Progettazione di Trasformatori Flyback con Nucleo e Bobina

In questo articolo, esaminerò il processo di progettazione utilizzato per determinare i parametri di progettazione del trasformatore richiesti nel mio precedente progetto personalizzato di convertitore flyback. In questo progetto di progettazione, ho progettato un convertitore flyback che accetta un ingresso AC, lo raddrizza in DC e lo riduce a un'uscita di 3,3 V. Il convertitore si basa su un Texas Instruments UCC28881. Come nel caso di molti convertitori commutati isolati, era necessario un trasformatore personalizzato per il design.

Lo strumento WEBench di Texas Instruments fornisce una guida alla progettazione e una raccomandazione per nucleo/avvolgimento per questo design. In questo processo di progettazione, utilizzerò la loro raccomandazione di nucleo e avvolgimento per completare la progettazione del trasformatore. Calcolerò anche i parametri fisici per il trasformatore progettato.

Iniziare con un Design di Trasformatore Personalizzato

In un convertitore commutato isolato, penso che la migliore strategia per determinare i parametri del trasformatore richiesti sia iniziare dal lato secondario (uscita) e procedere verso il lato primario, così come eventuali avvolgimenti terziari. Inizieremo con il seguente processo:

• Verificare l'induttanza primaria in base alla frequenza PWM e al ciclo di lavoro
• Utilizzare l'induttanza e le tensioni per determinare il rapporto di trasformazione
• Determinare il numero di spire necessarie in base alle proprietà del materiale del nucleo
• Verificare che la dimensione dell'avvolgimento sia adeguata in base al calibro del filo richiesto e all'area della finestra

Un punto importante da notare in questo processo è che alcuni dei parametri sono liberi da determinare. Ad esempio, è possibile selezionare le frequenze di commutazione e un ciclo di lavoro PWM minimo/massimo target in base alle capacità del vostro commutatore. La vostra induttanza potrebbe dover essere aggiustata per accomodare le modifiche richieste in questi parametri.

In seguito, in base alla corrente media e alla potenza media erogata, potrebbero esserci vincoli sulla dimensione del calibro del filo che può essere utilizzato nell'avvolgimento. Una corrente media più elevata richiederà un calibro del filo più grande per evitare che il trasformatore si surriscaldi troppo. Quindi, se volete che il vostro trasformatore eroghi più potenza con una corrente media più elevata, avrete bisogno di un trasformatore fisicamente più grande.

Con questo in mente, passiamo alle induttanze.

Avvolgimenti Primario e Secondario (Modalità Discontinua)

Prima di tutto, possiamo calcolare le induttanze degli avvolgimenti primario e secondario come segue:

L'equazione L(s) denota l'operazione in modalità corrente discontinua; cambiare la direzione della disuguaglianza e avrete l'operazione in modalità corrente continua. V(diode) è la tensione diretta del diodo raddrizzatore sul lato secondario.

In questa equazione, vogliamo determinare il limite dell'induttanza secondaria che permetterà al commutatore di regolare continuamente la tensione di uscita. Nel controllo in modalità tensione, il commutatore regolerà il ciclo di lavoro, quindi è necessario utilizzare il ciclo di lavoro massimo e la frequenza per dimensionare il limite superiore delle induttanze. La corrente massima di uscita e la tensione secondaria sono valori nominali.

Rapporto di Trasformazione e Ciclo di Lavoro Effettivo

Successivamente, dobbiamo determinare il rapporto di trasformazione e il ciclo di lavoro effettivo a cui il convertitore è richiesto di funzionare. Finché il ciclo di lavoro effettivo è inferiore al ciclo di lavoro massimo per il tuo commutatore, allora l'induttanza sul lato secondario non sarà troppo grande per mantenere la regolazione e il design dovrebbe essere fattibile.

Questa equazione ti dà una relazione tra il rapporto di trasformazione e il ciclo di lavoro. Ricorda, il commutatore potrebbe funzionare a qualsiasi ciclo di lavoro fino al suo massimo, e il circuito di controllo regolerà il ciclo di lavoro PWM in base alla misurazione della tensione di uscita. Quando conosci il ciclo di lavoro, inseriscilo in questa equazione per ottenere il rapporto di trasformazione richiesto.

Successivamente, è utile conoscere la corrente di picco sul lato primario poiché questa è la corrente di picco che fluirà attraverso il commutatore. Questo è importante perché alcuni commutatori possono avere una protezione da sovracorrente, e questo include il UCC28881. Ora dobbiamo utilizzare la specifica della corrente di picco, il ciclo di lavoro target e i valori del rapporto di trasformazione per controllare le correnti di picco. Per il UCC28881, il limite di corrente primaria di picco prima dello spegnimento è mostrato di seguito (440 mA continui, 770 mA a impulsi).

