Da Texas Instruments un Flyback ad alta potenza con potenza di uscita superiore a 150W | HYPES  - Electronic components | Scoop.it
Di Florian Mueller - Texas Instruments

Introduzione

Un convertitore flyback è molto interessante perché costituisce tipicamente la topologia isolata meno costosa che utilizza il minor numero di componenti. Per i progetti flyback fuori linea è molto diffuso l'impiego di un controller con commutazione a valle in quanto la minore tensione durante l'accensione del MOSFET riduce le perdite di commutazione. Per applicazioni ad alta potenza questa topologia presenta un grande svantaggio perché il controller funziona sempre in modalità di conduzione discontinua (DCM), pertanto le correnti d'onda d'ingresso e di uscita sono molto elevate. Queste correnti elevate limitano la potenza di uscita massima. 
Un flyback ad alta potenza deve essere in grado di lavorare in modalità di conduzione continua, come l'UCC28630 di Texas Instruments. La capacità di operare sia in modalità CCM (modalità di conduzione continua) sia DCM rende il dispositivo adatto ad applicazioni con un'ampia gamma di potenze. L'UCC28630 utilizza il feedback magnetico attraverso l'avvolgimento di polarizzazione per chiudere il circuito di feedback, consentendo ai progettisti di bypassare l'accoppiatore ottico e di offrire una soluzione a basso costo. Questo articolo fornisce nozioni di progettazione e suggerimenti pratici per una buona ottimizzazione del progetto. 

La potenza di uscita massima per le topologie flyback non è limitata solo dalle correnti di picco primarie e secondarie, ma anche le perdite dei componenti dello stadio di potenza possono essere un fattore limitante. Il componente più importante del circuito, oltre al controller, è il trasformatore. Tipicamente si utilizza un trasformatore su misura per tale progetto. 
Questo trasformatore deve essere ben specificato e costruito, in quanto è responsabile di una grande percentuale delle perdite totali. Le perdite totali possono essere suddivise in perdite interne ed esterne. Le perdite interne sono perdite nel core e nel rame, mentre le perdite esterne sono causate dall'induttanza di dispersione.

Riduzione al minimo delle perdite esterne del trasformatore

Un'elevata induttanza di dispersione può causare problemi. L'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione deve essere dissipata in un soppressore esterno. Se l'energia è troppo alta, la rete del soppressore non riesce più a dissipare il calore. In particolare nel caso di applicazioni ad alta potenza è importante ridurre al minimo il rapporto fra l'induttanza primaria e l'induttanza di dispersione. La causa dell'induttanza di dispersione è il mancato accoppiamento del flusso magnetico tra uno degli avvolgimenti e gli altri avvolgimenti. L'energia di dispersione è immagazzinata negli spazi tra gli avvolgimenti. Come ridurre al minimo l'induttanza di dispersione? La dispersione dipende principalmente dalla geometria dell'avvolgimento. Riducendo al minimo il numero di strati, le spire per avvolgimento o una bobina più larga permettono di ridurre l'induttanza di dispersione. Gli avvolgimenti con interleave sono un ulteriore metodo molto efficace per ridurre la dispersione. Tuttavia, occorre tenere presente che ridurre al minimo l'induttanza di dispersione aumenta lo spazio tra gli avvolgimenti, comportando a sua volta un aumento della capacità tra gli avvolgimenti e quindi l'EMI. Ciò significa che è necessario trovare un compromesso tra una bassa induttanza di dispersione e una bassa capacità tra gli avvolgimenti. Perché occorre evitare un'alta capacità tra gli avvolgimenti? Molto spesso la massa secondaria è collegata alla terra. La corrente di modo comune scorre dal primario al secondario per via della tensione di commutazione attraverso la capacità tra gli avvolgimenti primario-secondario. Pertanto una maggiore capacità aumenta la corrente di modo comune. In genere è necessario un filtro d'ingresso più grande se il trasformatore è ottimizzato per dispersioni ridotte e non per una bassa capacità tra gli avvolgimenti. Nel PMP30092 vengono utilizzati due filtri di modo comune per ridurre il rumore di modo comune che deriva dalle capacità parassite verso terra. Un altro metodo per superare il problema dell'EMI è di utilizzare uno scudo aggiuntivo per trasformatore o un avvolgimento di cancellazione tra l'interfaccia primaria e la secondaria, che naturalmente rendono il trasformatore più costoso. 

 Riduzione al minimo delle perdite interne del trasformatore 

Per rendere più efficiente il trasformatore, è necessario scegliere un diametro del filo e un numero di strati ottimali, poiché le induzioni di correnti parassite all'interno dei fili per via dell'effetto pelle e dell'effetto di prossimità fanno sì che la resistenza in c.a. aumenti Si noti che un diametro troppo piccolo aumenta la resistenza in c.c., mentre un diametro troppo grande aumenta la resistenza in a.c. ed entrambi i casi provocano una scarsa efficienza. Le equazioni di Dowell o le più precise equazioni di Bruce Carsten possono essere utilizzate per calcolare il diametro ottimale del filo per una specifica frequenza di commutazione e uno specifico numero di strati.

