Nguyên lý cơ bản và phương pháp làm việc của nguồn điện chuyển mạch flyback
Nguyên tắc cơ bản và phương pháp làm việc
Cơ bản
Khi bóng bán dẫn Trton được đóng mạch, Np sơ cấp của máy biến áp có dòng điện Ip và lưu trữ năng lượng trong đó (E=LpIp/2). Vì Np và Ns có cực tính ngược nhau nên diode D bị phân cực ngược và bị cắt vào thời điểm này, đồng thời không có năng lượng nào được truyền sang Tải. Khi chuyển mạch Troff, theo định luật Lenz: (e=-N△Φ/△T), cuộn dây sơ cấp của máy biến áp sẽ tạo ra một điện thế ngược. Tại thời điểm này, diode D đang dẫn điện thuận và tải có dòng điện IL chạy qua. Dạng sóng trạng thái ổn định của bộ chuyển đổi flyback
Kích thước tấn thời gian dẫn sẽ quyết định biên độ của Ip và Vce:
Vcemax=VIN/1-Dmax
VIN: điện áp DC đầu vào; Dmax: chu kỳ làm việc tối đa
Dmax=tấn/T
Có thể thấy, để có được điện áp cực thu thấp thì Dmax phải được giữ ở mức thấp, tức là Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.
Dòng điện hoạt động của cực thu Ie khi chuyển ống Tron, tức là dòng điện cực đại sơ cấp Ip là: Ic=Ip=IL/n. Vì IL{2}}Io khi Io không đổi nên độ lớn của tỉ số vòng dây n quyết định độ lớn của Ic nên công thức trên được suy ra dựa trên nguyên lý bảo toàn điện năng và số vòng dây ampe sơ cấp và thứ cấp bằng nhau tới NpIp=NsIs. Ip cũng có thể được thể hiện bằng phương pháp sau:
Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: Hiệu suất bộ chuyển đổi
Công thức được suy ra như sau:
Công suất đầu ra:po=LIp2η/2T
Điện áp đầu vào: VIN=Ldi/dt, giả sử di=Ip và 1/dt=f/Dmax thì:
VIN=LIpf/Dmax hoặc Lp=VIN*Dmax/Ipf
Khi đó po có thể được biểu diễn dưới dạng:
po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp
∴Ip=2po/ηVINDmax
Trong công thức trên:
VIN: Điện áp đầu vào DC tối thiểu (V)
Dmax: chu kỳ làm việc dẫn điện tối đa
Lp: Độ tự cảm sơ cấp của máy biến áp (mH)
Ip: dòng điện cực đại phía sơ cấp máy biến áp (A)
f: tần số chuyển đổi (KHZ)
Cách làm việc
Máy biến áp Flyback thường hoạt động ở hai chế độ:
1. Chế độ dòng điện cuộn cảm không liên tục DCM (DiscontinuousInductor CurrentMode) hay "chuyển đổi năng lượng hoàn toàn": toàn bộ năng lượng tích trữ trong máy biến áp ở tấn được truyền đến đầu ra trong khoảng thời gian flyback (toff).
2. Chế độ liên tục dòng điện cảm ứng CCM (ContinuousInductor CurrentMode) hoặc "chuyển đổi năng lượng không hoàn chỉnh": một phần năng lượng được lưu trữ trong máy biến áp được giữ lại ở cuối thời gian tắt cho đến khi bắt đầu chu kỳ tấn tiếp theo.
