Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE

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1 Corso di ELETTRONICA INDUSTRIALE Convertitore Flyback. Esempio di progetto

2 Argomenti trattati Struttura e caratteristiche del convertitore Flyback Progetto di un convertitore Flyback multiuscita uscita

3 Convertitore Flyback i S i D i o U i L C u o è il più semplice schema a trasformatore l induttanza del convertitore buckboost boost viene sostituita da un mutuo induttore ha un basso fattore di utilizzo P o /P S

4 u Mutuo Induttore i i N N R u Φ = Ni R = Ni R = σ Φ = σ Φ Φ Φ Φ Flussi concatenati con gli avvolgimenti: ( ) λ = λ λ = N Φ Φ Ni Ni = N σ R R

5 u Mutuo Induttore i i N N R Flussi concatenati con gli avvolgimenti: ( ) λ = λ λ = N Φ Φ Ni Ni = N σ R R u Φ = Ni R = Ni R = σ Φ = σ Φ Φ Φ Φ

6 u Coefficiente di accoppiamento: σ = Φ σ σ = = Φ Φ Φ = Mutuo Induttore i i N N R u Φ = Ni R = Ni R = σ Φ = σ Φ Φ Φ Φ

7 u Mutuo Induttore i i N N R Accoppiamento perfetto: u σ = Φ = Φ, Φ = Φ Φ = Ni R = Ni R = σ Φ = σ Φ Φ Φ Φ

8 Mutuo Induttore u i i N N R u L M = σ L L Accoppiamento perfetto: L L L M = Coefficienti di auto e mutua induzione: λ Ni NNi = σ = Li R R L i M

9 Mutuo Induttore u i i N N R u L M = σ L L Accoppiamento perfetto: L L L M = Coefficienti di auto e mutua induzione: λ Ni NNi = σ = Li L M i R R

10 Mutuo Induttore u i i N N R Energia accumulata: u W = λ i λ i = L i L i L M i i

11 Mutuo Induttore u i i Nota: N N R u Contrariamente al trasformatore ( R = 0 ), il mutuo induttore ( R > 0 ) accumula energia. A tal fine vengono introdotti dei traferri.

12 Mutuo Induttore u i i Nota: N N R u Contrariamente al trasformatore ( R = 0 ), il mutuo induttore ( R > 0 ) accumula energia. A tal fine vengono introdotti dei traferri.

13 Equazioni del mutuo induttore i i u u u u dλ di di = = L LM dt dt dt dλ di di = = LM L dt dt dt

14 Funzionamento del convertitore flyback Fase di on (CCM) U i i S i u u D C i o U o N N S on u = U i i = 0 D off

15 Funzionamento del convertitore flyback Fase di on (CCM) U i i S i u u D C i o U o u u = L = L M di dt di dt N N u u L = = L M N N

16 Funzionamento del convertitore flyback Fase di on (CCM) U i i S i u u D C i o U o N N i i U i = μ = L t I min I MAX = I min U i L t on

17 Funzionamento del convertitore flyback Fase di on (CCM) u U i u L N = = u L N i I min i t on t on I MAX t t u = U i M i i U i = μ = L t I min t on t i = 0

18 Funzionamento del convertitore flyback Fase di off (CCM) U i i S i u u D C i o U o N N S off i = 0 i > 0 u = U o

19 Funzionamento del convertitore flyback Fase di off (CCM) U i i S i u u D C i o U o u u = L M = L di dt di dt N N u u L M = = L N N

20 Funzionamento del convertitore flyback Fase di off (CCM) U i i S i u u D C i o U o N N U o i i I L t N = μ = MAX = N I MAX U L o t

21 Funzionamento del convertitore flyback Fase di off (CCM) u i I min i t on t on U i t off I MAX T S t t U N N o i on o off Ut = U N N t i = 0 I MAX t on I min t i N = N I MAX U L o t

22 Funzionamento del convertitore flyback Sollecitazioni sugli interruttori i S I min I MAX i SMAX SMAX = I MAX u S t on T S t U i U N N o t on t off t u SMAX = U i U N N o

23 Funzionamento del convertitore flyback Sollecitazioni sugli interruttori i D I MAX I min i DMAX DMAX = I MAX u D t on T S t U o U N N i t on t off t u DMAX = U o U N N i

24 Funzionamento discontinuo (DCM)

25 Funzionamento discontinuo (DCM) Correnti a primario e a secondario

26 Funzionamento discontinuo (DCM) Correnti a primario e a secondario i I max i t r t off t t on T S t

27 Funzionamento discontinuo (DCM) Correnti a primario e a secondario i i t r t off I max t I = max U i L t on t on T S t

28 Funzionamento discontinuo (DCM) Correnti a primario e a secondario i i t on t r t off I max t I I = max max = U i L t N N I on max T S t

