seminario 2008 stefano
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05/11/08 Stefano Fabiani 3
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
I sistemi flyback vengono utilizzati quando la tensione d’ingresso è molto diversa dalla
tensione d’uscita da ottenere, sia in salita che in discesa, inoltre prevedono un
trasformatore che isoli galvanicamente la parte sotto alta tensione dall’uscita a bassa
tensione.
05/11/08 Stefano Fabiani 4
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
SCHEMATICO
Q1Controller PWM
V0
VDC
C1RL
D1
PWM sta per Pulse Width Modulator e fa parte del circuito di retroazione per il controllo della stabilità della tensione Vo.
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
Q1Controller PWM
V0
VDC
C1 RL
D1Ip
Ton
Mosfet Q1 va ON
Ip = ((VDC – VDS) x Ton) / Lp
Si immagazzina Energia nel Trasformatoree = 1/2 x Lp x Ip2
Diodo interdettoIs = 0
05/11/08 5Stefano Fabiani
Principio di funzionamento di un convertirore Flyback
Forme D’onda
Ton
Ip
Is
t
t
05/11/08 6Stefano Fabiani
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
Q1Controller PWM
V0
VDC
C1 RL
D1Ip = 0Toff
Mosfet Q1 va OFFIl trasformatore tenta per sua natura di mantenere il flusso di corrente e la tensione ai capi della bobina si inverte di segno
Trasmissione di EnergiaIs = ((Vs+VD1)xToff) / Ls
Diodo in conduzione
C1 in carica
05/11/08 7Stefano Fabiani
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
Forme D’onda
Ton
Ip
Is
t
t
Toff
05/11/08 8Stefano Fabiani
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
Poiché la potenza è l’energia trasferita per il tempo necessario a trasferirla
avremo
05/11/08 9Stefano Fabiani
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
In definitiva la Tensione di Uscita in rapporto alla Tensione di ingresso, per un rendimento dell’ 80%, sarà data da:
IL LOOP DI FEEDBACK MANTIENE COSTANTE LA TENSIONE DI USCITA MANTENENDO COSTANTE IL PRODOTTO Vdc x Ton
05/11/08 10Stefano Fabiani
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
SE LA CORRENTE AL SECONDARIO DECADE A 0 PRIMA CHE IL MOSFET RICOMINCI A CONDURRE, IL CIRCUITO LAVORA IN MODO DISCONTINUO
Ton
Ip
Is
t
t
Toff Tdead
05/11/08 11Stefano Fabiani
T
Principio di funzionamento di un convertitore Flyback
SE LA CORRENTE AL SECONDARIO NON DECADE A 0 PRIMA CHE IL MOSFET RICOMINCI A CONDURRE, IL CIRCUITO LAVORA IN MODO CONTINUO
Ton
Ip
Is
t
t
Toff
05/11/08 12Stefano Fabiani
T
Differenze tra DCM e CCM
Il Discontinous Mode risponde più rapidamente ai cambiamenti della tensione di ingresso e della corrente al carico.VANTAGGIO PER I DCM
Il picchi di corrente nel Discontinous Mode sono più alti di quelli del Continous Mode.SVANTAGGIO PER I DCM
Le correnti RMS del Discontinous Mode sono più grandi rispetto a quelle di un Continous Mode.SVANTAGGIO PER I DCM
Il Modo Discontinuo ha meno problemi di Loop di Stabilizzazione di quello continuoVANTAGGIO PER I DCM
05/11/08 13Stefano Fabiani
PROGETTAZIONE di UN FLYBACK
• Bisogna stabilire il rapporto tra le spire del primario e quelle del secondario tali che
Tensione massimaal Mosfet
Tensione Riflessa
05/11/08 14Stefano Fabiani
PROGETTAZIONE di UN FLYBACK
1. Bisogna assicurarsi che il nucleo non saturi
05/11/08 15Stefano Fabiani
1. I Flyback sono costruiti con nuclei tra ferrati tali da modificare la curva di isteresi in modo tale che
ENERGIA IMMAGAZZINATA = ENERGIA SPESA
1. Se il trasformatore è un Discontinous Mode bisogna che ci sia un tempo morto Tdead tale per cui:
Ton + Toff + Tdead = T
Vp x Ton = Vs x Toff
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Definizione di induttanza dispersa
Quantità del flusso generato dal primario che non è raccolto dal secondario (flusso disperso).L'entità di questa parte dipende principalmente dalla bontà di costruzione del trasformatore.
PRIMARY
SECONDARY
Flusso mutuo
Flusso
disperso
05/11/08 16Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Quando un flusso o parte di esso non viene utilizzato, il flusso disperso fa nascere negli avvolgimenti delle induttanze che non partecipano all' accoppiamento e che perciò risultano in serie a ciascun avvolgimento.
