Flyback-Transformator-Design mit Kern und Spulenkörper

In diesem Artikel werde ich den Entwurfsprozess durchgehen, der verwendet wurde, um die für mein früheres benutzerdefiniertes Flyback-Wandler-Projekt erforderlichen Transformator-Designparameter zu bestimmen. In diesem Designprojekt habe ich einen Flyback-Wandler entworfen, der AC-Eingang nimmt, ihn zu DC gleichrichtet und auf eine 3,3 V Ausgangsspannung herunterregelt. Der Wandler basiert auf einem Texas Instruments UCC28881. Wie es bei vielen isolierten Schaltwandlern der Fall ist, war für das Design ein benutzerdefinierter Transformator erforderlich.

Das WEBench-Tool von Texas Instruments bietet Designanleitungen und eine Empfehlung für Kern/Spulenkörper für dieses Design. In diesem Entwurfsprozess werde ich ihre Empfehlung für Kern und Spulenkörper verwenden, um das Transformator-Design abzuschließen. Ich werde auch die physischen Parameter für den entworfenen Transformator berechnen.

Einstieg in das Design eines benutzerdefinierten Transformators

Bei einem isolierten Schaltwandler denke ich, dass die beste Strategie zur Bestimmung der erforderlichen Transformatorparameter darin besteht, von der sekundären (Ausgangs-)Seite zu beginnen und sich zur primären Seite sowie zu eventuellen tertiären Spulen vorzuarbeiten. Wir beginnen mit dem folgenden Prozess:

• Überprüfung der primären Induktivität basierend auf der PWM-Frequenz und dem Tastverhältnis
• Verwendung der Induktivität und Spannungen zur Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses
• Bestimmung der erforderlichen Windungszahl basierend auf den Materialeigenschaften des Kerns
• Überprüfung, ob die Größe des Spulenkörpers aufgrund des erforderlichen Drahtquerschnitts und des Fensterbereichs funktioniert

Ein wichtiger Punkt, der in diesem Prozess zu beachten ist, ist, dass einige der Parameter von Ihnen frei bestimmt werden können. Zum Beispiel können Sie Schaltfrequenzen und ein Ziel für das minimale/maximale PWM-Tastverhältnis basierend auf den Fähigkeiten Ihres Schalters auswählen. Ihre Induktivität muss möglicherweise angepasst werden, um erforderliche Änderungen in diesen Parametern zu berücksichtigen.

Als Nächstes kann es aufgrund des durchschnittlichen Stroms und der durchschnittlichen Leistungsabgabe Einschränkungen bei der Drahtquerschnittsgröße geben, die im Spulenkörper verwendet werden kann. Ein höherer durchschnittlicher Strom wird einen größeren Drahtquerschnitt erfordern, um zu verhindern, dass der Transformator zu stark erhitzt wird. Wenn Sie also möchten, dass Ihr Transformator mit höherem durchschnittlichem Strom mehr Leistung liefert, benötigen Sie einen physisch größeren Transformator.

Mit diesem Hintergrund im Kopf, lassen Sie uns in die Induktivitäten einsteigen.

Primär- und Sekundärspulen (diskontinuierlicher Modus)

Zuerst können wir die Induktivitäten der Primär- und Sekundärspule wie folgt berechnen:

Die Gleichung L(s) bezeichnet den Betrieb im diskontinuierlichen Strommodus; ändern Sie die Richtung der Ungleichheit und Sie haben den kontinuierlichen Modus. V(diode) ist die Vorwärtsspannung der Gleichrichterdiode auf der Sekundärseite.

In dieser Gleichung wollen wir die Grenze der Sekundärinduktivität bestimmen, die es dem Schalter ermöglicht, die Ausgangsspannung kontinuierlich zu regeln. Bei der Spannungsmodussteuerung passt der Schalter den Tastgrad an, daher müssen Sie den maximalen Tastgrad und die Frequenz verwenden, um die obere Grenze der Induktivitäten zu dimensionieren. Der maximale Stromausgang und die Sekundärspannung sind Nennwerte.

Übersetzungsverhältnis und tatsächlicher Tastgrad

Als Nächstes müssen wir das Übersetzungsverhältnis und den tatsächlichen Tastgrad bestimmen, bei dem der Wandler betrieben werden soll. Solange der tatsächliche Tastgrad kleiner als der maximale Tastgrad Ihres Schalters ist, wird die Induktivität auf der Sekundärseite nicht zu groß sein, um die Regelung aufrechtzuerhalten, und das Design sollte machbar sein.

Diese Gleichung gibt Ihnen eine Beziehung zwischen dem Übersetzungsverhältnis und dem Tastgrad. Denken Sie daran, der Schalter könnte bei jedem Tastgrad bis zu seinem Maximum laufen, und die Regelungsschleife passt den PWM-Tastgrad basierend auf der Messung der Ausgangsspannung an. Wenn Sie den Tastgrad kennen, setzen Sie diesen in diese Gleichung ein, um das erforderliche Übersetzungsverhältnis zu erhalten.

Als Nächstes ist es nützlich, den Spitzenstrom auf der Primärseite zu kennen, da dies der Spitzenstrom ist, der durch den Schalter fließen wird. Dies ist wichtig, da einige Schalter einen Überstromschutz haben, und das umfasst den UCC28881. Jetzt müssen wir die Spitzenstromspezifikation, den Ziel-Tastgrad und die Übersetzungsverhältniswerte verwenden, um die Spitzenströme zu überprüfen. Für den UCC28881 wird das Spitzenstromlimit vor der Abschaltung unten gezeigt (440 mA kontinuierlich, 770 mA gepulst).

