Calculating Characteristics of the Flyback Converter with the Use of Averaged Models

1. Calculating Characteristics of the Flyback Converter with the Use of Averaged Models Wyznaczanie charakterystyk przetwornicy Flyback przy wykorzystaniu modeli uśrednionych Krzysztof Górecki, Janusz Zarębski Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w Gdyni

2. Plan prezentacji • Wprowadzenie • Sposób formułowania uśrednionych modeli przetwornic dc-dc • Analiza przetwornicy Flyback • Wyniki analiz • Podsumowanie

3. Wprowadzenie • Przetwornica Flyback należy do grupy transformatorowych przetwornic dc-dc • Przetwornica ta zawiera tranzystor, diodę i transformator impulsowy • W literaturze znane są wzory analityczne opisujące charakterystyki takich przetwornic w stanie ustalonym przy pominięciu strat w elementach półprzewodnikowych i indukcyjnych • W pracy sformułowano wzory analityczne opisujące zależność napięcia wyjściowego i sprawności rozważanej przetwornicy od parametrów sygnału sterującego oraz elementów obwodu

4. Sposób formułowania uśrednionych modeli przetwornic dc-dc Założenia: • Charakterystyki tranzystora i diody opisane są charakterystykami odcinkami liniowymi • Rezystancja włączonego tranzystora wynosi RON • Rezystancja szeregowa diody wynosi RD • Napięcie na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzenia wynosi VD • Rezystancje wyłączonej diody i tranzystora wynoszą odpowiednio ROFFT=ROFFD=ROFF • Pominięto inercję elementów półprzewodnikowych

5. Sposób formułowania uśrednionych modeli przetwornic dc-dc • Sformułowanie dwóch układów zastępczych odpowiadających rozważanej przetwornicy, odpowiednio przy włączonym i przy wyłączonym tranzystorze. • Sformułowanie równań opisujących napięcie na cewkach i prąd kondensatora w obydwu układach • Sformułowanie wyrażeń opisujących wartość średnią napięcia na cewkach i prądu kondensatora i przyrównanie tych wyrażeń do zera • Opracowanie reprezentacji obwodowej równań uzyskanych w punkcie 3 – uśrednionego modelu badanej przetwornicy • Sformułowanie zależności analitycznych opisujących napięcie wyjściowe i sprawność energetyczną przetwornicy

6. Analiza przetwornicy Flyback

7. Analiza przetwornicy Flyback Tranzystor włączony Tranzystor wyłączony Zależności końcowe:

8. Wyniki analiz • Przeprowadzono: • analizy stanów przejściowych w programie SPICE wykorzystując wbudowane modele przełączników • Obliczenia charakterystyk za pomocą podanych wzorów • W obliczeniach przyjęto: Vin = 12 V, RL1 = RL2 =0, VD = 0.8V, n = 10, ROFF = 100 kW • Uzyskano doskonałą zgodność wyników obliczeń

9. Wyniki analiz • Wpływ współczynnika wypełnienia d i rezystancji włączenia tranzystora R0N

10. Wyniki analiz (c.d.) • Wpływ rezystancji obciążenia R0

11. Podsumowanie • Zaproponowano wzory analityczne opisujące charakterystyki przetwornicy Flyback w stanie ustalonym przy uwzględnieniu strat w elementach półprzewodnikowych i w transformatorze • Rozważana w pracy metoda umożliwia łatwe wyznaczenie charakterystyk przetwornic dc-dc o sterowaniu PWM, a sformułowane wzory analityczne pozwalają ocenić wpływ wybranych parametrów obwodu na napięcie wyjściowe i sprawność przetwornicy. • Przedstawione wyniki obliczeń dowodzą, że parametry elementów półprzewodnikowych w istotny sposób wpływają na rozważane parametry przetwornicy, których wartości istotnie różnią się wartości uzyskiwanych z zależności podręcznikowych.

12. Podsumowanie (c.d.) • Wzrost wartości rezystancji włączenia tranzystora i rezystancji szeregowej diody oraz rezystancji pasożytniczych transformatora powodują spadek napięcia wyjściowego i sprawności przetwornicy Flyback. • Wpływ rezystancji włączenia tranzystora i rezystancji szeregowej uzwojenia pierwotnego transformatora na parametry przetwornicy Flyback jest najsilniej widoczny w zakresie dużych wartości współczynnika wypełnienia sygnału sterującego i dużych wartości przekładni zwojowej transformatora.