Nella prossima sezione, utilizzerò il limite massimo di corrente a impulsi con un certo derating per verificare che il design possa soddisfare le mie specifiche.

Verifica dei Calcoli

Qui, il mio intento è di progettare il convertitore e il suo trasformatore in modo che il ciclo di lavoro massimo del 50% corrisponda alla metà della corrente di picco consentita, il che mi darà un ampio margine di derating. Ora che abbiamo queste equazioni, possiamo inserire alcuni numeri e determinare il rapporto di trasformazione.

• Valori di ingresso:
  • V(In) massimo = 240 V AC RMS
  • f = 62 kHz, D(max) = 0,5 (basato sul valore medio dal datasheet)
  • D(target) = 0,3 (scelto dal progetto)
  • I(pk, primario) = 0,385 A, I(Avg, primario) = 0,116 A
  • Tensione di avanti del diodo rettificatore Schottky: V(diode) = 0,5 V
  • V(out) = 3,3 V
• Valori di uscita
  • Basato su D(target), Np/Ns = 19,17
  • I(pk, secondario) = 8,45 A, I(Avg, secondario) = 2,54 A
  • L(s,max) = 3,02 uH

Basandosi su questi numeri, il progetto è fattibile e il convertitore non dovrebbe avere problemi a fornire la nostra corrente di uscita target a patto che possiamo raggiungere le induttanze delle bobine target. Questo è il momento in cui dobbiamo esaminare il nucleo e il formabobine per assicurarci che le induttanze target possano essere raggiunte.

Nucleo e Formabobine Commerciali

Ora che conosciamo il target di induttanza e il rapporto di trasformazione, possiamo iniziare a selezionare un nucleo e un formabobine per costruire il trasformatore. Come ho menzionato sopra, una corrente di uscita più elevata limiterà il cablaggio che si può utilizzare per avvolgere la bobina, quindi questo sarà certamente un fattore da considerare nella selezione del nucleo e del formabobine.

A questo punto, sei libero di cercare online set di nucleo e formabobine che ti aiuteranno a raggiungere il tuo target di induttanza. Il formabobine, il nucleo e le forcelle raccomandati da Texas Instruments sono:

• Formabobine (QTY 1): B66418W1008D001
• Sezione di E-core con gap d'aria (QTY 2): B66417U0250K187 o Sezione di E-core senza gap (QTY 2): B66417G0000X149 con 2 strati di avvolgimento
• Forcella (QTY 2): B66418B2000X000

Nel datasheet del nucleo, vedrai una specifica chiamata fattore di induttanza. Il fattore di induttanza ti dice essenzialmente l'induttanza per numero di giri intorno al nucleo, assumendo che stai utilizzando il formabobine raccomandato. Basandosi sul rapporto di trasformazione elencato sopra e sui requisiti di corrente elencati sopra, potremmo utilizzare un filo AWG 26 con 3 giri per la bobina secondaria, e un filo AWG 30 con 57 giri per la bobina primaria (avvolti in 2 strati di filo). Questo dà:

• L(s) = 2,25 uH
• L(p) = 812,25 uH

Questi valori sono un po' inferiori ai valori raccomandati da TI da WEBench, ma sono entro i valori di tolleranza tipici dell'induttanza di avvolgimento per un trasformatore, quindi li considero validi per un progetto in modalità discontinua. Se volessi cambiare la modalità di funzionamento in continua, avresti bisogno solo di 2 giri in più sul lato secondario. Questo ridurrebbe anche la densità di flusso sul lato secondario.

Verifica Aggiuntiva

Un passo della verifica consiste nel determinare se il calibro del filo che selezioni riempirà eccessivamente il supporto della bobina. Utilizzando il diametro della guaina per il tuo cablaggio, calcola la distanza totale coperta dalle bobine. Se questo numero supera la lunghezza del tuo supporto per bobina, allora avrai bisogno di utilizzare un supporto più grande o un diametro del filo più piccolo. Quest'ultimo potrebbe richiederti di ridurre la corrente consentita sul lato secondario per mantenere bassa la temperatura.

L'ultima verifica sarà un confronto della densità di flusso con il flusso di saturazione nel materiale del tuo nucleo. Questo è il momento in cui il supporto da parte di un fornitore di materiali per nuclei diventa molto importante poiché questi valori non sono sempre indicati in un datasheet. Alla saturazione, l'efficienza inizia a diminuire notevolmente, quindi devi assicurarti che la tua densità di flusso sia inferiore alla densità di saturazione. Questo è uno dei motivi per cui in realtà desideriamo avere più spire nella bobina piuttosto che meno. Potremmo anche voler utilizzare un materiale per il nucleo con una permittività minore poiché ciò riduce anche la densità di flusso.

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