Каковы эффективные ограничения мощности топологии конвертера с обратной связью и почему?

Рассматривая несколько различных топологий изолированных преобразователей, обратная связь выглядит на первый взгляд самой простой. Есть только один переключатель, поэтому есть только один драйвер, который (при прочих равных условиях) должен снизить стоимость. Однако при высоких уровнях мощности (5 кВт +) обратный полет, как правило, не считается практичным. Я спросил, почему в начале моей карьеры, и ответы, которые я получил, были расплывчаты.

Я встретил одного человека, который обычно заводил свои обратные трансформаторы; он сказал, что он получил 500 Вт от одного, но только с небольшим перемоткой, чтобы оптимизировать трансформатор. Коммерческие производители, с которыми я разговаривал, замолчали или спросили, что я делаю безумно, чтобы захотеть такой большой трансформатор с обратной связью.

В старой книге, с которой я сталкивался, говорилось, что трансформаторы с обратной связью должны работать на высоких частотах, и доступные переключатели не могут выдержать нагрузки от преобразователя с обратной связью на этих уровнях мощности. Однако неясно, почему эти нагрузки хуже, чем в других топологиях с одним коммутатором, таких как повышающие преобразователи. Также не было ясно, почему частоты должны быть такими высокими. Я подозреваю, что это связано с тем, что через трансформатор / связанный индуктор требуется исключительно жесткая связь, что ограничивает выбор материалов и размеров сердечника, диктует выбор частоты, дополнительно диктует выбор переключателя. Но это только предположение.

Так в чем же дело? Каков эффективный предел мощности в топологии обратного хода и почему?

Не существует жесткого ограничения выходной мощности в топологии обратного хода. Это вопрос, который лучше всего подходит для данной ситуации. Можно создать обратный рейс мощностью 1 кВт, но он вряд ли будет экономичным. Это бизнес, в котором они проводят встречи «за кровью на ковре» с диодами по 3 цента и признают, что дешевле нанять другого инженера, работающего полный рабочий день, чем тратить лишние несколько копеек в свой продукт, поэтому не выбирайте лучшая топология для требований может предвидеть карьеру.

Конвертер с обратной связью использует ядро ​​менее эффективно (что означает больше денег, размера и веса для ядра, что имеет большее значение при повышении уровня мощности). Как указывает Рассел, обратный вызов сохраняет переданную энергию в индуктивности и отдает ее на выход, в отличие от большинства других типов, которые передают энергию при включенном переключателе. Это означает, что текущее напряжение должно быть выше, так как вся энергия передается одним переключателем, и это может быть только часть времени. (Имейте в виду, что некоторые потери пропорциональны квадрату тока, поэтому 10 А в течение 33% времени против 3 А в 100% времени представляют ту же мощность нагрузки, но резистивные потери в переключателе с низким коэффициентом заполнения имеют В 3,7 раза выше

Напряжение на переключателе при обратной связи намного выше (двойное входное напряжение) по сравнению с прямым переключателем с двумя переключателями (только входное напряжение). Это делает коммутатор более дорогим, особенно для MOSFET, где размер микросхемы (и, следовательно, стоимость) быстро возрастает с номинальным напряжением при прочих равных условиях. Коммутаторы, которые менее чувствительны к напряжению (по стоимости), имеют тенденцию быть довольно медленными (BJT и IGBT), поэтому, опять же, менее подходящими для преобразователей с обратной связью, потому что для них потребуется большее ядро.

Конвертеры с обратной связью имеют ряд преимуществ (потенциальная простота благодаря единственному переключателю, не требуются выходные катушки индуктивности, поскольку индуктивность рассеяния работает для вас, широкий диапазон входного напряжения), но эти преимущества в основном преобладают при более низких уровнях мощности.

Вот почему вы почти всегда будете видеть конвертеры с обратной связью, используемые в адаптерах переменного тока, и вы никогда не увидите его в источниках питания ПК мощностью 250 Вт - в обоих приложениях, где любые излишние расходы, которые можно выжать, были вытеснены (иногда более тот!).

Прошлое перед сном - такой короткий ответ. Все счастливы :-).

Вы различаете «возврат» и «повышение» - что может означать одно и то же, но не может.

Самая уникальная особенность Flyback состоит в том, что передаваемая энергия полностью сохраняется в индуктивности, когда переключатель включен, и передается на выход коллапсирующим магнитным полем, когда переключатель выключен. Некоторая мысль покажет, что в сердечнике с воздушным зазором (или в сердечнике, в котором воздушные зазоры распределены по всему индуктору), энергия на самом деле накапливается в основном в «воздухе» в зазоре - утверждение, которое привлечет «здравый обратный комментарий» , Независимо от точного места хранения, энергия накапливается в магнитном поле, а увеличение мощности требует увеличения размера сердечника.

Преобразователи, которые передают энергию во включенном состоянии переключателя, не полагаются главным образом на ядро ​​и поле для хранения энергии.

Для передачи большей мощности в системе обратного хода необходимо увеличить энергию, передаваемую за цикл, и / или количество циклов в секунду. Для полностью «разряженного» индуктора:

• $E$$\frac{1}{2}LI^2$

• $f\cdot\frac{1}{2}LI^2$

$f$
$I$
$L$

$L$$I = V\cdot t/L$$t$$V$

$f\cdot\frac{1}{2}LI^2$$I$$L$$E$

$t_{charge}$$<$$<<$ $1/f$$t_{off}$$t_{on}$

Ранние МОП-транзисторы были чрезвычайно ограничены по частоте среза. Современные полевые транзисторы гораздо более эффективны, НО для высокоскоростных переключателей высокого напряжения часто бывают выгодны.

Итак ... вы вряд ли увидите конвертеры с обратной связью мощностью более нескольких сотен ватт и, как правило, меньше.

Возможно позже.

Энергия теряется при каждом закрытии емкости переключателя.

Это делает постоянно увеличивающуюся частоту непрактичным ответом на муховку с большим промежутком накопления энергии за счет меньшей индуктивности.

У вас может быть большое ядро ​​с большим количеством витков, но тогда вы теряете больше в меди.

Моски SIC, GAN и Silicon Superjunction имеют гораздо меньшую емкость, чем лучшие устройства десятилетней давности. Возможны обратные отклики с более высокой мощностью.

Лучшие методы используют резонанс, чтобы удалить часть или весь заряд, хранящийся на переключателе, прежде чем включать его.

Пиковые токи переключения и пиковые напряжения ограничивают практическую выходную мощность, НО полупроводники становятся намного лучше. Например, SiC 1200 Вольт 100 мОм Mosfet может отключить пик 30 А. Следовательно, можно думать о 1 кВт в автономном режиме. Хотя эти современные коммутаторы имеют низкие потери на переключение, энергия, удерживаемая в индуктивности рассеяния трансформатора, не попадает в нагрузку, которая при использовании ортодоксальной технологии трансформаторов вы найдете хуже, чем любые предполагаемые потери на переключение при работе на обычных частотах. Так что активный зажим или все, что касается утечки, является паспортом для высокой мощности с низкими потерями.