Diseño de transformador Flyback con núcleo y bobinador

En este artículo, repasaré el proceso de diseño utilizado para determinar los parámetros de diseño del transformador requeridos en mi anterior proyecto personalizado de convertidor flyback. En este proyecto de diseño, diseñé un convertidor flyback que toma entrada de CA, la rectifica a CC y la reduce a una salida de 3.3 V. El convertidor se basa en un Texas Instruments UCC28881. Como es el caso con muchos convertidores conmutados aislados, se necesitaba un transformador personalizado para el diseño.

La herramienta WEBench de Texas Instruments proporciona orientación de diseño y una recomendación de núcleo/bobinador para este diseño. En este proceso de diseño, utilizaré su recomendación de núcleo y bobinador para completar el diseño del transformador. También calcularé los parámetros físicos para el transformador diseñado.

Comenzando con un Diseño de Transformador Personalizado

En un convertidor conmutado aislado, creo que la mejor estrategia para determinar los parámetros del transformador requeridos es comenzar desde el lado secundario (salida) y avanzar hacia el lado primario, así como cualquier bobina terciaria. Comenzaremos con el siguiente proceso:

• Verificar la inductancia primaria basada en la frecuencia de PWM y el ciclo de trabajo
• Usar la inductancia y los voltajes para determinar la relación de vueltas
• Determinar el número de vueltas requeridas basado en las propiedades del material del núcleo
• Verificar que el tamaño del bobinador funcionará basado en el calibre de alambre requerido y el área de la ventana

Un punto importante a tener en cuenta en este proceso es que algunos de los parámetros son libres para que usted los determine. Por ejemplo, puede seleccionar frecuencias de conmutación y un ciclo de trabajo PWM mínimo/máximo objetivo basado en las capacidades de su conmutador. Su inductancia puede necesitar ajustarse para acomodar los cambios requeridos en estos parámetros.

A continuación, basado en la corriente promedio y la entrega de potencia promedio, puede haber restricciones en el tamaño del calibre del alambre que se puede usar en el bobinador. Una corriente promedio más alta demandará un calibre de alambre más grande para evitar que el transformador se caliente demasiado. Así que si desea que su transformador entregue más potencia con una corriente promedio más alta, entonces necesitará un transformador físicamente más grande.

Con eso en mente, vamos a adentrarnos en las inductancias.

Bobinas Primaria y Secundaria (Modo Discontinuo)

Primero, podemos calcular las inductancias de las bobinas primaria y secundaria de la siguiente manera:

La ecuación L(s) denota la operación en modo de corriente discontinua; cambie la dirección de la desigualdad y tendrá la operación en modo continuo. V(diode) es el voltaje hacia adelante del diodo rectificador en el lado secundario.

En esta ecuación, queremos determinar el límite en la inductancia secundaria que permitirá al conmutador regular continuamente el voltaje de salida. En el control por modo de voltaje, el conmutador ajustará el ciclo de trabajo, por lo que necesitas usar el ciclo de trabajo máximo y la frecuencia para dimensionar el límite superior en las inductancias. La corriente máxima de salida y el voltaje secundario son valores nominales.

Relación de Vueltas y Ciclo de Trabajo Real

A continuación, necesitamos determinar la relación de vueltas y el ciclo de trabajo real en el que se requiere que funcione el convertidor. Mientras el ciclo de trabajo real sea menor que el ciclo de trabajo máximo para tu conmutador, entonces la inductancia en el lado secundario no será demasiado grande para mantener la regulación y el diseño debería ser viable.

Esta ecuación te da una relación entre la relación de vueltas y el ciclo de trabajo. Recuerda, el conmutador podría funcionar en cualquier ciclo de trabajo hasta su máximo, y el bucle de control ajustará el ciclo de trabajo del PWM basado en la medición del voltaje de salida. Cuando conozcas el ciclo de trabajo, introduce ese valor en esta ecuación para obtener la relación de vueltas requerida.

A continuación, es útil conocer la corriente máxima en el lado primario ya que esta es la corriente máxima que fluirá a través del conmutador. Esto es importante porque algunos conmutadores pueden tener protección contra sobrecorriente, y esto incluye al UCC28881. Ahora necesitamos usar la especificación de corriente máxima, ciclo de trabajo objetivo y valores de relación de vueltas para verificar las corrientes máximas. Para el UCC28881, el límite de corriente primaria máxima antes del apagado se muestra a continuación (440 mA continuos, 770 mA en pulsos).

