Comparación entre el convertidor resonante de medio puente y el convertidor Flyback de medio puente

Comparación entre el convertidor resonante de medio puente y el convertidor Flyback de medio puente

Con el desarrollo de las fuentes de alimentación conmutadas, la tecnología de conmutación suave se ha desarrollado y aplicado ampliamente, y se han estudiado muchas topologías de circuitos de alta eficiencia, principalmente topologías de conmutación suave de tipo PFM y topologías de conmutación suave de tipo PWM.

En los últimos años, con la aplicación generalizada del dispositivo semiconductor GAN de tercera generación y el desarrollo continuo de las fuentes de alimentación PD, esto ha brindado otra oportunidad para el desarrollo de convertidores de potencia. Para los convertidores de medio puente, si se diseñan adecuadamente, se puede lograr una conversión de conmutación suave, de modo que la fuente de alimentación conmutada tenga una mayor eficiencia y reduzca en gran medida el tamaño de la fuente de alimentación.

1 Principios de funcionamiento de dos convertidores.

1.1 Convertidor flyback de medio puente

La Figura 1 y la Figura 2 muestran respectivamente el diagrama del circuito y la forma de onda de trabajo del convertidor flyback de medio puente.

La Figura 1 incluye dos MOSFET de potencia controlada complementarios (S1 y S2), donde el ciclo de trabajo de S1 es D y el ciclo de trabajo de S2 es (1-D); un condensador de bloqueo de CC Cr, cuyo voltaje se utiliza como fuente de alimentación cuando se enciende S2; un transformador Tr con derivación central, cuyas espiras primarias son Np y las espiras secundarias son Ns; un diodo rectificador de salida D1; un condensador de filtro de salida Cout; y resistencias de absorción de pico del tubo rectificador de salida y condensadores R1 y C1.

Como se puede ver en el diagrama esquemático, la parte primaria del convertidor flyback de medio puente es la misma que el convertidor tradicional de medio puente asimétrico (AHB), y la parte secundaria es la misma que el convertidor flyback. El principio de funcionamiento en estado estacionario del convertidor flyback de medio puente es el siguiente.

1) Cuando se enciende S1 y se apaga S2, el lado primario del transformador está sujeto a un voltaje directo y el lado secundario Ns no funciona; el diodo D1 está cortado; el transformador almacena energía;

2) Cuando se enciende S2 y se apaga S1, el voltaje en el capacitor de bloqueo de CC Cr se aplica al lado primario del transformador, el lado secundario Ns2 funciona y el diodo D1 se enciende.

En la Figura 2, n1=Np/Ns y n1=n. Analizando el circuito, se puede obtener la fórmula de cálculo para el ciclo de trabajo D del convertidor flyback de medio puente:

El convertidor resonante de medio puente se conoce comúnmente como convertidor resonante LLC. Las Figuras 3 y 4 muestran el diagrama del circuito y la forma de onda operativa del convertidor resonante de medio puente, respectivamente.

En la Figura 3, hay dos MOSFET de potencia (S1 y S2), ambos con un ciclo de trabajo de 0,5; un condensador resonante Cr, un transformador Tr con toma central y vueltas iguales en el lado secundario, una inductancia de fuga Lk ​​de Tr y una inductancia de excitación Lm. Lm también es un inductor resonante en un cierto período de tiempo. Por lo tanto, los elementos resonantes en el convertidor resonante de medio puente se componen principalmente de los tres elementos resonantes anteriores, a saber, el condensador resonante Cr, el inductor Lk y el inductor excitador Lm; los diodos rectificadores de onda completa de medio puente D1 y D2, y el condensador de salida Cout.

1)〔t1, t2〕Cuando t=t1, S2 se apaga y la corriente resonante descarga la capacitancia parásita de S1 hasta que el voltaje en S1 es cero, y luego se enciende el diodo del cuerpo de S1. En esta etapa, D1 se enciende y el voltaje en Lm queda fijado por el voltaje de salida, por lo que solo Lk y Cr participan en la resonancia.

