La richiesta di fonti di energia elettrica ed elettronica nella progettazione automobilistica innovativa può essere riassunta come segue: aumento della potenza, miglioramento dell'efficienza, riduzione dei requisiti di spazio e miglioramento dell'affidabilità. Per i veicoli elettrici (EV), l’efficienza è fondamentale per alleviare “l’ansia da autonomia” degli utenti. Considerando i vari requisiti dei veicoli elettrici, dobbiamo fornire soluzioni di alimentazione compatte e leggere per fonti di alimentazione ausiliarie e di backup. Gli alimentatori più piccoli comportano maggiori sfide, inclusa la necessità di maggiori capacità di isolamento per prevenire guasti elettrici tra componenti con una distanza più ravvicinata e ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI).
I convertitori di potenza flyback sono comunemente utilizzati in varie applicazioni per veicoli elettrici a bassa potenza, tra cui la generazione di energia ausiliaria, la gestione della batteria e l'alimentazione del gate. Il suo design è più semplice, con meno componenti, riducendo così le dimensioni, migliorando l'affidabilità e abbassando i costi. Il nucleo di un alimentatore flyback è il trasformatore flyback, che in genere è uno dei componenti più grandi necessari per supportare l'isolamento ad alta tensione.
Questo articolo introduce il principio di funzionamento dei convertitori flyback, gli effetti dell'induttanza e della capacità parassite e l'importanza delle dimensioni dei componenti e dell'isolamento del segnale. Successivamente è stato presentato il trasformatore flyback di Bourns ed è stato spiegato come esso abbia contribuito a risolvere molti problemi di alimentazione automobilistica.
Convertitore flyback
Il nucleo di un convertitore flyback è un trasformatore flyback, che fornisce la trasmissione di potenza e l'isolamento tra i lati primario e secondario del circuito del convertitore (Figura 1, in alto). Il convertitore può aumentare o diminuire la tensione dell'alimentatore CC in base alla configurazione del trasformatore flyback. Oltre a un trasformatore flyback, il circuito richiede anche un interruttore sul lato primario (SW) (solitamente MOSFET) e un raddrizzatore/filtro secondario.
Diagramma schematico semplificato dei componenti di base del convertitore flyback
Figura 1: Viene mostrato un diagramma schematico semplificato dei componenti di base (figura in alto) e delle forme d'onda operative importanti (figura in basso) di un convertitore flyback. (Fonte immagine: Bourns Inc.)
Posizionando Vgs in uno stato di livello alto (Figura 1, in basso), il ciclo di lavoro inizia quando SW viene attivato. Quando l'interruttore è chiuso, la tensione applicata all'induttore è una funzione a gradino. Gli induttori possono contrastare qualsiasi variazione istantanea della corrente e integrare la tensione di passo applicata. Ciò crea una funzione di rampa, in cui la corrente nell'avvolgimento primario del trasformatore flyback aumenta linearmente a causa dell'influenza dell'induttanza primaria. A causa della polarizzazione inversa del diodo raddrizzatore (D), non c'è corrente nel secondario del trasformatore. Il traferro nel nucleo del trasformatore flyback può prevenire la saturazione quando il campo magnetico del trasformatore aumenta.
Quando l'interruttore viene spento (ripristinando Vgs ad uno stato basso), l'energia immagazzinata nel campo magnetico del trasformatore viene trasferita al secondario attraverso il diodo polarizzato direttamente, caricando il condensatore di uscita (C2). La corrente secondaria diminuisce linearmente finché l'energia del campo magnetico non si esaurisce o l'interruttore viene riaperto, iniziando il ciclo successivo.
Un tipico trasformatore, come un trasformatore in un alimentatore lineare, trasferisce continuamente energia dall'avvolgimento primario all'avvolgimento secondario. Il principio di funzionamento di un trasformatore flyback è più simile a quello di una coppia di induttori accoppiati, poiché non trasmette energia in modo continuo durante il ciclo di lavoro. Tuttavia, come nei trasformatori, anche la tensione di uscita può essere regolata modificando il rapporto spire tra l'avvolgimento primario e quello secondario. Il trasformatore flyback fornisce anche l'isolamento elettrico tra gli avvolgimenti primario e secondario. Inoltre, supporta anche più avvolgimenti secondari, consentendo al convertitore di emettere più tensioni.
Effetti parassiti dei convertitori flyback
Come un tipico circuito elettronico, i convertitori flyback sono influenzati da induttanza e capacità parassite (Figura 2).