Tensione del circuito soppressore 

In genere un flyback deve utilizzare un circuito soppressore per limitare la sovratensione della tensione di alimentazione derivante dall'induttanza di dispersione. La resistenza del circuito soppressore assorbe l'energia immagazzinata nell'induttanza di dispersione. È necessario fare attenzione alla tensione di bloccaggio. Una tensione di bloccaggio molto bassa rallenta la commutazione della corrente primaria verso il lato secondario. Di conseguenza, una quantità aggiuntiva dell'energia magnetizzante viene persa nel bloccaggio. Per evitare questa situazione, la tensione di bloccaggio deve essere circa 30-50% maggiore della tensione riflessa. 

Un buon accoppiamento con avvolgimento di polarizzazione 

Un controller regolato sul lato primario utilizza l'avvolgimento di polarizzazione per misurare e regolare la tensione di uscita, pertanto è necessario un buon accoppiamento con avvolgimento di polarizzazione. In genere si ottiene con la già citata «struttura di avvolgimento a sandwich», con la divisione del primario in due metà primarie e con tutti gli altri avvolgimenti inseriti a sandwich tra esse. Il vantaggio supplementare dell'interleave è una diminuzione dell'induttanza di dispersione della metà circa.
 
Gestione termica 

Un progetto ad alta potenza richiede una buona gestione termica. Una buona soluzione in termini di EMI è utilizzare parti SMD e di disporre rame a sufficienza sulla scheda per dissipare il calore. Ma se le perdite sono troppo alte, questo non è più possibile. Un dissipatore di calore è molto efficace, ma occorre ricordare che esso aumenta le capacità parassite verso terra e pertanto peggiora le caratteristiche di EMI. 

Condensatori di ingresso e uscita 

Come accennato in precedenza, le ondulazioni di ingresso e uscita di un flyback ad alta potenza sono molto elevate. La corrente discontinua provoca un'elevata ondulazione di corrente in c.a., che può sollecitare eccessivamente i condensatori di ingresso e uscita. Per evitare questa situazione, è consigliabile calcolare l'ondulazione massima della corrente in c.a.; in genere è necessario utilizzare alcuni condensatori in parallelo per condividere la corrente elevata.

Efficienza di carico leggero e risposta ai transienti

Il raggiungimento dell'efficienza di carico ottimale richiede un algoritmo di controllo intelligente. Il nostro controller flyback ad alta potenza UCC2863x funziona in più modalità per supportare tutti i livelli di potenza in modo efficiente. Il dispositivo regola la corrente di picco e la frequenza di commutazione tra 200Hz e 120kHz per regolare l'uscita. La frequenza effettiva di commutazione viene ridotta per requisiti di potenza di uscita più bassi. Questo porta ad una frequenza di commutazione molto bassa per carichi leggeri e quindi ad un'elevata efficienza di carico leggero. Purtroppo questo comporta un compromesso tra l'elevata efficienza di carico leggero e una risposta transitoria veloce in un flyback regolato sul lato primario. Un regolatore sul lato primario non esegue costantemente il monitoraggio della tensione di uscita. Il controller campiona la tensione ausiliaria solo una volta per ogni ciclo di commutazione per controllare la tensione di uscita. Nella restante durata del periodo il controller è «cieco». Il rilevamento di un transiente di carico può richiedere anche l'intera durata del periodo, con il risultato di una risposta ai transienti peggiore per le frequenze di commutazione inferiori. Per evitare questo svantaggio di un controller regolato sul lato primario, Texas Instruments propone un controller di wake-up secondario (UCC24650) per una rapida regolazione dei transienti sul lato primario. Se si utilizza questo monitor di wake-up, è possibile ottenere una risposta rapida ai transienti e contemporaneamente una buona efficienza di carico leggero e una bassa potenza in standby.

Conclusione 

È possibile superare i livelli di potenza di uscita di 150W con un controller flyback. L'algoritmo di controllo intelligente dell'UCCC28630 che consente la modulazione di ampiezza e di frequenza in CCM e DCM consente un'elevata potenza di uscita. Un esempio è il progetto di riferimento per flyback industriale di Texas Instruments PMP30092 che raggiunge una potenza di picco di 160W. Per ottenere questo livello di potenza è necessario ottimizzare il layout, il circuito e il trasformatore. Tutti i documenti di progetto come schemi, relazione dei test, distinta base e file di layout possono essere scaricati all'indirizzo:
 

Bibliografia 

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Progetto di riferimento PMP30092:

 
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Informazioni sull'autore 

Florian Mueller è nato a Rosenheim, in Germania, nel 1976. Ha conseguito la laurea in ingegneria elettrica presso l'Università di Haag. Dopo aver lavorato per diversi anni come freelance nel settore dell'elettronica, è entrato a far parte di TI nel 2008 e lavora allo European Power Design Services Group, con sede a Freising, in Germania. La sua attività di progettazione comprende convertitori c.c./c.c. e c.a./c.a. isolati e non isolati per tutti i campi di applicazione.