फ्लाईबैक कनवर्टर टोपोलॉजी की प्रभावी शक्ति सीमाएं क्या हैं, और क्यों?

Question

कई अलग-थलग कनवर्टर कनवर्टर टोपोलॉजी को देखते हुए, फ्लाईबैक ऐसा लगता है कि यह पहली नज़र में सबसे सरल है। केवल एक ही स्विच है, इसलिए केवल एक ड्राइवर है, जो (अन्य सभी चीजें बराबर हैं) लागत को कम करना चाहिए। हालांकि, उच्च शक्ति स्तर (5kW +) पर फ्लाईबैक आमतौर पर व्यावहारिक नहीं माना जाता है। मैंने पूछा कि मेरे करियर में जल्दी क्यों, और मुझे जो जवाब मिले वे अस्पष्ट थे।

मैं एक व्यक्ति से मिला जो आमतौर पर अपने स्वयं के फ्लाईबैक ट्रांसफॉर्मर को बंद कर रहा था; उन्होंने कहा कि वह एक बार 500W मिला, लेकिन बस मुश्किल से और ट्रांसफार्मर को अनुकूलित करने के लिए बहुत सारे रिवाइंडिंग के साथ। जिन व्यावसायिक निर्माताओं से मैंने बात की, वे चुप हो गए, या पूछा कि फ्लाईबैक ट्रांसफ़ॉर्मर को बड़ा करने के लिए मैं कौन सी पागल बात कर रहा हूं।

एक पुरानी किताब जो मैंने कही है कि फ्लाईबैक ट्रांसफॉर्मरों को उच्च आवृत्तियों पर संचालित करने की आवश्यकता है, और उपलब्ध स्विच उन बिजली स्तरों पर एक फ्लाईबैक कनवर्टर के तनाव से बच नहीं सकते हैं। हालांकि, यह स्पष्ट नहीं था कि क्यों उन तनाव अन्य एकल-स्विच टोपोलॉजी से भी बदतर थे, जैसे कि बूस्टर कन्वर्टर्स। न ही यह स्पष्ट था कि आवृत्तियों को इतना अधिक होने की आवश्यकता क्यों है। मुझे संदेह है क्योंकि ट्रांसफार्मर / युग्मित प्रारंभ करनेवाला के पार असाधारण तंग युग्मन की आवश्यकता है, जो कोर सामग्री और आकारों की पसंद को सीमित करता है, आवृत्ति की पसंद को निर्धारित करता है, आगे स्विच चयन को निर्धारित करता है। लेकिन यह सिर्फ एक अनुमान है।

तो असली सौदा क्या है? फ्लाईबैक टोपोलॉजी की प्रभावी शक्ति सीमा क्या है, और क्यों?

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फ्लाईबैक कन्वर्टर्स उच्च आवृत्तियों पर उसी कारण से चलते हैं जो गैर-पृथक एसएमपीएस करते हैं: यह एक छोटे कोर की अनुमति देता है। स्विचिंग पीरियड्स को कम रखने का मतलब है कि कम शिखर ऊर्जा को प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत किया जाता है, और निचली चोटी की धारा। इस प्रकार एक छोटा कोर संभव है: क्योंकि एक उच्च संतृप्ति धारा आवश्यक नहीं है। यदि यह नुकसान स्विच करने के लिए नहीं थे, तो स्विचिंग आवृत्ति शायद अनंत की ओर बढ़ेगी।

— फिल फ्रॉस्ट

Answer 1

एक फ्लाईबैक टोपोलॉजी से आउटपुट पावर की कोई कठिन सीमा नहीं है। यह एक ऐसी बात है जो किसी दिए गए स्थिति के लिए सबसे अच्छा है। कोई 1kW फ्लाईबैक बना सकता है, लेकिन यह आर्थिक रूप से संभव नहीं होगा। यह एक ऐसा व्यवसाय है जहाँ उनकी 3-प्रतिशत डायोड पर रक्त-पर-कालीन बैठकें होती हैं और यह पहचानते हैं कि किसी अन्य पूर्णकालिक इंजीनियर को किराए पर लेना सस्ता है, ताकि उनके उत्पाद में अतिरिक्त कुछ पैसे खर्च किए जा सकें- इसलिए उन्हें नहीं चुनना चाहिए आवश्यकताओं के लिए सर्वश्रेष्ठ टोपोलॉजी किसी के करियर को आगे बढ़ा सकती है।

