طراحی ترانسفورمر فلای بک (Flyback)

ترانسفورمر فلای بک(Flyback) : طراحی تراسفورمر فلای‌بک کاملا متفاوت با ترانسفورمر Forward می باشد. ترانس فلای‌بک بیشتر شبیه چوک Forward می باشد. اگر یکی به نمودار زمانی شار داخل هسته آنها نگاه کند، نمی تواند تفاوت این دو را از هم تشخیص دهد. نمودار جریان سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورمر فلای‌بک در شکل 8-6 نشان داده شده است.

آموزش طراحی ترانسفورمر فلای بک

ترانسفورمر فلای‌بک از یک هسته فریت با یک سیم پیچ اولیه و همچنین یک یا چندین سیم پیچ ثانویه تشکیل می شود. در اینجا برای راحتی کار و تشریح فرمول های مربوطه، فرض میکنیم که ترانسفورمر تنها یک سیم پیچ ثانویه دارد. حالت چند خروجی در قسمت بعدی این بخش توضیح داده خواهد شد.در روند طراحی ترانسفورمر فلا‌ی بک، سیم پیچ های اولیه و ثانویه به صورت جداگانه در نظر گرفته می شوند. هر یک از این سیم پیچ ها مانند یک سلف عمل می کنند با این تفاوت که هسته فریت مشترکی دارند، موقعی که سویچ روشن است سیم پیچ اولیه انرژی را در خود ذخیره می کند، در این حالت سیم پیچ ثانویه باز می باشد. در مدت زمان خاموشی سوئیچ ، سیم پیچ دوم وصل شده و انرژی ذخیره شده توسط سیم پیچ اولیه به خروجی تخلیه می شود . بنا بر این اولین عامل مهم در طراحی ترانس فلای‌بک ، توانایی میزان انرژی ذخیره شده در سیم پیچ اولیه می باشد. برای محاسبه ی این انرژی ابتدا جریان اولیه را از رابطه زیر حساب می کنیم.

.

سپس انرژی ذخیره شده در سلف توسط رابطه زیر بدست می آید

با محاسبه انرژی سلف در یک سیکل و ضرب آن در فرکانس، توان سلف بدست می آید

.

شکل 8-6 جریان‌های اولیه و ثانویه ترانسفورمر فلای‌بک

حداقل جریان پیک مورد نیاز سیم پیچ اولیه از رابطه 6.21 بدست می آید و به دنبال آن حداکثر اندوکتانس مورد نیاز اولیه از رابطه 22-6 بدست می آید. با در نظر گرفتن موارد بالا اکنون آماده ایم با انتخاب هسته، ترانس مورد نیاز را طراحی کنیم.

از آنجایی که ترانس فلای‌بک در مدت زمان خیلی کوتاه باید انرژی بالایی را در خود ذخیره کند، بنابراین اندوکتانس مورد نیاز سلف اولیه معمولا کمتر می باشد تا جریان بالایی از آن عبور کند. این جریان بالا و همچنین انرژی بالا باعث می شود که هسته ترانس به حالت اشباع رود، برای جلوگیری از به اشباع رفتن هسته، معمولا یک شکاف هوایی در داخل هسته ایجاد می کنند تا بیشتر انرژی در این شکاف ذخیره شود و به این ترتیب از به اشباع رفتن هسته جلو گیری می شود. برای این منظور شرکت های تولید کننده هسته فریت ، معمولا یک سری هسته های شکاف دار تولید می کنند که برای طراحی ترانس فلای‌بک، این هسته‌ها گزینه‌ی خوبی می باشند. در صورت عدم دسترسی به این هسته‌ها طراح باید با انتخاب هسته مناسب خودش در هسته شکاف ایجاد کند.

برای انتخاب هسته مورد نیاز ابتدا از فرمول (23-6) مقدار waAc را محاسبه میکنیم، در این رابطه W_a مساحت مورد نیاز برای سیم پیچ اولیه می باشد. سپس از جداول انتخاب هسته شرکت های تولید کننده ، هسته ای را انتخاب می کنیم که W_aA_c آن از مقدار محاسبه شده توسط رابطه 23-6 بزرگتر باشد. سپس از طریق رابطه 24-6 مقدار شکاف مورد نیاز برای هسته را

فرمول ۲۳−۶

فرمول ۲۴−۶

محاسبه می کنیم. و در نهایت هسته ای را انتخاب می کنیم که شکاف آن برابر با مقدار محاسبه شده از رابطه 24-6 و یا نزدیک به آن باشد.

در رابطه 24-6 معمولا B_max را نصف چگالی شار اشباع ($\frac{1}{2}{B}_{sat}$) در نظر می گیریم.با انتخاب هسته مورد نیاز حالا نوبت محاسبه سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانس می باشد. برای این منظور از رابطه 25-6 تعداد دور اولیه ترانس را محاسبه می کنیم و سپس از طریق رابطه 26-6 تعداد دور مورد نیاز برای سیم پیچ ثانویه را محاسبه می کنیم. اگر بخواهیم در ثانویه ترانس خروجی های متعددی داشته باشیم، با استفاده از رابطه 27-6 تعداد دور مورد نیاز برای این خروجی ها را بدست می آوریم.