29 Funzionamento discontinuo (DCM) Correnti a primario e a secondario i i t on t r T S t off I max t t I I t = max r max U i L t N = N I on N N L I U = max max o

30 Fattore di conversione del convertitore Flyback lim ) M U o N = = U N CCM (I( o > I o lim i δ δ

31 Fattore di conversione del convertitore Flyback M U o N = = U N CCM (I( o > I o lim ) DCM (I( o < I o lim lim ) M U o IN = = δ U I I N i i o U i = f S L δ δ

32 Fattore di conversione del convertitore Flyback M U o N = = U N CCM (I( o > I o lim ) DCM (I( o < I o lim ) I o = lim I N N N M I N δ i U o IN = = δ U I i o U i = f S L δ ( δ) δ δ

33 Caratteristiche con carico resistivo

34 Caratteristiche con carico resistivo CCM (I( o > I o lim lim ) M U o = = U i N N δ δ

35 Caratteristiche con carico resistivo CCM (I( o > I o lim ) DCM (I( o < I o lim M U o = = U lim ) M U o = = δ U k k i i N N fs L = R o δ δ

36 Caratteristiche con carico resistivo CCM (I( o > I o lim ) DCM (I( o < I o lim ) k lim = N N M M U o = = δ U k k δ ( δ) U o = = U fs L = R i i o N N δ δ

37 Modo di utilizzo

38 Modo di utilizzo Il convertitore flyback si usa normalmente in DCM perchè: si sfrutta l intera l escursione del flusso (ΔΦ( ΔΦ = B sat S) e quindi il nucleo risulta più piccolo si ottengono migliori caratteristiche dinamiche

39 Tasso di utilizzo di un convertitore Flyback (i L = I L )

40 P P o S Tasso di utilizzo di un convertitore Flyback (i L = I L ) = δ δ ( δ) 4 (CCM)

41 P P o S Tasso di utilizzo di un convertitore Flyback (i L = I L ) = δ δ ( δ) 4 (CCM) P P o S = δ δ ( δ) 8 (limite CCM DCM)

42 P P o S Tasso di utilizzo di un convertitore Flyback (i L = I L ) = δ δ ( δ) 4 (CCM) P P o S = δ δ ( δ) 8 (limite CCM DCM) Poichè il tasso di utilizzo è basso il convertitore si usa a bassa potenza

43 Progetto di un convertitore Flyback multiuscita uscita

44 Progetto di un convertitore Flyback multiuscita uscita U i S L N p N D C i o u o D N i on N N C N u on

45 Progetto di un convertitore Flyback multiuscita uscita U i S L N D C i o u o Ogni uscita richiede un solo diodo e condensatore N p D N i on N N C N u on

46 Progetto di un convertitore Flyback multiuscita uscita U i S L N D C i o u o Ogni uscita richiede un solo diodo e condensatore Le uscite sono bene accoppiate N p D N N N C N i on u on

47 Progetto di un convertitore Flyback multiuscita uscita Applicazione: Alimentatore per scheda di controllo e driver di un inverter per azionamento

48 Convertitore Flyback multiuscita uscita Specifiche di progetto Potenza di uscita totale...=8w.=8w Frequenza di commutazione...=50khz.=50khz Tensione continua d ingresso d...=80.=8070v

49 Specifiche per le singole uscite Tensioni di uscita [V] Assorbimento (minmax)) [ma] U 0 U 03 = 5 V 35 U 04 = 5 V 4483 U 05 = 5 V U 06 = 5 V U 07 = 5 V 8080 U 08 = 4 V 000 U 09 = 5 V 50 U 0 = 5 V.7

50 Analisi del convertitore flyback multiuscita uscita U i S L D C p i op u op R op Riportando tutti i parametri a primario si possono utilizzare le relazioni del convertitore buckboost boost

51 Analisi del convertitore multiuscita uscita n j = N N U i j p S L D C p i op u op R op

52 Analisi del convertitore multiuscita uscita n j U i S Nj = u N p L op u = n D oj j C p i op u op R op

53 Analisi del convertitore multiuscita uscita n j U i Nj uoj = uop = i op = n i N n p S L j D C p i op u op R op N j = j oj

54 Analisi del convertitore multiuscita uscita n R j = op N N U i j p = G op S u L op u = n D oj j C p i op u op i op R op = N j = n i j oj

55 Analisi del convertitore multiuscita uscita n j = N N U i j p S u L op u = n D oj j C p i op u op i op R op = N j = n i j oj R op = G op G op = N G = N jp j = j = n j G j

56 Analisi del convertitore multiuscita uscita n j = N N U i j p S u L op = u n D oj j C p i op u op i op R op = N j = n i j oj R op = G op G op = N j = n j G j C N p = j j j = C n

57 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire

58 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Ipotesi: funzionamento CCM fino alla corrente minima (I o lim = 40% I onom )

59 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Ipotesi: Motivo: funzionamento CCM fino alla corrente minima (I o lim = 40% I onom ) limitare inferiormente t on ( μs) on min (