2)〔t2, t3〕Cuando t=t2, S1 se enciende en condiciones de voltaje cero y el lado primario del transformador se somete a un voltaje directo; D1 continúa encendido y S2 y D2 están apagados. En este momento, Cr y Lk participan en la resonancia, mientras que Lm no participa en la resonancia.

3)〔t3, t4〕Cuando t=t3, S1 todavía está encendido, mientras que D1 y D2 están apagados, y el lado secundario de Tr está desconectado del circuito. En este momento, Lm, Lk y Cr participan juntos en la resonancia. En el circuito real, Lm es mucho mayor que Lk, por lo que se puede considerar que la corriente de excitación y la corriente resonante permanecen sin cambios en esta etapa.

4)〔t4, t5〕Cuando t=t4, S1 se apaga y la corriente resonante descarga la capacitancia parásita de S2 hasta que el voltaje en S2 es cero, y luego se enciende el diodo del cuerpo de S2. En esta etapa, D2 se enciende y el voltaje de salida fija el voltaje en Lm. Por tanto, sólo Lk y Cr participan en la resonancia.

5)〔t5, t6〕Cuando t=t5, S2 se enciende en condiciones de voltaje cero y el lado primario de Tr se somete a voltaje inverso; D2 continúa encendido, mientras que S1 y D1 están apagados. En este momento, solo Cr y Lk participan en la resonancia, y el voltaje en Lm está fijado por el voltaje de salida y no participa en la resonancia.

6)〔t6, t7〕Cuando t=t6, S2 todavía está encendido, mientras que D1 y D2 están apagados, y el lado secundario de Tr está desconectado del circuito. En este momento, Lm, Lk y Cr participan juntos en la resonancia. En el circuito real, Lm es mucho mayor que Lk. Por tanto, se puede considerar que la corriente de excitación y la corriente resonante permanecen sin cambios en esta etapa.

A través del análisis detallado anterior, tenemos una cierta comprensión de los principios de funcionamiento y las características de estos dos tipos de convertidores de conmutación suave. A continuación compararemos las diferencias entre ellos para profundizar aún más nuestra comprensión de ellos.

2 Comparación de las diferencias entre los dos convertidores

Aunque el convertidor flyback de medio puente y el convertidor resonante de medio puente son ambos convertidores de conmutación suave, existen diferencias esenciales entre los dos. El convertidor flyback de medio puente es de tipo PWM, mientras que el convertidor resonante de medio puente es PFM. Por lo tanto, tienen grandes diferencias en los métodos de control, tensión de voltaje del tubo rectificador secundario y tensión de corriente del lado primario. Estas diferencias se analizarán en detalle a continuación.

2.1 Comparación de métodos de control

El convertidor flyback de medio puente ajusta el voltaje de salida ajustando el ciclo de trabajo del tubo del interruptor. Cuando el rango de variación del voltaje de entrada es relativamente grande, el rango de variación del ciclo de trabajo del tubo del interruptor también es relativamente grande. En teoría, el ciclo de trabajo del convertidor flyback de medio puente puede exceder 0,5, adaptándose así a un rango de voltaje de entrada más amplio. Por lo tanto, las características del tiempo de mantenimiento en apagado del convertidor flyback de medio puente son relativamente buenas y pueden usarse ampliamente en ocasiones con requisitos relativamente altos de tiempo de mantenimiento en apagado.

En comparación con el convertidor flyback de medio puente, el convertidor resonante de medio puente ajusta el voltaje de salida ajustando la frecuencia de conmutación, es decir, su ciclo de trabajo permanece sin cambios bajo diferentes voltajes de entrada. Teóricamente, el ciclo de trabajo del convertidor resonante de medio puente no excederá 0,5. Por lo tanto, en comparación con el convertidor flyback de medio puente, su rango de voltaje de entrada es relativamente estrecho y las características del tiempo de mantenimiento en apagado son relativamente pobres.

