Was sind die effektiven Leistungsbeschränkungen der Flyback-Konverter-Topologie und warum?

Mit Blick auf mehrere verschiedene isolierte Konvertertopologien scheint Flyback auf den ersten Blick das einfachste zu sein. Es gibt nur einen Schalter, also nur einen Treiber, der (bei sonst gleichen Bedingungen) die Kosten senken sollte. Bei hohen Leistungen (5 kW +) scheint ein Rücklauf jedoch im Allgemeinen nicht als praktisch angesehen zu werden. Ich fragte, warum zu Beginn meiner Karriere, und die Antworten, die ich bekam, waren vage.

Ich traf eine Person, die gewöhnlich ihre eigenen Rücklauftransformatoren aufwickelte; Er sagte, er habe einmal 500 W aus einem herausgeholt, aber nur knapp und mit viel Rücklauf, um den Transformator zu optimieren. Die kommerziellen Hersteller, mit denen ich gesprochen habe, verstummten oder fragten, was für eine verrückte Sache ich tat, um einen so großen Flyback-Transformator zu wollen.

In einem alten Buch, auf das ich gestoßen bin, heißt es, dass Flyback-Transformatoren mit hohen Frequenzen betrieben werden müssen und die verfügbaren Schalter die Belastungen eines Flyback-Wandlers bei diesen Leistungsstufen nicht überstehen können. Es war jedoch nicht klar, warum diese Belastungen schlimmer waren als bei anderen Topologien mit einem Schalter, wie z. B. Aufwärtswandlern. Es war auch nicht klar, warum die Frequenzen so hoch sein mussten. Ich vermute, das liegt daran, dass eine außergewöhnlich enge Kopplung zwischen Transformator und gekoppeltem Induktor erforderlich ist, was die Auswahl der Kernmaterialien und -größen einschränkt, die Frequenzauswahl bestimmt und die Auswahl der Schalter weiter bestimmt. Aber das ist nur eine Vermutung.

Also, was ist der wahre Deal? Was ist die effektive Leistungsgrenze der Flyback-Topologie und warum?

Es gibt keine feste Grenze für die Ausgangsleistung einer Flyback-Topologie. Es ist eine Frage, welche für eine bestimmte Situation am besten ist. Man könnte einen 1kW Flyback erstellen, aber es wäre wahrscheinlich nicht wirtschaftlich. Dies ist ein Geschäft, in dem sie über 3-Cent-Dioden Blut-auf-dem-Teppich-Meetings abhalten und erkennen, dass es billiger ist, einen anderen Vollzeitingenieur einzustellen, als ein paar Cent mehr in ihr Produkt zu investieren - also nicht die Die beste Topologie für die Anforderungen könnte die Karriere verkürzen.

Der Flyback-Konverter nutzt den Kern weniger effizient (bedeutet mehr Geld, Größe und Gewicht für einen Kern, was mit steigender Leistung wichtiger ist). Wie Russell betont, speichert der Flyback die übertragene Energie im Induktor und gibt sie an den Ausgang ab, im Gegensatz zu den meisten anderen Typen, die Energie übertragen, wenn der Schalter eingeschaltet ist. Das bedeutet, dass die Stromspannung notwendigerweise höher sein muss, da die gesamte Energie von einem einzigen Schalter übertragen wird und nur einen Teil der Zeit betragen kann. (Beachten Sie, dass einige Verluste proportional zum Quadrat des Stroms sind, sodass 10A in 33% der Fälle gegenüber 3A in 100% der Fälle die gleiche Lastleistung darstellen, die Widerstandsverluste im Schalter mit niedrigem Arbeitszyklus jedoch gleich sind 3,7 mal höher.

Die Spannungsbelastung des Schalters in einem Flyback ist weitaus höher (doppelte Eingangsspannung) als bei einem Vorwärtswandler mit zwei Schaltern (nur die Eingangsspannung). Dies verteuert den Schalter, insbesondere bei MOSFETs, bei denen die Chipgröße (und damit die Kosten) mit der Nennspannung schnell ansteigt, wobei alle anderen Faktoren gleich sind. Schalter, die weniger spannungsempfindlich sind (in Bezug auf die Kosten), sind eher langsam (BJTs und IGBTs), daher wiederum weniger geeignet für Flyback-Wandler, da sie einen größeren Kern erfordern würden.