60 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Ipotesi: Motivo: Rapporti di conversione funzionamento CCM fino alla corrente minima (I o lim = 40% I onom ) limitare inferiormente t on M M min max U op δ = = U δ i max U op δ = = U δ i min on min min min max max

61 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Ipotesi: Motivo: Rapporti di conversione δ min e δ max funzionamento CCM fino alla corrente minima (I o lim = 40% I onom ) limitare inferiormente t on M M min max U op δ = = U δ i max U op δ = = U δ i min on min min min max max max dipendono dalla scelta di U op

62 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Il valore della tensione di carico riportata a primario (U( op ) si determina in modo da limitare a valori opportuni: la tensione massima dell interruttore il minimo t on dell interruttore

63 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Tensione massima dell interruttore U = U U s i op max max

64 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Tensione massima dell interruttore U = U U s i op max max δ min = U U i S max max

65 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Minimo t on dell interruttore t on min = δ min T S T S = 0 μs

66 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire t on Minimo t on dell interruttore min = δ T T S = 0 μs min S NOTA: Se al diminuire della corrente di carico il convertitore entrasse in funzionamento intermittente si causerebbe una ulteriore diminuzione del dutycycle cycle.. Per evitare ciò si tende ad evitare il DCM.

67 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Posto: δ min = 0.

68 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Posto: δ min = 0. t onmin = μ s

69 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Posto: δ min = 0. t onmin = μ s U op 80 V

70 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dei rapporti spire Posto: δ min = 0. t onmin = μ s U op 80 V n j U op =, U j = N oj

71 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario)

72 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario) Si assume: α = 04. (α = frazione della potenza d uscita d cui corrisponde il funzionamento limite tra CCM e DCM)

73 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario) Si assume: α = 04. (α = frazione della potenza d uscita d cui corrisponde il funzionamento limite tra CCM e DCM) Ciò garantisce un funzionamento CCM anche alla minima potenza di uscita, evitando ulteriori riduzioni del dutycycle cycle.

74 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario) L deve essere dimensionata per garantire CCM in ogni condizione k crit = M ( M)

75 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario) L deve essere dimensionata per garantire CCM in ogni condizione k crit = M ( M) k crit = Lf S R op max

76 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario) L deve essere dimensionata per garantire CCM in ogni condizione k crit = M R ( ) op max = R k op n α crit om = Lf S R op max

77 Dimensionamento della parte di potenza ) Calcolo dell induttanza L (a primario) L deve essere dimensionata per garantire CCM in ogni condizione k crit = ( ) L M R = op max R f S = R op n op n om k α om ( M ) α min crit α = Lf S R op max

78 Dimensionamento della parte di potenza 3) Calcolo degli stress di corrente e tensione dell interruttore

79 Dimensionamento della parte di potenza 3) Calcolo degli stress di corrente e tensione dell interruttore i L I I I ( M) s = L Δ op max = k M ( M)

80 Dimensionamento della parte di potenza 3) Calcolo degli stress di corrente e tensione dell interruttore i I ( ) s = I L Δ L = Iop M max ( ) k M U = U U s i op max max

81 Dimensionamento della parte di potenza 3) Calcolo degli stress di corrente e tensione dell interruttore i L I I I ( M) s = L Δ op max = ( ) k M U = U U s i op max max I U s s max max = = A 790 V

82 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore

83 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Nucleo in ferrite: ETD 34x7x Sezione del nucleo: A e = 9 mm

84 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Nucleo in ferrite: ETD 34x7x Sezione del nucleo: A e = 9 mm Posto: B max = 00 mt

85 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Nucleo in ferrite: ETD 34x7x Sezione del nucleo: A e = 9 mm Posto: B max = 00 mt N p = LI B s max max A e

86 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Nota: è necessario un traferro (air gap) per evitare la saturazione del nucleo e accumulare energia

87 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Nota: è necessario un traferro (air gap) per evitare la saturazione del nucleo e accumulare energia E L = LI L max

88 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Trascurando la riluttanza del nucleo rispetto a quella del traferro si trova:

89 Dimensionamento della parte di potenza 4) Dimensionamento del mutuo induttore Trascurando la riluttanza del nucleo rispetto a quella del traferro si trova: λ t = 0 μ AeNp L = 0 λ t = lunghezza del traferro da realizzare su ciascuna colonna del nucleo

90 Dimensionamento della parte di potenza 5) Calcolo delle capacità di uscita

91 Dimensionamento della parte di potenza 5) Calcolo delle capacità di uscita Ondulazione (ripple( statico): i Cj t on I oj ΔQ j toff off t

92 Dimensionamento della parte di potenza 5) Calcolo delle capacità di uscita Ondulazione (ripple( statico): i Cj t on I oj ΔQ j toff off t C j I oj = Δ U f oj S δ max