فرمول ۲۵-۶

فرمول ۲۶−۶

فرمول ۲۷−۶

از آنجایی که ترانس فلای‌بک انرژی بالایی را در مدت زمان های کوتاه در خود ذخیره می کند، بنابراین مقدار اسپایک های تولید شده توسط ترانسفورمر بالا می باشد(درحدود 200 ولت و یا بالاتر).این اسپایک ها باعث می شوند Mosfet های سوئیچ صدمه ببینند.از این رو طراحی اسنابر برای سیم پیچ ترانسفورمر و یا برای ماسفت های قدرت ضروری می باشد.

طراحی سلف(چوک) فیلتر خروجی مد Forward

چوک فیلتر Forward ستون فقرات هر مبدل مدل Forward را تشکیل می دهد. بنابراین طراحی درست چوک از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. مقدار اندوکتانس مورد نیاز این چوک به راحتی قابل محاسبه می باشد اما انتخاب هسته آن معمولا اندکی دشوار می باشد.

مقدار انرژی ذخیره شده در این سلف معمولا50 درصد بالاتر از انرژی مورد نیاز مدار در نظر گرفته می شود.از طرفی انرژی این سلف نباید به صورت کامل تخلیه شود. مقدار انرژی که در هر سیکل وارد هسته سلف و یا از آن خارح می شود توسط رابطه 28-6 قابل محاسبه است. و مقدار انرژی که در هر سیکل در هسته باقی می ماند از رابطه 29-6 بدست می آید.

فرمول ۲۸−۶

فرمول ۲۹−۶

برای طراحی سلف مورد نظر حداقل اندوکتانس مورد نیاز را از طریق رابطه 30-6 بدست می آوریم. به خاطر وجود جریان DC در سلف، جهت جلوگیری از به اشباع رفتن آن، باید از هسته های شکاف دار استفاده کنیم.

فرمول ۳۰-۶

برای محاسبه و انتخاب هسته مورد نیاز و همچنین تعداد دور مورد نیاز می توان از روابط مربوط به قوانین فلای‌بک استفاده کرد. یعنی ابتدا از طریق رابطه 23-6 W_aA_c مورد نیاز را محاسبه می کنیم و سپس از طریق روابط 24-6 و 25-6 شکاف مورد نیاز و همچنین تعداد دور سیم پیچ را بدست می آوریم. اما طراحان معمولا برای طراحی این سلف از هسته های چنبره ای شکل استفاده می کنند. متاسفانه روش استانداردی برای انتخاب این نوع هسته وجود ندارد.در این جا ما از روش شرکت Magnetics Inc استفاده خواهیم کرد که یکی از تولید کننده های هسته های فریت می باشد. در این روش ابتدا از طریق رابطه 31-6 مقدار E_uv را محاسبه می کنیم ، در این فرمول L حداقل اندوکتانس مورد نیاز رابطه 30-6 و I جریان متوسط بار خروجی می باشد.

فرمول ۳۱−۶

سپس با مراجعه به شکل 9-6 مقدار محاسبه شده‌ی بالا را روی محور x پیدا کنید.

یک خط عمودی از این نقطه رسم کنید. اولین خط شیب‌داری که این خط قطع می کند، مقدار نفوذ پذیری(µ) مورد نیاز هسته را مشخص می کند.سپس از این نقطه یک خط افقی رسم کنید.نقطه ای که این خط محور y را قطع می کند Part Number هسته را مشخص می کند. این کوچکترین هسته ای است که برای طراحی سلف مورد نظر نیاز می باشد. سپس با مراجعه به کاتالوگ هسته فوق ، تعداد دور سلف را از طریق رابطه 32-6 محاسبه کنید.

فرمول ۳۲−۶

اندازه سیم مورد نیاز را از طریق جدول 1-6 بدست آورید و از طریق رابطه 33-6 درصد پنجره را محاسبه کنید.اگر این مقدار از 40 یا 50 درصد بیشتر باشد باید هسته بزرگتر ی را انتخاب کنید. برای جریان های خروجی بالاتر از 5 آمپر و همچنین برای فرکانس های بالاتر از KHZ 30 باید از سیم های Litz برای کاهش اثر پوستی استفاده کنید.

شکل 9-6 نمودار انتخاب هسته سلف با جریان‌های DC (در این نمودار L اندوکتانس DC سلف بر حسب میلی‌هانری و I جریان DC عبوری آن بر حسب آمپر می‌باشد)

پایان فصل ششم از آموزش طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ! بعد از مدتی تاخیر با حمایت میکرودیزاینرالکترونیک و تلاش فراوان آقای فرامرزپور یک فصل دیگری از کتاب طراحی منابع تغذیه سوئیچینگ را هم ترجمه، خلاصه و در سایت رایگان منتشر کردیم. و فصل‌های بعدی هم فردا منتشر خواهند شد. امیدواریم برای شما کاربران، علاقمندان و مهندسان الکترونیک مفید واقع بشه. لطفا نظرات خود را در قسمت کامنت‌های همین نوشته بنویسید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>