Running cool und schnell mit dem aktiven Clamp Flyback

Grundlagen der Sendetechnik Lernvideo von Stefan0719 - eflose #832 (March 2019).

Anonim

Der QRF-Stromrichter ist aus vielen Gründen eine beliebte Wahl für Offline-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch im Ausgangsleistungsbereich von 150 W oder weniger

VON MICHAEL O'LOUGHLIN
Systems Application und Design Engineer, Produktgruppe Hochspannungs-PWM-Controller, Texas Instruments
www.ti.com

Der quasiresonante Flyback- (QRF-) Leistungswandler ist aus vielen Gründen eine beliebte Wahl bei Offline-Anwendungen mit geringem Stromverbrauch im Ausgangsleistungsbereich von 150 W oder weniger. Der QRF-Konverter hat eine geringe Anzahl an Komponenten, was sich in einer billigen Stückliste niederschlägt. Die Topologie kann Systemeffizienzen von bis zu 90% bis 91% erreichen, wenn Synchrongleichrichter am Ausgang des Wandlers verwendet werden.

Um die Wärme- und Verlustleistung im herkömmlichen QRF zu regeln, haben Ingenieure die maximale Schaltfrequenz (f sw ) ihrer Designs unter 100 kHz begrenzt. Das einzige Problem dabei ist, dass die Verbraucher ihre Adapter noch kleiner haben möchten als heute. Um dies zu erreichen, muss der Offline-Sperrwandler mit Schaltfrequenzen betrieben werden können, die mindestens zwei- bis dreimal so hoch sind wie der QRF, der derzeit verwendet wird, um die magnetische Größe zu verringern. In diesem Artikel diskutieren wir, wie die Verwendung eines ACF-Wandlers (active clamp flyback) für diese Anwendungen schneller und kühler als ein herkömmlicher QRF ausgeführt werden kann, wodurch die magnetische Größe in Offline-Rücklaufanwendungen reduziert und die Gesamtversorgung kleiner wird.

Die Schaltverluste von QRF nehmen mit der Frequenz zu
Der QRF-Wandler ist ein sehr effizienter Leistungswandler, da er im Vergleich zu herkömmlichen hartgeschalteten Sperrwandlern geringere Schaltverluste aufweist. Der QRF weist jedoch Schaltverluste (Q 1 ) auf, die insbesondere bei hohen Eingangsspannungen mit der Schaltfrequenz zunehmen.

Gleichung 1 drückt die Schaltverluste des QRF-Schaltknotens (V SW ) (P SW (QRF) ) aus, wobei N P / N S das Transformatorwindungsverhältnis des Sperrwandlers (T 1, Fig. 1 ) ist. Die Variable C SW ist die Schaltungsknotenkapazität (V SW ) des Sperrwandlers. Aus dieser Gleichung kann beobachtet werden, dass P SW (QRF) f SW erhöht.

Abb. 1: Offline-Sperrwandler mit RCD, Diode und aktiver Klemme.

Passive Klemmverluste steigen mit der Schaltfrequenz

Ein anderes Problem des herkömmlichen QRF-Wandlers besteht darin, dass er traditionell eine Diodenklemme oder eine Widerstandskondensator-Diodenklemme (RCD) verwendet, um einen Strompfad zum Abschalten der primären Streuinduktivität (L LK ) des Transformators (T 1 ) bereitzustellen und die Hauptleitung des Wandlers zu schützen Schalter (Q 1 ) vor elektrischer Überlastung und Beschädigung schützen. Leider sind diese passiven Klemmen nicht frei und sie verbrauchen Leistung (P CLAMP ), die mit der Schaltfrequenz (f SW ) zunimmt.

Sehen Sie sich an, wie Gleichung 2 die passive Verlustleistung des Flybacks berechnet (P CLAMP ). In dieser Gleichung ist V CLAMP die Spannung an der Klemme, wenn Q 1 ausgeschaltet ist, und I P ist der Spitzenprimärstrom des Transformators. Ähnlich wie bei den Schaltknotenverlusten steigen auch die Klemmverluste mit f SW .

Die P CLAMP- und P SW (QRF) Verluste in QRF mit einer passiven Klemmung sind für Hochfrequenzdesigns schädlich. Wenn Sie versuchen, die magnetische Größe des Stromrichters zu reduzieren, indem Sie das Design mit einer höheren Schaltfrequenz betreiben, müssen Sie die Größe des Kühlkörpers für Q 1 erhöhen, was die Leistungsdichte des Designs beeinträchtigt. Die erhöhten Verluste beeinträchtigen die Systemeffizienz und erfordern die Verwendung von leistungsstärkeren und teureren Komponenten für den Hauptschalter und die passive Klemme. Dies hält die meisten Entwickler davon ab, QRF-Wandler über 100 kHz zu entwerfen.