फ्लाईबैक कनवर्टर कोर का कम कुशलता से उपयोग करता है (कोर के लिए अधिक धन, आकार और वजन का मतलब है, जो कि बिजली के स्तर के ऊपर अधिक मायने रखता है)। जैसा कि रसेल बताते हैं, फ्लाईबैक प्रारंभ करनेवाला में स्थानांतरित ऊर्जा को संग्रहीत करता है, और इसे आउटपुट पर छोड़ देता है, स्विच के चालू होने पर ऊर्जा को स्थानांतरित करने वाले अधिकांश अन्य प्रकारों के विपरीत। इसका मतलब है कि वर्तमान तनाव अधिक होना चाहिए, क्योंकि सभी ऊर्जा एक स्विच द्वारा स्थानांतरित की जा रही हैं, और यह केवल समय के एक हिस्से पर हो सकती है। (ध्यान रखें कि कुछ नुकसान वर्तमान के वर्ग के लिए आनुपातिक हैं, इसलिए समय के 33% के लिए 10A बनाम 100% समय के लिए 3 ए समान भार शक्ति का प्रतिनिधित्व करते हैं, लेकिन निम्न कर्तव्य चक्र स्विच में प्रतिरोधक नुकसान हैं 3.7 गुना अधिक है।

एक फ्लाईबैक में स्विच पर वोल्टेज का तनाव दो-स्विच फॉरवर्ड कनवर्टर (सिर्फ इनपुट वोल्टेज) की तुलना में कहीं अधिक (डबल इनपुट वोल्टेज) है। यह विशेष रूप से MOSFETs के लिए स्विच को अधिक महंगा बनाता है, जहां चिप का आकार (और इसलिए लागत) तेजी से वोल्टेज रेटिंग के साथ बढ़ जाता है, अन्य सभी चीजें बराबर होती हैं। ऐसे स्विच जो वोल्टेज के प्रति कम संवेदनशील होते हैं (लागत में) बल्कि धीमे (BJTs और IGBT) होते हैं, इसलिए फिर से फ्लाईबैक कन्वर्टर्स के लिए कम उपयुक्त होते हैं क्योंकि उन्हें एक बड़े कोर की आवश्यकता होती है।

फ्लाईबैक कन्वर्टर्स के कई फायदे हैं (एकल स्विच के कारण संभावित सादगी, कोई आउटपुट इंडिकेटर्स की आवश्यकता नहीं है क्योंकि रिसाव इंडक्शन आपके लिए काम करता है, वाइड इनपुट वोल्टेज रेंज), लेकिन वे फायदे ज्यादातर कम बिजली के स्तर पर हावी होते हैं।

यही कारण है कि आप लगभग हमेशा एसी एडेप्टर में उपयोग किए जाने वाले फ्लाईबैक कन्वर्टर्स देखेंगे, और आप इसे कभी भी 250W + PC पावर सप्लाई में नहीं देख पाएंगे- दोनों ऐप्लिकेशन जहां किसी भी अतिरिक्त लागत को निचोड़ने के लिए सुरक्षित है, उसे बाहर निकाल दिया गया है (कभी-कभी और अधिक उस!)।

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मैं उम्मीद करूंगा कि ट्रांसफ़ॉर्मलेस डिज़ाइनों के लिए, एक फ्लाईबैक टोपोलॉजी की दक्षता में कमी तब होगी जब इनपुट और आउटपुट वोल्टेज के बीच का अनुपात बड़ा हो (जिसकी परवाह किए बिना अधिक हो); यदि कोई 6 वोल्ट को 9 वोल्ट पर ले जा रहा है, तो एक गैर-फ्लाईबैक बूस्ट कॉन्फ़िगरेशन "सीधे" के माध्यम से 2/3 शक्ति पास कर सकता है, और प्रारंभ करनेवाला को केवल 1/3 इसे "हैंडल" करना होगा। एक फ्लाईबैक कॉन्फ़िगरेशन में एक कॉइल इस प्रकार तीन गुना अधिक शक्ति को संभालना होगा। अगर 5 वोल्ट को 50 में परिवर्तित किया जाए, तो ...