Immagine schematica del convertitore flyback
Figura 2: Viene mostrato il diagramma schematico del convertitore flyback, con la capacità parassita evidenziata in rosso e l'induttanza relativa ai componenti del convertitore. (Fonte immagine: Bourns Inc.)
L'induttanza magnetizzata (Lm) è la principale proprietà induttiva che determina l'accumulo di energia dei trasformatori flyback. Correlata ai trasformatori è anche l'induttanza di dispersione parassita (Llk) in serie con gli interruttori. Quando l'interruttore è scollegato, tenterà di mantenere la corrente primaria e di aumentare la tensione attraverso l'interruttore. La maggior parte dei convertitori flyback utilizza circuiti a pinza o circuiti buffer per proteggere gli interruttori dagli effetti di tali tensioni transitorie. Questo effetto aumenterà anche la radiazione del campo magnetico e influenzerà l'interferenza elettromagnetica. L'induttanza di instradamento del circuito (Ltr) aumenta questi effetti.
I progettisti dei trasformatori faranno ogni sforzo per ridurre al minimo l'induttanza di dispersione. Il metodo principale è aumentare l'accoppiamento tra l'avvolgimento primario e quello secondario. Per ottenere ciò è necessario ridurre al minimo la spaziatura tra gli avvolgimenti e disporli in modo sfalsato.
La capacità distribuita comprende la capacità primaria (Cp), la capacità tra gli avvolgimenti (Cps), la capacità secondaria (Cs), la capacità di uscita del transistor ad effetto di campo (Co) e la capacità del diodo secondario (Cd). Questi condensatori interagiscono con gli induttori, riducendo l'integrità della forma d'onda del segnale del convertitore (Figura 3).
Diagramma schematico dell'influenza di componenti parassiti come condensatori e induttori sulle forme d'onda dell'interruttore (fare clic per ingrandire)
Figura 3: Viene mostrata l'influenza dei componenti parassiti come condensatori e induttori sulla forma d'onda di commutazione. (Fonte immagine: Bourns Inc.)
La forma d'onda di commutazione è preferibilmente un impulso rettangolare senza superamento o sottoelongazione. Il rapido tempo di conversione di questo impulso rettangolare garantisce che la forma d'onda della tensione sia a zero prima che la corrente aumenti. Infatti, gli effetti della capacità e dell'induttanza parassite possono rallentare il tempo di conversione e causare overshoot, undershoot e oscillazioni istantanee. Inoltre, a causa della sovrapposizione di forme d'onda di tensione primaria e corrente diverse da zero, tempi di salita e discesa più lenti aumenteranno le perdite di commutazione del convertitore. Questa sovrapposizione comporterà perdite di commutazione negli interruttori FET, riducendo così l'efficienza del convertitore. La significativa diminuzione nella parte superiore dell'impulso è causata dalla resistenza di carico e dall'induttanza magnetizzante.
Quando si progetta un trasformatore flyback, è necessario impegnarsi per mantenere la frequenza di risonanza automatica lontana dalla frequenza di commutazione del convertitore e per accorciare il più possibile il cablaggio tra l'interruttore e il trasformatore flyback, il che aiuta a ridurre al minimo la capacità parassita. Inoltre, la capacità tra gli avvolgimenti fornisce anche un percorso per accoppiare i componenti ad alta frequenza del segnale primario all'uscita. Maggiore è la capacità tra gli avvolgimenti, maggiore è la radiazione EMI condotta dal convertitore. Per ottenere prestazioni ottimali, è necessario scendere a compromessi nella progettazione, poiché un accoppiamento più stretto degli avvolgimenti riduce l'induttanza di dispersione ma aumenta anche la capacità tra gli avvolgimenti. È qui che risiede l'importanza dell'esperienza dei progettisti di trasformatori.
Ridurre le dimensioni e isolare i segnali
I componenti utilizzati nelle applicazioni automobilistiche dovrebbero essere il più piccoli possibile. Le dimensioni fisiche dei componenti sono determinate dalle proprietà dei materiali e dalle caratteristiche fisiche della funzionalità dei componenti. Per i trasformatori flyback, la spaziatura dei conduttori deve essere sufficiente per resistere alla tensione operativa di picco e ai test di tensione richiesti per la certificazione standard. Le specifiche chiave relative alla ripartizione di tensione sono la distanza di isolamento e di dispersione (Figura 4).