Prinsip dasar dan metode kerja catu daya flyback switching

Prinsip dasar dan metode kerja catu daya flyback switching

Prinsip dasar dan metode kerja

Mendasar

Ketika transistor Trton dialihkan, Np primer transformator mempunyai arus Ip dan menyimpan energi di dalamnya (E=LpIp/2). Karena Np dan Ns memiliki polaritas yang berlawanan, dioda D dibias terbalik dan terputus pada saat ini, dan tidak ada energi yang ditransfer ke Beban. Saat mengganti Troff, menurut hukum Lenz: (e=-N△Φ/△T), belitan primer transformator akan menghasilkan potensial balik. Pada saat ini, dioda D berkonduksi maju, dan beban mempunyai arus IL yang mengalir. Bentuk gelombang stabil dari konverter flyback

Besar kecilnya waktu konduksi ton akan menentukan amplitudo Ip dan Vce:

Vcemax=VIN/1-Dmaks

VIN: masukan tegangan DC; Dmax: siklus kerja maksimum

Dmaks=ton/T

Terlihat bahwa untuk memperoleh tegangan kolektor yang rendah maka Dmax harus dijaga tetap rendah yaitu Dmax<0.5. In practical applications, Dmax=0.4 is usually taken to limit Vcemax≦2.2VIN.

Arus operasi kolektor Ie ketika mengganti tabung Tron, yaitu arus puncak primer Ip adalah: Ic=Ip=IL/n. Karena IL=Io, ketika Io konstan, ukuran rasio lilitan n menentukan besarnya Ic, rumus di atas diturunkan berdasarkan prinsip kekekalan daya dan jumlah lilitan ampere primer dan sekunder adalah sama ke NpIp=NsI. Ip juga dapat dinyatakan dengan metode berikut:

Ic=Ip=2po/(η*VIN*Dmax)η: Efisiensi konverter

Rumusnya diturunkan sebagai berikut:

Daya keluaran:po=LIp2η/2T

Tegangan masukan: VIN=Ldi/dt, dengan asumsi di=Ip, dan 1/dt=f/Dmax, maka:

VIN=LIpf/Dmax atau Lp=VIN*Dmax/Ipf

Maka po dapat dinyatakan sebagai:

po=ηVINfDmaxIp2/2fIp=1/2ηVINDmaxIp

∴Ip=2po/ηVINDmaks

Dalam rumus di atas:

VIN: Tegangan masukan DC minimum (V)

Dmax: siklus kerja konduksi maksimum

Lp: Induktansi primer transformator (mH)

Ip: arus puncak sisi primer transformator (A)

f: frekuensi konversi (KHZ)

Cara bekerja

Trafo flyback umumnya bekerja dalam dua mode:
1. Mode terputus arus induktor DCM (DiscontinuousInductorCurrentMode) atau "konversi energi lengkap": semua energi yang disimpan dalam transformator pada ton ditransfer ke output selama periode flyback (toff).

2. Mode kontinu arus induktor CCM (ContinuousInductorCurrentMode) atau "konversi energi tidak lengkap": sebagian energi yang disimpan dalam transformator dipertahankan pada akhir toff hingga awal siklus ton berikutnya.

DCM dan CCM sangat berbeda dalam hal fungsi transfer sinyal kecil. Bentuk gelombangnya ditunjukkan pada Gambar 3. Faktanya, ketika tegangan input konverter VIN berubah dalam rentang yang besar, atau arus beban IL berubah dalam rentang yang besar, ia harus mencakup dua mode kerja. Oleh karena itu, konverter flyback diperlukan untuk bekerja secara stabil di DCM/CCM. Namun lebih sulit untuk merancangnya. Biasanya kita dapat menggunakan keadaan kritis DCM/CCM sebagai dasar desain. Ditambah dengan kontrol mode saat ini pWM. Metode ini dapat secara efektif menyelesaikan berbagai masalah di DCM, namun tidak menghilangkan masalah ketidakstabilan yang melekat pada rangkaian di CCM. CCM dapat diatasi dengan menyesuaikan penguatan loop kontrol untuk memisahkan pita frekuensi rendah dan mengurangi kecepatan respons transien. Ketidakstabilan ini disebabkan oleh "setengah bidang kanan nol" dari fungsi transfer.

DCM dan CCM sangat berbeda dalam hal fungsi transfer sinyal kecil.

Diagram gelombang arus primer dan sekunder DCM/CCM

Faktanya, ketika tegangan input konverter VIN berubah dalam rentang yang besar, atau arus beban IL berubah dalam rentang yang besar, maka harus mencakup dua mode operasi. Oleh karena itu, konverter flyback memerlukan DCM/CCM Keduanya dapat bekerja dengan stabil. Namun lebih sulit untuk merancangnya. Biasanya kita dapat menggunakan keadaan kritis DCM/CCM sebagai dasar desain, dan menggunakan pWM kontrol mode saat ini. Metode ini dapat secara efektif menyelesaikan berbagai masalah di DCM, tetapi tidak ada masalah ketidakstabilan yang melekat pada rangkaian selama CCM. Ketidakstabilan yang disebabkan oleh "titik nol setengah bidang kanan" dari fungsi transfer di CCM dapat diatasi dengan menyesuaikan penguatan loop kontrol untuk memisahkan pita frekuensi rendah dan mengurangi kecepatan respons transien.

Dalam keadaan stabil, perubahan pertambahan fluks magnet ΔΦ pada ton harus sama dengan perubahan pada "toff", jika tidak maka inti magnet akan jenuh.

Karena itu,

ΔΦ=VINton/Np=Vs*toff/Ns

Artinya, nilai volt/detik tiap belitan belitan primer transformator harus sama dengan nilai volt/detik tiap belitan belitan sekunder.

Membandingkan bentuk gelombang arus DCM dan CCM pada Gambar 3, kita dapat mengetahui bahwa selama periode Trton dalam keadaan DCM, seluruh bentuk gelombang transfer energi memiliki arus puncak primer yang lebih tinggi. Hal ini dikarenakan nilai induktansi primer Lp yang relatif rendah sehingga membuat Ip menjadi tajam. Efek negatif yang ditimbulkan dari kenaikan tersebut adalah meningkatkan rugi-rugi belitan (winding loss) dan arus riak kapasitor filter masukan, yang mengharuskan transistor switching memiliki a daya dukung arus yang tinggi agar dapat bekerja dengan aman.

Dalam keadaan CCM, arus puncak sisi primer rendah, tetapi kristal switching memiliki nilai arus kolektor yang tinggi dalam keadaan ton. Hal ini menyebabkan konsumsi daya yang tinggi pada kristal switching. Pada saat yang sama, untuk mencapai CCM, diperlukan tegangan primer transformator yang lebih tinggi. Nilai induktansi samping Lp dan energi sisa yang tersimpan pada inti transformator memerlukan volume transformator lebih besar dari DCM, sedangkan koefisien lainnya sama.

Singkatnya, desain transformator DCM dan CCM pada dasarnya sama, kecuali definisi arus puncak sisi primer (Ip=Imax-Imin dalam CCM).