Ld
LP LS
RSRP
RLInduttanza dispersa relativa al primario
05/11/08 17Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Vdc + Vr
Vdc
05/11/08 18Stefano Fabiani
IN UN FLYBACKL’INDUTTANZA DISPERSA VA AD INCREMENTARE LA TENSIONE SULMOSFET IN TOFF
Fase 2: • L’integrato si spegne• Trasferimento dell’energia immagazzinata al primario verso il secondario• All’apertura del Mosfet si manifesta un picco di tensione Vp• La Ip decade con una certa pendenza (slope)
Fase 1: Non essendovi energia immagazzinata nel trasformatore l’induttanza dispersa non dà grossi problemi.
Proviamo a dividere il funzionamento del Flyback in 3 fasi:
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
NsNpNs Np
b1 b2
c
Supponiamo di avere la seguente costruzione di un trasformatore
05/11/08 20Stefano Fabiani
a
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Sperimentalmente l’Induttanza dispersa dipende dalla seguente formula:
05/11/08 21Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Dividendo l’avvolgimento primario si avrà la seguente costruzione del trasformatore
b3
a
b2
Np/2 Ns
Np/2
Np/2 Ns
Np/2
05/11/08 22Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Sperimentalmente, in questo caso, l’Induttanza dispersa dipende invece dalla seguente formula:
05/11/08 23Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
Quindi:
• Sezionando l’avvolgimento abbiamo a moltiplicare un coefficiente più piccolo
• Più basso è il numero delle spire al primario più bassa è l’induttanza dispersa (nuclei magnetici più abbondanti riducono il numero delle spire)
• Disponendo il primario su tutta la bancata si abbassa l’induttanza dispersa
• Diminuendo la distanza tra gli avvolgimenti si abbassa l’induttanza dispersa
• Diminuendo lo spessore degli avvolgimenti si abbassa l’induttanza dispersa
05/11/08 24Stefano Fabiani
VANTAGGI
• Si evita l’ utilizzo dei circuiti di clamp o snubber che hanno appunto lo scopo di limitare la sovratensione che si ha ai capi del mosfet allo spegnimento dello stesso per effetto dell’ induttanza dispersa.
• Si limitano i rumori dovuti alle emissioni EMI
• Minore perdita di tensione al secondario
05/11/08 25Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK
SIMULAZIONE IN PSPICE CON UNA Ld = 5% di Lp=1.2mH
05/11/08 26Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA IN UN FLYBACK
SIMULAZIONE IN PSPICE CON UNA Ld = 1% di Lp=1.2mH
05/11/08 27Stefano Fabiani
INDUTTANZA DISPERSA IN UN FLYBACK
05/11/08 28Stefano Fabiani
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
Definizione di capacità parassita
Una capacità parassita è quella capacità (condensatore a costante distribuita) che si genera nella costruzione di qualsiasi tipo di apparato e di componente elettronico. Accade che tra le spire affiancate di un avvolgimento o di un semplice link di poche spire si crei, per ragioni costruttive, una capacità.
Visualizzazione della Capacità parassita in un trasformatore
Ld
LP LS
RSRP
RL
05/11/08 29Stefano Fabiani
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
Cp
05/11/08 30Stefano Fabiani
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
Vdc + Vr
Vdc
Fase 3: • Is=0 => Vr=0• e=0 => Vdrain=Vdc• Transizione di Tensione che eccita la cella risonante Lp e Coss• Si crea quindi un’oscillazione persistente fino al successivo Ton
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
Oscillazione dovuta a Ld e Cp
05/11/08 32Stefano Fabiani
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
LA CAPACITÀ VIENE DIMINUITA SE:
• SI AUMENTA LO SPESSORE DEL DIELETTRICO TRA IL 1° AVVOLGIMENTO ED IL NUCLEO• SI AUMENTA IL NUMERO DI LAYERS DI UN AVVOLGIMENTO• SI RIDUCE LA LARGHEZZA DELL’AVVOLGIMENTO• SI EVITA DI UTILIZZARE IL FILO BIFILARE, IN ALTERNATIVA SI FA SPAZIARE IL PIÙ POSSIBILE• UTILIZZO DI UNO SCHERMO CON POTENZIALE 0 TRA PRIMARIO E SECONADARIO
05/11/08 33Stefano Fabiani
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
Strato 1
Strato N
SOLUZIONE COSTRUTTIVA A NIDO D’APE
05/11/08 34Stefano Fabiani
CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK
VANTAGGI
Si evitano fenomeni di interferenza sulle correnti e sulla Vdrain
Oscillazione sulla Ip
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