2.2 Comparación de la tensión de tensión del rectificador secundario

Al analizar el principio de funcionamiento del convertidor flyback de medio puente, se puede obtener el método de cálculo de la tensión de tensión en el diodo secundario como se muestra en la siguiente fórmula:

De esta forma, cuando cambia el voltaje de entrada, se puede entender el cambio del voltaje del diodo secundario.

La Figura 5 muestra el cambio de voltaje en el rectificador secundario cuando el voltaje de salida es de 48 V. Cuando el voltaje de entrada es relativamente alto, el voltaje en D1 es relativamente alto. Por lo tanto, D1 debe utilizar un diodo con una tensión nominal relativamente alta, lo que aumentará la pérdida del circuito y el coste del material.

En las mismas condiciones, la tensión de tensión en el diodo secundario en el convertidor resonante de medio puente es mucho menor que la del convertidor flyback de medio puente, porque la tensión de tensión en el diodo secundario en el convertidor resonante de medio puente es el doble de la tensión de salida. Por lo tanto, se puede seleccionar un diodo con una tensión soportada relativamente baja en el convertidor resonante de medio puente, mejorando así la eficiencia del circuito y reduciendo el coste del material.

2.3 Comparación del encendido del diodo secundario

Del análisis del convertidor flyback de medio puente, se puede ver que su diodo secundario está encendido y la pérdida es relativamente grande; mientras que del análisis del convertidor resonante de medio puente se puede ver que su diodo secundario es un interruptor de corriente cero y la pérdida es relativamente pequeña, lo que puede mejorar la eficiencia del convertidor. Por lo tanto, en teoría, la eficiencia general del convertidor flyback de medio puente es ligeramente peor que la del convertidor resonante de medio puente (pero aún mucho mejor que la de otros convertidores).

2.4 Otros aspectos

Primero, en el convertidor flyback de medio puente, los ciclos de trabajo de los interruptores superior e inferior son complementarios, por lo que el transformador en el convertidor flyback de medio puente tiene un fenómeno de polarización de CC; mientras que en el convertidor resonante de medio puente, los ciclos de trabajo de los interruptores superior e inferior son iguales, por lo que el transformador en el convertidor resonante de medio puente no tiene un fenómeno de polarización de CC.

En segundo lugar, el convertidor resonante de medio puente ajusta el voltaje de salida ajustando la frecuencia de funcionamiento del tubo del interruptor, por lo que para el convertidor resonante de medio puente es más complicado lograr el control de rectificación sincrónica; mientras que el convertidor flyback de medio puente ajusta el voltaje de salida ajustando el ciclo de trabajo del tubo del interruptor, por lo que para el convertidor flyback de medio puente, es relativamente sencillo lograr el control de rectificación sincrónica.

2.5 Estrés actual

A través del análisis del convertidor resonante de medio puente, se puede ver que su tensión actual es relativamente alta y la ondulación de la corriente de salida es relativamente grande; mientras que en el convertidor flyback de medio puente, la tensión actual es relativamente baja y la ondulación de la corriente de salida es relativamente pequeña.

2.6 Rango de voltaje de salida

A través del análisis del principio de control del convertidor flyback de medio puente, se puede ver que el rango de voltaje de salida del convertidor flyback de medio puente es más amplio, mientras que el rango de voltaje de salida del convertidor resonante de medio puente es muy estrecho. Por lo tanto, en el campo de la fuente de alimentación PD con múltiples voltajes de salida, el convertidor flyback de medio puente es más adecuado y se puede omitir un convertidor CC/CC.

3 Conclusión

A través del análisis y la investigación del convertidor flyback de medio puente y el convertidor resonante de medio puente, y la comparación de sus métodos de control, estrés de voltaje del rectificador secundario y apertura secundaria, se puede saber que el convertidor resonante de medio puente es más adecuado para la demanda de desarrollo de suministro de energía para alta eficiencia; mientras que el convertidor flyback de medio puente es más adecuado para el campo de la fuente de alimentación PD.