Im nächsten Abschnitt werde ich das maximale gepulste Stromlimit mit einiger Derating verwenden, um zu überprüfen, ob das Design meinen Spezifikationen entspricht.

Überprüfung der Mathematik

Hier ist meine Absicht, den Wandler und seinen Transformator so zu entwerfen, dass der maximale Tastgrad von 50% der Hälfte des zulässigen Spitzenstroms entspricht, was mir viel Derating gibt. Jetzt, da wir diese Gleichungen haben, können wir einige Zahlen einsetzen und das Übersetzungsverhältnis bestimmen.

• Eingabewerte:
  • Maximales V(In) = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0,5 (basierend auf dem Durchschnittswert aus dem Datenblatt)
  • D(ziel) = 0,3 (durch Design gewählt)
  • I(pk, primär) = 0,385 A, I(Durchschnitt, primär) = 0,116 A
  • Schottky-Gleichrichterdioden-Vorwärtsspannung: V(Diode) = 0,5 V
  • V(aus) = 3,3 V
• Ausgabewerte
  • Basierend auf D(ziel), Np/Ns = 19,17
  • I(pk, sekundär) = 8,45 A, I(Durchschnitt, sekundär) = 2,54 A
  • L(s,max) = 3,02 µH

Basierend auf diesen Zahlen ist das Design machbar und der Wandler sollte keine Probleme haben, unseren Ziel-Ausgangsstrom zu liefern, solange wir die Ziel-Induktivitäten erreichen können. Jetzt müssen wir uns den Kern und den Spulenkörper ansehen, um sicherzustellen, dass die Zielinduktivitäten erreicht werden können.

Kern und Spulenkörper von der Stange

Jetzt, da wir das Induktivitätsziel und das Windungsverhältnis kennen, können wir beginnen, einen Kern und Spulenkörper für den Bau des Transformators auszuwählen. Wie ich oben erwähnt habe, wird ein höherer Ausgangsstrom die Verdrahtung, die Sie zum Wickeln der Spule verwenden können, einschränken, daher wird dies sicherlich eine Überlegung sein, wenn Sie Kern und Spulenkörper auswählen.

Zu diesem Zeitpunkt können Sie online nach Kern- und Spulenkörper-Sets suchen, die Ihnen helfen, Ihr Induktivitätsziel zu erreichen. Der von Texas Instruments empfohlene Spulenkörper, Kern und Joch sind:

• Spulenkörper (MENGE 1): B66418W1008D001
• Luftspalt-E-Kernabschnitt (MENGE 2): B66417U0250K187 oder Ungespaltener E-Kernabschnitt (MENGE 2): B66417G0000X149 mit 2 Wicklungslagen
• Joch (MENGE 2): B66418B2000X000

Im Datenblatt des Kerns finden Sie eine Spezifikation, die als Induktivitätsfaktor bezeichnet wird. Der Induktivitätsfaktor sagt Ihnen im Wesentlichen die Induktivität pro Anzahl von Windungen um den Kern, vorausgesetzt, Sie verwenden den empfohlenen Spulenkörper. Basierend auf dem oben aufgeführten Windungsverhältnis und den oben aufgeführten Stromanforderungen könnten wir Draht der Stärke AWG 26 mit 3 Windungen für die Sekundärspule und Draht der Stärke AWG 30 mit 57 Windungen für die Primärspule (gewickelt in 2 Drahtlagen) verwenden. Dies ergibt:

• L(s) = 2,25 µH
• L(p) = 812,25 µH

Diese Werte sind etwas niedriger als die von TI in WEBench empfohlenen Werte, liegen aber innerhalb der typischen Toleranzwerte für die Wicklungsinduktivität eines Transformators, daher markiere ich sie als gültig für ein Design im diskontinuierlichen Modus. Wenn Sie den Betriebsmodus auf kontinuierlich ändern wollten, bräuchten Sie nur 2 weitere Windungen auf der Sekundärseite. Dies würde auch die Flussdichte auf der Sekundärseite reduzieren.

Zusätzliche Überprüfung

Ein Überprüfungsschritt besteht darin zu bestimmen, ob der von Ihnen gewählte Drahtdurchmesser den Spulenkörper überfüllt. Berechnen Sie unter Verwendung des Manteldurchmessers Ihrer Verkabelung die gesamte von den Spulen überspannte Distanz. Wenn diese Zahl die Länge Ihres Spulenkörpers übersteigt, müssen Sie einen größeren Spulenkörper oder einen kleineren Drahtdurchmesser verwenden. Letzteres kann erforderlich machen, dass Sie den zulässigen Strom auf Ihrer Sekundärseite reduzieren müssen, um die Temperatur niedrig zu halten.

Die letzte Überprüfung wird ein Vergleich der Flussdichte mit dem Sättigungsfluss in Ihrem Kernmaterial sein. Hier ist die Unterstützung von einem Kernmaterialanbieter sehr wichtig, da diese Werte nicht immer in einem Datenblatt angegeben sind. Bei Sättigung beginnt die Effizienz stark zu sinken, daher müssen Sie sicherstellen, dass Ihre Flussdichte unter der Sättigungsdichte liegt. Das ist ein Grund, warum wir tatsächlich mehr Windungen in der Spule anstatt weniger Windungen haben wollen. Wir möchten möglicherweise auch ein Kernmaterial mit geringerer Permittivität verwenden, da dies ebenfalls die Flussdichte reduziert.

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