En la siguiente sección, usaré el límite de corriente máxima en pulsos con cierta desclasificación para verificar que el diseño pueda cumplir con mis especificaciones.

Verificando los Cálculos

Aquí, mi intención es diseñar el convertidor y su transformador de modo que el ciclo de trabajo máximo del 50% corresponda a la mitad de la corriente máxima permitida, lo que me dará bastante margen de desclasificación. Ahora que tenemos estas ecuaciones, podemos introducir algunos números y determinar la relación de vueltas.

• Valores de entrada:
  • V(In) máximo = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(máx) = 0.5 (basado en el valor promedio del datasheet)
  • D(objetivo) = 0.3 (elegido por diseño)
  • I(pk, primario) = 0.385 A, I(prom, primario) = 0.116 A
  • Voltaje de avance del diodo rectificador Schottky: V(diodo) = 0.5 V
  • V(salida) = 3.3 V
• Valores de salida
  • Basado en D(objetivo), Np/Ns = 19.17
  • I(pk, secundario) = 8.45 A, I(prom, secundario) = 2.54 A
  • L(s,máx) = 3.02 uH

Basándonos en estos números, el diseño es viable y el convertidor no debería tener ningún problema para suministrar nuestra corriente de salida objetivo siempre y cuando podamos alcanzar las inductancias de bobina objetivo. Ahora es cuando tenemos que mirar el núcleo y el formador de bobinas para asegurarnos de que se puedan alcanzar las inductancias objetivo.

Núcleo y Formador de Bobinas Comerciales

Ahora que conocemos el objetivo de inductancia y la relación de vueltas, podemos comenzar a seleccionar un núcleo y formador de bobinas para construir el transformador. Como mencioné anteriormente, una corriente de salida más alta limitará el cableado que se puede usar para enrollar la bobina, por lo que esto ciertamente será una consideración al seleccionar el núcleo y formador de bobinas.

En este punto, eres libre de buscar en línea conjuntos de núcleo y formador de bobinas que te ayuden a alcanzar tu objetivo de inductancia. El formador de bobinas, núcleo y yugos recomendados por Texas Instruments son:

• Formador de bobinas (CANT 1): B66418W1008D001
• Sección de E-núcleo con entrehierro (CANT 2): B66417U0250K187 o Sección de E-núcleo sin entrehierro (CANT 2): B66417G0000X149 con 2 capas de enrollamiento
• Yugo (CANT 2): B66418B2000X000

En la hoja de datos del núcleo, verás una especificación llamada factor de inductancia. El factor de inductancia te indica esencialmente la inductancia por número de vueltas alrededor del núcleo, asumiendo que estás usando el formador de bobinas recomendado. Basado en la relación de vueltas mencionada arriba y los requisitos de corriente mencionados arriba, podríamos usar cable AWG 26 con 3 vueltas para la bobina secundaria, y cable AWG 30 con 57 vueltas para la bobina primaria (envuelto en 2 capas de cable). Esto da:

• L(s) = 2.25 uH
• L(p) = 812.25 uH

Estos valores son un poco más bajos que los valores recomendados por TI desde WEBench, pero están dentro de los valores de tolerancia de inductancia de enrollamiento típicos para un transformador, por lo que los marco como válidos para un diseño en modo discontinuo. Si quisieras cambiar el modo de operación a continuo, solo necesitarías 2 vueltas más en el lado secundario. Esto también reduciría la densidad de flujo en el lado secundario.

Verificación Adicional

Un paso de verificación es determinar si el calibre del cable que seleccionas llenará en exceso el bobinador. Usando el diámetro de la funda para tu cableado, calcula la distancia total abarcada por las bobinas. Si este número excede la longitud de tu bobinador, entonces necesitas usar un bobinador más grande o un diámetro de cable más pequeño. Este último puede requerir que reduzcas la corriente permitida en tu lado secundario para mantener la temperatura baja.

La última verificación será una comparación de la densidad de flujo con el flujo de saturación en tu material de núcleo. Aquí es donde el apoyo de un proveedor de material de núcleo será muy importante ya que estos valores no siempre están indicados en una hoja de datos. En la saturación, la eficiencia comienza a disminuir grandemente, por lo que necesitas asegurarte de que tu densidad de flujo esté por debajo de la densidad de saturación. Esta es una razón por la cual en realidad queremos más vueltas en la bobina en lugar de menos vueltas. También podríamos querer usar un material de núcleo con menor permitividad ya que esto también reduce la densidad de flujo.

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