Flyback-Wandler haben eine Reihe von Vorteilen (potenzielle Einfachheit aufgrund des einzelnen Schalters, keine Ausgangsinduktivitäten erforderlich, da die Streuinduktivität für Sie funktioniert, großer Eingangsspannungsbereich), aber diese Vorteile dominieren meistens bei niedrigeren Leistungspegeln.

Aus diesem Grund werden Sie fast immer Flyback-Wandler sehen, die in Netzteilen verwendet werden, und Sie werden sie nie in einem PC-Netzteil mit mehr als 250 W sehen - beides Anwendungen, bei denen überschüssige Kosten, die sicher herausgedrückt werden können, herausgedrückt wurden (manchmal mehr als diese Das!).

Nach dem Schlafengehen - so kurze Antwort. Alle sind glücklich :-).

Sie unterscheiden zwischen "Flyback" und "Boost" - was dasselbe bedeuten kann, aber möglicherweise nicht.

Das einzigartigste Merkmal von Flyback ist, dass die zu übertragende Energie bei eingeschaltetem Schalter vollständig im Induktor gespeichert und bei ausgeschaltetem Schalter durch das kollabierende Magnetfeld an den Ausgang übertragen wird. Einige Überlegungen werden zeigen, dass in einem Kern mit Luftspalt (oder einem Kern, in dem Luftspalte im gesamten Induktor verteilt sind) die Energie tatsächlich hauptsächlich in der "Luft" im Spalt gespeichert wird - eine Aussage, die "robuste Gegenkommentare" anzieht. . Unabhängig vom genauen Speicherort wird Energie im Magnetfeld gespeichert, und eine erhöhte Leistung erfordert eine größere Kerngröße.

Wandler, die im eingeschalteten Zustand des Schalters Strom übertragen, sind für die Speicherung von Energie nicht hauptsächlich auf Kern und Feld angewiesen.

Um mehr Leistung in einem Flyback-System zu übertragen, müssen Sie die pro Zyklus übertragene Energie und / oder die Anzahl der Zyklen pro Sekunde erhöhen. Für einen vollständig "entladenen" Induktor:

• $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}$

Frühe MOSFETs hatten eine extrem begrenzte Grenzfrequenz. Moderne FETs sind weitaus leistungsfähiger, ABER für Hochgeschwindigkeits-Hochspannungsschalt-IGBTs sind häufig vorteilhaft.

Es ist also unwahrscheinlich, dass Sie Flyback-Konverter mit mehr als ein paar hundert Watt und normalerweise weniger sehen.

Mehr später vielleicht.

Bei jedem Schließen der Schaltkapazität geht Energie verloren.

Dies macht eine immer höhere Frequenz zu einer unpraktischen Antwort auf einen Flycore mit größerer Energiespeicherlücke auf Kosten einer geringeren Induktivität.

Sie können einen großen Kern mit vielen Windungen haben, aber dann verlieren Sie mehr an Kupfer.

SIC-, GAN- und Silicon Superjunction-Mosfets haben alle eine viel geringere Kapazität als die besten Geräte vor einem Jahrzehnt. Hardback-Flybacks mit höherer Leistung sind möglich.

Die besten Techniken verwenden Resonanz, um einen Teil oder die gesamte auf dem Schalter gespeicherte Ladung vor dem Einschalten zu entfernen.

Schaltspitzenströme und Spitzenspannungen begrenzen die praktischen Leistungsabgaben, ABER die Halbleiter werden viel besser. Zum Beispiel könnte ein SiC 1200 Volt 100m Ohm Mosfet die 30 Ampere Spitze ausschalten. Daher könnte man über 1 kW offline nachdenken. Obwohl diese modernen Schalter geringe Schaltverluste aufweisen, ist die in der Streuinduktivität des Transformators eingeschlossene Energie nicht an die Last gelangt. Wenn Sie die orthodoxe Transformatortechnologie verwenden, werden Sie feststellen, dass diese bei normalen Frequenzen schlechter ist als alle möglichen Schaltverluste. SO aktive Klemme oder alles, was Leckagen behebt, ist der Pass für hohe Leistung mit geringen Verlusten.