¿Cuáles son las limitaciones de potencia efectiva de la topología del convertidor flyback y por qué?

Al observar varias topologías de convertidor aisladas diferentes, el retorno parece ser el más simple a primera vista. Solo hay un interruptor, por lo que solo hay un controlador, que (si todo lo demás es igual) debería reducir el costo. Sin embargo, a altos niveles de potencia (5kW +), el retorno parece no ser considerado práctico. Pregunté por qué al principio de mi carrera, y las respuestas que obtuve fueron vagas.

Conocí a una persona que comúnmente estaba enrollando sus propios transformadores de retorno; Dijo que obtuvo 500W de uno una vez, pero apenas, y con mucho rebobinado para optimizar el transformador. Los fabricantes comerciales con los que hablé se callaron o me preguntaron qué cosa loca estaba haciendo para querer un transformador de retorno tan grande.

Un viejo libro con el que me encontré decía que los transformadores de retorno necesitan funcionar a altas frecuencias, y los interruptores disponibles no pueden sobrevivir a las tensiones de un convertidor de retorno a esos niveles de potencia. Sin embargo, no estaba claro por qué esas tensiones eran peores que otras topologías de un solo interruptor, como los convertidores de impulso. Tampoco estaba claro por qué las frecuencias debían ser tan altas. Sospecho que se debe a que se necesita un acoplamiento excepcionalmente apretado a través del transformador / inductor acoplado, lo que limita la elección de los materiales y tamaños del núcleo, dicta la elección de frecuencia y dicta la selección del interruptor. Pero eso es solo una suposición.

Entonces, ¿cuál es el verdadero negocio? ¿Cuál es el límite de potencia efectiva de la topología de retorno y por qué?

No existe un límite estricto para la potencia de salida de una topología flyback. Se trata de cuál es el mejor para una situación dada. Se podría crear un retorno de 1 kW, pero probablemente no sería económico. Este es un negocio donde tienen reuniones de sangre en la alfombra sobre diodos de 3 centavos y reconocen que es más barato contratar a otro ingeniero a tiempo completo que poner unos centavos adicionales de costo en su producto, por lo que no elegir el La mejor topología para los requisitos podría acortar la carrera de uno.

El convertidor de retorno utiliza el núcleo de manera menos eficiente (significa más dinero, tamaño y peso para un núcleo, lo que es más importante a medida que aumentan los niveles de potencia). Como señala Russell, el flyback almacena la energía transferida en el inductor y la libera a la salida, a diferencia de la mayoría de los otros tipos que transfieren energía cuando el interruptor está encendido. Eso significa necesariamente que el estrés actual debe ser mayor, ya que toda la energía se transfiere mediante un solo interruptor, y solo puede ser una parte del tiempo. (Tenga en cuenta que algunas pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente, por lo que 10A durante el 33% del tiempo frente a 3A durante el 100% del tiempo representan la misma potencia de carga, pero las pérdidas resistivas en el interruptor de ciclo de trabajo bajo son 3.7 veces mayor.

El estrés de voltaje en el interruptor en un flyback es mucho mayor (voltaje de entrada doble) en comparación con un convertidor directo de dos interruptores (solo el voltaje de entrada). Esto hace que el cambio sea más costoso, especialmente para los MOSFET, donde el tamaño del chip (y, por lo tanto, el costo) aumenta rápidamente con la clasificación de voltaje, y todas las demás cosas son iguales. Los interruptores que son menos sensibles al voltaje (en costo) tienden a ser bastante lentos (BJT e IGBT), por lo que nuevamente son menos adecuados para los convertidores flyback porque requerirían un núcleo más grande.

Los convertidores Flyback tienen una serie de ventajas (simplicidad potencial debido al interruptor único, no se requieren inductores de salida porque la inductancia de fuga funciona para usted, amplio rango de voltaje de entrada), pero esas ventajas dominan principalmente a niveles de potencia más bajos.

Es por eso que casi siempre verá convertidores de retorno utilizados en adaptadores de CA, y nunca lo verá en una fuente de alimentación de PC de 250 W +, ambas aplicaciones donde se ha eliminado cualquier exceso de costo que sea seguro de exprimir (a veces más que ¡ese!).

Pasado la hora de acostarse, tan breve respuesta. Todos están contentos :-).

Diferencia 'flyback' y boost ', lo que puede significar lo mismo, pero puede que no.

La característica más singular de Flyback es que la energía a transferir se almacena completamente en el inductor cuando el interruptor está encendido, y se transfiere a la salida por el campo magnético colapsante cuando el interruptor está apagado. Algún pensamiento revelará que en un núcleo con espacio de aire (o uno en el que los espacios de aire se distribuyen por todo el inductor), la energía se almacena principalmente en el 'aire' en el espacio, una declaración que atraerá 'comentarios contrarios robustos' . Independientemente de la ubicación exacta de almacenamiento, la energía se almacena en el campo magnético, y una mayor potencia requiere un mayor tamaño del núcleo.

Los convertidores que transfieren energía durante el estado de encendido del interruptor no dependen principalmente del núcleo y el campo para el almacenamiento de energía.

Para transferir más potencia en un sistema flyback, debe aumentar la energía transferida por ciclo y / o el número de ciclos por segundo. Para un inductor completamente 'descargado':

• $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}$

Los primeros MOSFET fueron extremadamente limitados en la frecuencia de corte. Los FET modernos son mucho más capaces PERO para la conmutación de alta tensión y alta velocidad Los IGBT son a menudo ventajosos.

Entonces ... es poco probable que vea convertidores de retorno a más de unos pocos cientos de vatios, y generalmente menos.

Más tarde tal vez.

Se pierde energía en cada cierre de la capacitancia del interruptor.

Esto hace que la frecuencia cada vez mayor sea una respuesta poco práctica a un flycore con una mayor brecha de almacenamiento de energía a costa de una menor inductancia.

Puede tener un núcleo grande con muchas vueltas, pero luego está perdiendo más en cobre.

Los mosfets SIC, GAN y Silicon Superjunction tienen mucha menos capacidad que los mejores dispositivos hace una década. Son posibles flybacks de conmutación dura de mayor potencia.

Las mejores técnicas utilizan la resonancia para eliminar parte o la totalidad de la carga almacenada en el interruptor antes de encenderlo.

Las corrientes de pico y los voltajes de pico limitan las salidas de potencia prácticas, PERO los semiconductores están mejorando mucho. Por ejemplo, un Mosfet SiC 1200 Volt 100m ohm podría apagar un pico de 30 amperios. Por lo tanto, uno podría pensar en 1Kw fuera de línea. Aunque estos interruptores modernos tienen bajas pérdidas de conmutación, existe la energía atrapada en la inductancia de fuga del transformador que no llega a la carga que, cuando utiliza la tecnología de transformador ortodoxo, encontrará que es peor que cualquier pérdida de conmutación potencial cuando funciona a frecuencias normales. La abrazadera tan activa o cualquier cosa que aborde las fugas es el pasaporte a alta potencia con bajas pérdidas.