ACF recycelt Clamp-Energie
Die aktive Klemme in Fig. 1 besteht aus einem Klemmschalter (Q C ) und einem Klemmkondensator (C C ), der eine RCD- oder Diodenklemme ersetzt. Dies gibt einen Platz für die Entladung und Speicherung der Streuinduktivität (L LK ) des Transformators T 1 und schützt somit Q 1 vor elektrischer Überlastung. Da Q C bidirektionalen Klemmstrom (I C ) zulässt, kann die Verlustleistung über den Sperrwandler-Primär-zu-Sekundär-Windungsverhältnis (N P / N S ) bei jedem Schaltzyklus an den Ausgang zurückgeführt werden, wodurch die aktive Klemmung nahezu verlustfrei wird und eine bessere Wahl für höherfrequente Designs im 200-kHz-Bereich oder höher.

ACF kann eine Nullspannungsschaltung erreichen
Es gibt Pulsbreitenmodulator- (PWM) -Regler auf dem Markt, die für den Einsatz in aktiven Klemmspannungswandlern mit zwei Treiberausgängen für Q C und Q 1 ausgelegt sind . Der Stromversorgungskonstrukteur kann dann den bidirektionalen Strom nutzen, indem er das Ausschalten des Klemmschalters verzögert. Diese Verzögerung ermöglicht, dass die primäre Magnetisierungsinduktivität (L PM ) in der umgekehrten Richtung geladen wird und einen negativen Spitzenprimärstrom (-I P ) entwickelt, der groß genug ist, um mit der Schaltungskapazität (C SW ) in Resonanz zu treten, um ein Nullspannungsschalten zu erreichen. ZVS).

Die Verzögerung erfordert eine Einstellung der Ausschaltverzögerung des Schalters Q1, wodurch es der Stromrichterzeit ermöglicht wird, ZVS zu erreichen. Es wird einige Arbeiten im Labor erfordern, aber das Entfernen der Schaltverluste ist die Mühe wert.

Um ZVS zu erreichen, muss die Energie in L PM gleich der Energie in C SW sein . Diese Beziehung ist in Gleichung 3 gezeigt:

Die Berechnung der Menge an negativem Strom, die benötigt wird, um ZVS zu erreichen, kann durch algebraisches Lösen von I P aus Gleichung 3 abgeleitet werden, was Gleichung 4 ergibt:

Um den Entwicklungsprozess zu vereinfachen, hat Texas Instruments den aktiven Flyback-Controller UCC28780 entwickelt. Der UCC28780 überwacht den Schaltknoten und passt die Q C -Ausschaltverzögerung und die Q 1- Einschaltverzögerung an, um ZVS zu erreichen. Die Steuerung überwacht kontinuierlich den Schaltknoten und passt die Verzögerungen innerhalb weniger Schaltzyklen an, um sicherzustellen, dass der Entwurf immer noch ZVS erreicht, wenn sich die Netzspannung und / oder die Stromrichterlast ändern sollten. Dies sollte die Entwurfszykluszeit des aktiven Sperrwandler-Sperrwandlers reduzieren und die Entwicklungskosten noch weiter senken.

Fig. 2 zeigt einen grafischen Vergleich zwischen QRF- und ACF-Schaltknotenumschaltung und Primärtransformatorstrom. Es gibt Hinweise in dieser Wellenform, die beschreiben, warum ACF effizienter ist als der herkömmliche QRF-Rücklauf.

Abb. 2: ACF ZVS und aktive Klemme gegen QRF und passive Klemme.

Zusammenfassung
Bei richtiger Auslegung wird der ACF-Controller nicht nur die Transformator-Verlustenergie zurückführen, um die Klemmverluste des Schaltknotens zu beseitigen, sondern kann auch ZVS erreichen und primäre Schaltverluste beseitigen. Dies ermöglicht Entwicklern, die Schaltfrequenzen des Flyback-Stromwandlers von 100 kHz auf 200 kHz oder mehr zu erhöhen, ohne zusätzliche Wärmesenke hinzuzufügen. Dadurch können sie die magnetische Größe des Designs reduzieren und die Leistungsdichte im Vergleich zu einem QRF mit passiven Klemmen erhöhen.