DCM và CCM rất khác nhau về chức năng truyền tín hiệu nhỏ. Dạng sóng của chúng được hiển thị trong Hình 3. Trên thực tế, khi điện áp đầu vào VIN của bộ chuyển đổi thay đổi trong phạm vi lớn hoặc dòng điện tải IL thay đổi trong phạm vi lớn Khi , nó phải trải rộng hai chế độ làm việc. Vì vậy, bộ chuyển đổi flyback cần phải hoạt động ổn định trong DCM/CCM. Nhưng việc thiết kế lại khó khăn hơn. Thông thường chúng ta có thể sử dụng trạng thái tới hạn DCM/CCM làm cơ sở thiết kế. Kết hợp với pWM điều khiển chế độ hiện tại. Phương pháp này có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề khác nhau trong DCM, nhưng nó không loại bỏ được vấn đề mất ổn định cố hữu của mạch trong CCM. CCM có thể được giải quyết bằng cách điều chỉnh mức tăng của vòng điều khiển để tách dải tần số thấp và giảm tốc độ phản hồi nhất thời. Sự mất ổn định là do "nửa mặt phẳng phải" của hàm truyền gây ra.
DCM và CCM rất khác nhau về chức năng truyền tín hiệu nhỏ.
Sơ đồ dạng sóng dòng điện sơ cấp và thứ cấp DCM/CCM
Trên thực tế, khi điện áp đầu vào VIN của bộ chuyển đổi thay đổi trong phạm vi lớn hoặc dòng điện tải IL thay đổi trong phạm vi lớn, nó phải trải rộng ở hai chế độ hoạt động. Vì vậy, bộ chuyển đổi flyback yêu cầu DCM/CCM Cả hai đều có thể hoạt động ổn định. Nhưng việc thiết kế lại khó khăn hơn. Thông thường chúng ta có thể sử dụng trạng thái tới hạn DCM/CCM làm cơ sở thiết kế và sử dụng pWM điều khiển chế độ hiện tại. Phương pháp này có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề khác nhau trong DCM, nhưng không có vấn đề mất ổn định cố hữu nào trong mạch trong CCM. Sự mất ổn định do "điểm 0 nửa mặt phẳng bên phải" của hàm truyền trong CCM gây ra có thể được giải quyết bằng cách điều chỉnh mức tăng của vòng điều khiển để tách dải tần số thấp và giảm tốc độ phản hồi nhất thời.
Ở trạng thái ổn định, sự thay đổi mức tăng từ thông ΔΦ tại tấn phải bằng mức thay đổi ở mức "toff", nếu không lõi từ sẽ bị bão hòa.
Vì vậy,
ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns
Nghĩa là, giá trị vôn/giây của mỗi vòng dây quấn sơ cấp của máy biến áp phải bằng giá trị vôn/giây của mỗi vòng dây quấn thứ cấp.
So sánh dạng sóng hiện tại của DCM và CCM trong Hình 3, chúng ta có thể biết rằng trong chu kỳ Trton ở trạng thái DCM, toàn bộ dạng sóng truyền năng lượng có dòng điện cực đại sơ cấp cao hơn. Điều này là do giá trị điện cảm sơ cấp Lp tương đối thấp, làm cho Ip tăng mạnh. Tác động tiêu cực do tăng là làm tăng tổn hao cuộn dây (tổn hao cuộn dây) và dòng điện gợn của tụ lọc đầu vào, đòi hỏi bóng bán dẫn chuyển mạch phải có khả năng chịu dòng cao để làm việc an toàn.
Ở trạng thái CCM, dòng điện cực đại ở phía sơ cấp thấp, nhưng tinh thể chuyển mạch có giá trị dòng điện cực thu cao ở trạng thái tấn. Điều này dẫn đến mức tiêu thụ điện năng cao của tinh thể chuyển mạch. Đồng thời, để đạt được CCM thì cần có điện áp sơ cấp của máy biến áp cao hơn. Giá trị điện cảm phía Lp và năng lượng dư tích trữ trong lõi máy biến áp yêu cầu thể tích của máy biến áp phải lớn hơn DCM, trong khi các hệ số khác bằng nhau.
Tóm lại, thiết kế của máy biến áp DCM và CCM về cơ bản là giống nhau, ngoại trừ định nghĩa về dòng điện cực đại phía sơ cấp (Ip=Imax-Imin trong CCM).
