמל ומספר סיבובי האמפר הראשוניים והמשניים שווה ל-NpIp=NsIs. ניתן לבטא את ה-IP גם בשיטה הבאה:
Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: יעילות הממיר
הנוסחה נגזרת כך:
הספק פלט:po=LIp2η/2T
מתח כניסה: VIN=Ldi/dt, בהנחה של di=Ip, ו-1/dt=f/Dmax, ואז:
VIN=LIpf/Dmax או Lp=VIN*Dmax/Ipf
אז פו יכול להתבטא כך:
po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp
∴Ip=2po/ηVINDmax
בנוסחה לעיל:
VIN: מתח כניסה DC מינימלי (V)
Dmax: מחזור הולכה מרבי
Lp: השראות ראשונית של שנאי (mH)
Ip: שיא זרם צד ראשי של שנאי (A)
f: תדירות המרה (KHZ)
צורת עבודה
שנאי Flyback פועלים בדרך כלל בשני מצבים:
1. מצב בלתי רציף של זרם משרן DCM (DiscontinuousInductorCurrentMode) או "המרת אנרגיה מלאה": כל האנרגיה המאוחסנת בשנאי בטון מועברת למוצא במהלך תקופת ה-flyback (toff).
2. מצב רציף של זרם משרן CCM (ContinuousInductorCurrentMode) או "המרת אנרגיה לא מלאה": חלק מהאנרגיה האצורה בשנאי נשמרת בסוף הטוף עד לתחילת מחזור הטונות הבא.
DCM ו-CCM שונים מאוד מבחינת פונקציות העברת אותות קטנות. צורות הגל שלהם מוצגות באיור 3. למעשה, כאשר מתח הכניסה של הממיר VIN משתנה בטווח גדול, או זרם העומס IL משתנה בטווח גדול כאשר, הוא חייב להשתרע על פני שני מצבי עבודה. לכן, ממיר ה-Flyback נדרש לעבוד ביציבות ב-DCM/CCM. אבל זה יותר קשה לעצב. בדרך כלל אנו יכולים להשתמש במצב קריטי DCM/CCM כבסיס התכנון. יחד עם בקרת מצב הנוכחי pWM. שיטה זו יכולה לפתור ביעילות בעיות שונות ב-DCM, אך היא אינה מבטלת את בעיית חוסר היציבות המובנית של המעגל ב-CCM. ניתן לפתור CCM על ידי התאמת רווח לולאת הבקרה כדי להפריד את פס התדרים הנמוך ולהפחית את מהירות התגובה החולפת. חוסר היציבות נגרמת מ"אפס חצי המישור הימני" של פונקציית ההעברה.
DCM ו-CCM שונים מאוד מבחינת פונקציות העברת אותות קטנות.
דיאגרמת גל זרמים ראשיים ומשניים של DCM/CCM
למעשה, כאשר מתח הכניסה VIN של הממיר משתנה בטווח גדול, או זרם העומס IL משתנה בטווח גדול, הוא חייב להשתרע על פני שני מצבי פעולה. לכן, ממיר ה-flyback דורש DCM/CCM שניהם יכולים לעבוד ביציבות. אבל זה יותר קשה לעצב. בדרך כלל אנו יכולים להשתמש במצב הקריטי של DCM/CCM כבסיס התכנון, ולהשתמש בבקרת מצב הנוכחי pWM. שיטה זו יכולה לפתור ביעילות בעיות שונות ב-DCM, אך ב- אין בעיית אי יציבות אינהרנטית במעגל במהלך CCM. ניתן לפתור את חוסר היציבות הנגרמת על ידי "נקודת האפס של חצי המישור הימני" של פונקציית ההעברה ב-CCM על ידי התאמת רווח לולאת הבקרה כדי להפריד את פס התדרים הנמוך ולהפחית את מהירות התגובה החולפת.
במצב יציב, השינוי בתוספת השטף המגנטי ΔΦ בטון חייב להיות שווה לשינוי ב"טוף", אחרת הליבה המגנטית תהיה רוויה.
לָכֵן,
ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns
כלומר, הערך הוולט/שני של כל סיבוב של הפיתול הראשוני של השנאי חייב להיות שווה לערך הוולט/שנייה של כל סיבוב של הפיתול המשני.
בהשוואה בין צורות הגל הנוכחיות של DCM ו-CCM באיור 3, אנו יכולים לדעת שבמהלך תקופת Trton במצב DCM, לכל צורת הגל של העברת האנרגיה יש זרם שיא ראשוני גבוה יותר. הסיבה לכך היא שערך השראות הראשונית Lp נמוך יחסית, מה שהופך את Ip בצורה חדה. ההשפעה השלילית הנגרמת מהעלייה היא הגדלת אובדן הפיתול (אובדן הליפוף) ואת זרם האדוות של קבל מסנן הכניסה, מה שמחייב את טרנזיסטור המיתוג יכולת נשיאת זרם גבוהה על מנת לעבוד בבטחה.
במצב CCM, זרם השיא של הצד הראשוני נמוך, אך לגביש המיתוג יש ערך זרם אספן גבוה במצב הטון. זה מביא לצריכת חשמל גבוהה של גביש המיתוג. יחד עם זאת, על מנת להשיג CCM, נדרש מתח ראשוני גבוה יותר של השנאי. ערך השראות הצדדית Lp והאנרגיה השיורית המאוחסנת בליבת השנאי דורשים שנפח השנאי יהיה גדול מזה של DCM, בעוד שמקדמים אחרים שווים.
לסיכום, התכנון של שנאי DCM ו-CCM זהה בעצם, למעט ההגדרה של זרם שיא הצד הראשוני (Ip=Imax-Imin ב-CCM).
