Seminario 2008 Stefano

06/06/09 Stefano Fabiani

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.

Principio di funzionamento di un convertitore Flyback 06/06/09 Stefano Fabiani SCHEMATICO PWM sta per Pulse Width Modulator e fa parte del circuito di retroazione per il controllo della stabilità della tensione V o . Q 1 Controller PWM V 0 V DC C 1 R L D 1

Principio di funzionamento di un convertitore Flyback Ip Ton Mosfet Q1 va ON Ip = ((V DC – V DS ) x Ton) / Lp Si immagazzina Energia nel Trasformatore e = 1/2 x Lp x Ip 2 Diodo interdetto Is = 0 06/06/09 Stefano Fabiani Q 1 Controller PWM V 0 V DC C 1 R L D 1

Principio di funzionamento di un convertirore Flyback Forme D’onda 06/06/09 Stefano Fabiani Ton Ip Is t t

Principio di funzionamento di un convertitore Flyback Ip = 0 Toff Mosfet Q1 va OFF Il trasformatore tenta per sua natura di mantenere il flusso di corrente e la tensione ai capi della bobina si inverte di segno Trasmissione di Energia Is = ((Vs+V D1 )xToff) / Ls Diodo in conduzione C 1 in carica 06/06/09 Stefano Fabiani Q 1 Controller PWM V 0 V DC C 1 R L D 1

Principio di funzionamento di un convertitore Flyback Forme D’onda 06/06/09 Stefano Fabiani Ton Ip Is t t Toff

Principio di funzionamento di un convertitore Flyback Poiché la potenza è l’energia trasferita per il tempo necessario a trasferirla avremo 06/06/09 Stefano 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 06/06/09 Stefano 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 06/06/09 Stefano Fabiani T Ton Ip Is t t Toff Tdead

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 06/06/09 Stefano Fabiani T Ton Ip Is t t Toff

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 continuo VANTAGGIO PER I DCM 06/06/09 Stefano Fabiani

PROGETTAZIONE di UN FLYBACK

Bisogna stabilire il rapporto tra le spire del primario e quelle del secondario t ali che

Tensione massima al Mosfet Tensione Riflessa 06/06/09 Stefano Fabiani

PROGETTAZIONE di UN FLYBACK

Bisogna assicurarsi che il nucleo non saturi

I Flyback sono costruiti con nuclei tra ferrati tali da modificare la curva di isteresi in modo tale che

ENERGIA IMMAGAZZINATA = ENERGIA SPESA

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. 06/06/09 Stefano Fabiani PRIMARY SECONDARY Flusso mutuo Flusso disperso

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. Induttanza dispersa relativa al primario 06/06/09 Stefano Fabiani L d L P L S R S R P R L

INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK Vdc + Vr Vdc 06/06/09 Stefano Fabiani IN UN FLYBACK L’INDUTTANZA DISPERSA VA AD INCREMENTARE LA TENSIONE SUL MOSFET IN T OFF

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 06/06/09 Stefano Fabiani

INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK Ns Np Ns Np b 1 b 2 c Supponiamo di avere la seguente costruzione di un trasformatore 06/06/09 Stefano Fabiani a

INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK Sperimentalmente l’Induttanza dispersa dipende dalla seguente formula: 06/06/09 Stefano Fabiani

INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK Dividendo l’avvolgimento primario si avrà la seguente costruzione del trasformatore b 3 a b 2 Np/2 Ns Np/2 Np/2 Ns Np/2 06/06/09 Stefano Fabiani

INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK Sperimentalmente, in questo caso, l’Induttanza dispersa dipende invece dalla seguente formula: 06/06/09 Stefano 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

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

06/06/09 Stefano Fabiani INDUTTANZA DISPERSA in un FLYBACK

SIMULAZIONE IN PSPICE CON UNA Ld = 5% di Lp=1.2mH 06/06/09 Stefano Fabiani INDUTTANZA DISPERSA IN UN FLYBACK

SIMULAZIONE IN PSPICE CON UNA Ld = 1% di Lp=1.2mH 06/06/09 Stefano Fabiani INDUTTANZA DISPERSA IN UN FLYBACK

06/06/09 Stefano 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 L d L P L S R S R P R L 06/06/09 Stefano Fabiani CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK C p

06/06/09 Stefano 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

06/06/09 Stefano 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

06/06/09 Stefano Fabiani CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK Strato 1 Strato N SOLUZIONE COSTRUTTIVA A NIDO D’APE

06/06/09 Stefano Fabiani CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK VANTAGGI Si evitano fenomeni di interferenza sulle correnti e sulla Vdrain Oscillazione sulla Ip

06/06/09 Stefano Fabiani CAPACITA’ PARASSITA in un FLYBACK Oscillazione sulla Ip quasi assente Anche Ld è OK