— सुपरकैट

... एक बूस्ट कॉन्फ़िगरेशन में कॉइल को 90% शक्ति को संभालना होगा, इसलिए यह तथ्य कि फ्लाइबैक कॉन्फ़िगरेशन में कॉइल को 100% संभालना होगा, वह बहुत अधिक प्रभावित नहीं करेगा। दूसरी ओर, फ्लाईबैक कॉन्फ़िगरेशन के मुख्य लाभों में से एक यह है कि उन्हें स्टेप-अप और स्टेप-डाउन परिदृश्यों के बीच अंतर करने की आवश्यकता नहीं है, और उन मामलों में जहां किसी को ऐसी चीज की आवश्यकता होगी जो स्टेप-अप और स्टेप- दोनों को संभाल सके। नीचे समान रूप से वे हैं जहां इनपुट और आउटपुट वोल्टेज आम तौर पर समान होंगे - ठीक उन पर जहां फ्लाईबैक ऑपरेशन की सबसे बड़ी दक्षता लागत है।

— सुपरकैट

Answer 2

पिछला सोते समय - इतना छोटा जवाब। सभी खुश हैं :-)

आप 'फ्लाईबैक' और बूस्ट को अलग करते हैं - जिसका मतलब एक ही बात हो सकता है, लेकिन हो नहीं सकता।

फ्लाईबैक की सबसे अनोखी विशेषता यह है कि स्थानांतरित की जाने वाली ऊर्जा स्विच चालू होने पर पूरी तरह से प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत हो जाती है, और स्विच बंद होने पर चुंबकीय क्षेत्र के ढहने से आउटपुट में स्थानांतरित हो जाता है। कुछ विचार से पता चलेगा कि एक एयर-गेप्ड कोर (या जिसमें एक एयर-गैप को प्रारंभ में वितरित किया जाता है) ऊर्जा वास्तव में मुख्य रूप से अंतर में 'हवा' में संग्रहित होती है - एक कथन जो 'मजबूत विपरीत टिप्पणी' को आकर्षित करेगा। । सटीक भंडारण स्थान के बावजूद, ऊर्जा चुंबकीय क्षेत्र में संग्रहीत होती है, और बढ़ी हुई शक्ति के लिए एक वृद्धि हुई कोर आकार की आवश्यकता होती है।

राज्य के स्विच के दौरान पावर ट्रांसफर करने वाले कन्वर्टर्स मुख्य रूप से ऊर्जा के भंडारण के लिए कोर और फील्ड पर निर्भर नहीं होते हैं।

एक फ़्लाईबैक सिस्टम में अधिक शक्ति स्थानांतरित करने के लिए आपको प्रति चक्र और / या प्रति सेकंड चक्र की संख्या में स्थानांतरित ऊर्जा को बढ़ाना होगा। पूरी तरह से 'डिस्चार्ज' किए गए प्रारंभकर्ता के लिए:

• $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}$

प्रारंभिक MOSFETs कटऑफ आवृत्ति में बेहद सीमित थे। आधुनिक FETs उच्च गति के लिए अधिक सक्षम BUT हैं उच्च वोल्टेज स्विचिंग IGBT अक्सर फायदेमंद होते हैं।

तो ... आप कुछ सौ से अधिक वॉट्स पर फ्लाईबैक कन्वर्टर्स देखने की संभावना नहीं रखते हैं, और आमतौर पर कम।

शायद बाद में।

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"फ्लाईबैक की सबसे अनोखी विशेषता यह है कि स्थानांतरित की जाने वाली ऊर्जा स्विच चालू होने पर पूरी तरह से प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत हो जाती है, और स्विच बंद होने पर चुंबकीय क्षेत्र के ढहने से आउटपुट में स्थानांतरित हो जाता है" रुको ... क्या? क्या यह गैर-पृथक बूस्ट या हिरन कन्वर्टर्स का सच नहीं है?

— फिल फ्रॉस्ट

यह निश्चित रूप से ट्रांसफार्मर आधारित कन्वर्टर्स का सच नहीं है। और हिरन कन्वर्टर्स के लिए, स्विच पर चालू होने पर इनपुट से आउटपुट के लिए बहुत अधिक बिजली सीधे पारित की जाती है।

