A procura de fontes de energia eléctrica e electrónica no projecto automóvel inovador pode ser resumida do seguinte modo: aumento da potência, melhoria da eficiência, redução dos requisitos de espaço,e melhorar a fiabilidadePara os veículos elétricos (VE), a eficiência é crucial para aliviar a "ansiedade de alcance" dos utilizadores.Precisamos fornecer soluções de energia compactas e leves para fontes de energia de reserva e auxiliaresAs fontes de alimentação mais pequenas trazem mais desafios.Incluindo a necessidade de maiores capacidades de isolamento para evitar quebras elétricas entre componentes com espaçamento mais próximo e reduzir as interferências eletromagnéticas (EMI).
Os conversores de potência flyback são comumente usados em várias aplicações de veículos elétricos de baixa potência, incluindo geração de energia auxiliar, gerenciamento de bateria e potência de acionamento de portão.com menos componentesO núcleo de uma fonte de alimentação flyback é o transformador flyback,que é tipicamente um dos maiores componentes necessários para suportar isolamento de alta tensão.
Este artigo introduz o princípio de funcionamento dos conversores flyback, os efeitos da indutividade e da capacitância parasitária e a importância do tamanho dos componentes e do isolamento do sinal.Foi introduzido o transformador flyback do Bourns., e como ajudou a resolver muitos problemas de alimentação dos automóveis foi explicado.
Conversor Flyback
O núcleo de um conversor flyback é um transformador flyback, que fornece transmissão de energia e isolamento entre os lados primário e secundário do circuito do conversor (Figura 1, superior).O conversor pode aumentar ou resistir a tensão da fonte de alimentação de corrente contínua de acordo com a configuração do transformador flybackAlém de um transformador flyback, o circuito também requer um interruptor lateral primário (SW) (geralmente MOSFET) e um retificador/filtro secundário.
Diagrama esquemático simplificado dos componentes básicos do conversor flyback
Figura 1: Um diagrama esquemático simplificado dos componentes básicos (figura superior) e das formas de onda de funcionamento importantes (figura inferior) de um conversor flyback é mostrado. (Fonte da imagem: Bourns Inc.)
Ao colocar Vgs em um estado de alto nível (Figura 1, abaixo), o ciclo de trabalho começa quando o SW é ligado.Indutores podem neutralizar quaisquer mudanças instantâneas na corrente e integrar a tensão passo aplicadoIsto cria uma função de rampa, onde a corrente no enrolamento primário do transformador flyback aumenta linearmente devido à influência da indutividade primária.Devido ao viés inverso do diodo retificador (D)A lacuna de ar no núcleo do transformador flyback pode impedir a saturação quando o campo magnético do transformador aumenta.
Quando o interruptor é desligado (restaurando Vgs para um estado baixo), a energia armazenada no campo magnético do transformador é transferida para o secundário através do diodo tendencioso para a frente,Carregamento do condensador de saída (C2)A corrente secundária diminui linearmente até que a energia do campo magnético seja esgotada ou o interruptor seja aberto novamente, iniciando o próximo ciclo.
Um transformador típico, como um transformador numa fonte de alimentação linear, transfere continuamente energia do enrolamento primário para o enrolamento secundário.O princípio de funcionamento de um transformador flyback é mais semelhante a um par de inductores acopladosNo entanto, tal como os transformadores, os transmissores de energia não são equipados com um sistema de transmissão de energia, pois não transmitem continuamente energia durante o ciclo de trabalho.a tensão de saída também pode ser ajustada alterando a relação de voltas entre os enrolamentos primários e secundáriosO transformador flyback também fornece isolamento elétrico entre os enrolamentos primário e secundário.que permitam ao conversor emitir várias tensões.
Efeitos parasitários dos conversores flyback
Como um circuito eletrônico típico, os conversores flyback são afetados pela indutividade e capacitância parasitárias (Figura 2).
Imagem esquemática do conversor flyback
Figura 2: O diagrama esquemático do conversor flyback é mostrado, com a capacidade parasitária e a indutividade em vermelho relacionadas aos componentes do conversor. (Fonte da imagem: Bourns Inc.)
A indutividade magnetizada (Lm) é a principal propriedade indutiva que determina o armazenamento de energia dos transformadores flyback.Também relacionado com transformadores é a indutividade de vazamento parasita (Llk) em série com interruptoresQuando o interruptor é desconectado, ele tentará manter a corrente primária e aumentar a tensão através do interruptor.A maioria dos conversores flyback usam circuitos de grampos ou circuitos tampão para proteger os interruptores dos efeitos de tais tensões transitóriasEste efeito também aumentará a radiação do campo magnético e afetará a interferência eletromagnética.
Os projetistas de transformadores farão todos os esforços para minimizar a indutividade de vazamento. O método principal é aumentar o acoplamento entre os enrolamentos primários e secundários.é necessário minimizar o espaçamento entre os enrolamentos e organizá-los de forma escalonada.
A capacitância distribuída inclui a capacitância primária (Cp), a capacitância de enrolamento (Cps), a capacitância secundária (Cs), a capacitância de saída do transistor de efeito de campo (Co),e capacidade de diodo secundário (Cd)Estes condensadores interagem com os inductores, reduzindo a integridade da forma de onda do sinal do conversor (Figura 3).
Diagrama esquemático da influência de componentes parasitas, como condensadores e inductores, nas formas de onda do interruptor (clique para ampliar)
Figura 3: A influência de componentes parasitas, como condensadores e inductores, na forma de onda de comutação é mostrada. (Fonte da imagem: Bourns Inc.)
A forma de onda do interruptor é preferencialmente um pulso retangular sem ultrapassagem ou subtração.O tempo de conversão rápido deste pulso retangular garante que a forma de onda da tensão esteja em zero antes do aumento da correnteNa verdade, os efeitos da capacitância parasitária e da indutividade podem retardar o tempo de conversão e causar sobrecarga, subcarga e oscilação instantânea.devido à sobreposição de voltagem primária diferente de zero e formas de onda de corrente, os tempos de subida e queda mais lentos aumentarão as perdas de comutação do conversor.A diminuição significativa no topo do pulso é causada pela resistência de carga e indutividade magnetização.
Ao projetar um transformador flyback,Os esforços devem ser feitos para manter a freqüência de auto-resonância longe da freqüência de comutação do conversor e para encurtar a fiação entre o interruptor e o transformador flyback tanto quanto possível.Além disso, a capacidade de enrolamento também fornece um caminho para acoplar os componentes de alta frequência do sinal primário à saída.Quanto maior a capacidade entre os enrolamentos, quanto maior for a radiação EMI conduzida do conversor.Como o acoplamento de enrolamento mais apertado reduz a indutividade de vazamento, mas também aumenta a capacidade de enrolamentoÉ aqui que reside a importância da experiência dos projetistas de transformadores.
Reduzir o tamanho e isolar os sinais
Os componentes utilizados em aplicações automotivas devem ser o mais pequenos possível.As dimensões físicas dos componentes são determinadas pelas propriedades dos materiais e pelas características físicas da funcionalidade dos componentes.No caso dos transformadores flyback, o espaçamento entre os condutores deve ser suficiente para suportar a tensão máxima de funcionamento e os ensaios de tensão exigidos para a certificação padrão.As principais especificações relacionadas com a quebra de tensão são a distância entre os intervalos e o deslizamento (Figura 4).