— ब्रायन ड्रमंड बाद

@PhilFrost जैसा कि मैंने ऊपर उल्लेख किया है - शब्द "बूस्ट" और "फ्लाईबैक" समानार्थक रूप से उपयोग किया जा सकता है या नहीं भी हो सकता है। "फ्लाईबैक" इस अर्थ में विशिष्ट है कि ऊर्जा एक चक्र के दौरान और "पर" एक प्रारंभ करनेवाला में संग्रहीत होती है और चुंबकीय क्षेत्र के पतन से स्थानांतरित होती है। "बूस्ट" का अर्थ है बुनियादी स्तर पर कि Vout> Vin। टोपोलॉजी का इस्तेमाल अलग-अलग हो सकता है। Vin_ + में लौटे प्रारंभ करनेवाला के साथ एक साधारण + ve आउटपुट एकल वाइंडिंग फ्लाईबैक कनवर्टर एक बढ़ावा कनवर्टर (Vout> Vin) है और प्रारंभ करनेवाला "से" पर ऊर्जा प्रदान करता है और इसलिए विन को जोड़ता है। आउटपुट वाइंडिंग के साथ एक दो वाइंडिंग फ़्लायबैक gnd पर लौटे केवल प्रारंभ करनेवाला बचाता है ...

— रसेल मैकमोहन

... ऊर्जा, इसलिए कम कुशल है, और गैर-पृथक भी है - लेकिन "सुरक्षित" या उससे कम या अधिक उपयोगी "जो आप प्राप्त करना चाहते हैं, उस पर गहन-अंत है, क्योंकि विन अब स्विच चालू होने पर वाउट को वर्तमान नहीं भेज सकता है। बंद है। SO वास्तव में टोपोलॉजी के बारे में विशिष्ट होने के लिए वास्तव में स्पष्ट कथन बनाने के लिए विशिष्ट होना चाहिए कि ऊर्जा कहां से खट्टी है ...

— रसेल मैकमोहन

... || एक हिरन कनवर्टर मैग्नेटिक्स में ऊर्जा के एक हिस्से को संग्रहीत करता है (वह भाग जो चक्र के स्विच-ऑफ-ऑफ के दौरान दिया जाता है। यह asymptotes शून्य तक पहुंच जाता है क्योंकि Vout विन की ओर बढ़ता है - जो उच्च दक्षता का एक कारण है। हिरन कम डेल्टा V अनुप्रयोगों में हिरन | तो हाँ / नहीं / शायद / निर्भर करता है :-)। विशिष्ट टोपोलॉजी का वर्णन करने की आवश्यकता है।

— रसेल मैकमोहन

Answer 3

स्विच कैपेसिटी के प्रत्येक क्लोजर में ऊर्जा खो जाती है।

यह कम आवृत्ति की लागत पर अधिक से अधिक ऊर्जा भंडारण अंतराल के साथ फ्लाईकोर के लिए एक अव्यवहारिक उत्तर को बढ़ाता है।

आपके पास बहुत सारे मोड़ हैं, लेकिन फिर आप तांबे में अधिक खो रहे हैं।

SIC, GAN, और सिलिकॉन सुपरजंक्शन मस्जिद सभी में एक दशक पहले के सर्वश्रेष्ठ उपकरणों की तुलना में बहुत कम धारिता है। उच्च शक्ति हार्ड स्विचिंग फ्लाईबैक संभव हैं।

सबसे अच्छी तकनीक इसे चालू करने से पहले स्विच पर संग्रहीत कुछ या सभी चार्ज को हटाने के लिए प्रतिध्वनि का उपयोग करती है।

Answer 4

पीक करंट स्विच करें और पीक वॉल्टेज व्यावहारिक पावर आउटपुट को सीमित करते हैं, लेकिन सेमीकंडक्टर्स बेहतर हो रहे हैं। उदाहरण के लिए एक SiC 1200 वोल्ट 100 मीटर ओम मॉसफेट 30 एम्प्स चोटी को बंद कर सकता है। इसलिए कोई भी 1Kw ऑफ लाइन के बारे में सोच सकता है। हालाँकि इन आधुनिक स्विचों में कम स्विचिंग हानियाँ होती हैं लेकिन ट्रांसफार्मर लीकेज इंडक्शन में फंसी हुई ऊर्जा होती है जो उस लोड को प्राप्त नहीं होती है जो जब आप रूढ़िवादी ट्रांसफार्मर तकनीक का उपयोग करते हैं तो आप पाएंगे कि सामान्य आवृत्तियों पर चलने पर किसी भी संभावित स्विचिंग नुकसान से भी बदतर है। एसओ सक्रिय क्लैंप या कुछ भी जो रिसाव को संबोधित करता है, कम नुकसान के साथ उच्च शक्ति का पासपोर्ट है।