Perbandingan antara Konverter Resonansi Setengah Jembatan dan Konverter Flyback Setengah Jembatan

Perbandingan antara Konverter Resonansi Setengah Jembatan dan Konverter Flyback Setengah Jembatan

Dengan berkembangnya catu daya switching, teknologi soft switching telah dikembangkan dan diterapkan secara luas, dan banyak topologi rangkaian efisiensi tinggi telah dipelajari, terutama topologi soft switching tipe PFM dan topologi soft switching tipe PWM.

Dalam beberapa tahun terakhir, dengan meluasnya penerapan perangkat semikonduktor generasi ketiga GAN dan pengembangan pasokan listrik PD yang berkelanjutan, hal ini telah memberikan peluang lain untuk pengembangan konverter daya. Untuk konverter setengah jembatan, jika dirancang dengan benar, konversi soft switching dapat dicapai, sehingga catu daya switching memiliki efisiensi yang lebih tinggi dan sangat mengurangi ukuran catu daya.

1 Prinsip kerja dua konverter

1.1 Konverter flyback setengah jembatan

Gambar 1 dan Gambar 2 masing-masing menunjukkan diagram rangkaian dan bentuk gelombang kerja konverter flyback setengah jembatan.

Gambar 1 mencakup dua MOSFET daya terkontrol yang saling melengkapi (S1 dan S2), dengan siklus kerja S1 adalah D dan siklus kerja S2 adalah (1-D); kapasitor pemblokiran DC Cr, yang tegangannya digunakan sebagai catu daya ketika S2 dihidupkan; trafo sadap tengah Tr, yang lilitan primernya Np dan lilitan sekundernya Ns; dioda penyearah keluaran D1; kapasitor filter keluaran Cout; dan resistor serapan puncak tabung penyearah keluaran dan kapasitor R1 dan C1.

Seperti dapat dilihat dari diagram skematik, bagian utama dari konverter flyback setengah jembatan sama dengan konverter setengah jembatan asimetris (AHB) tradisional, dan bagian sekundernya sama dengan konverter flyback. Prinsip kerja konverter flyback setengah jembatan pada keadaan tunak adalah sebagai berikut.

1) Ketika S1 dihidupkan dan S2 dimatikan, sisi primer transformator dikenai tegangan maju, dan sisi sekunder Ns tidak berfungsi; dioda D1 terputus; transformator menyimpan energi;

2) Ketika S2 dihidupkan dan S1 dimatikan, tegangan pada kapasitor pemblokiran DC Cr diterapkan pada sisi primer transformator, sisi sekunder Ns2 bekerja, dan dioda D1 dihidupkan.

Pada Gambar 2, n1=Np/Ns, dan n1=n. Dengan menganalisa rangkaian maka diperoleh rumus perhitungan duty cycle D konverter flyback setengah jembatan:

Konverter resonansi setengah jembatan biasanya disebut sebagai konverter resonansi LLC. Gambar 3 dan 4 masing-masing menunjukkan diagram rangkaian dan bentuk gelombang operasi konverter resonansi setengah jembatan.

Pada Gambar 3, terdapat dua MOSFET daya (S1 dan S2), keduanya memiliki siklus kerja 0,5; kapasitor resonansi Cr, trafo pusat-sadap Tr dengan lilitan sama pada sisi sekunder, induktansi bocor Lk dari Tr, dan induktansi menarik Lm. Lm juga merupakan induktor resonansi dalam jangka waktu tertentu. Oleh karena itu, elemen resonansi pada konverter resonansi setengah jembatan terutama terdiri dari tiga elemen resonansi di atas, yaitu kapasitor resonansi Cr, induktor Lk, dan induktor eksitasi Lm; dioda penyearah gelombang penuh setengah jembatan D1 dan D2, dan kapasitor keluaran Cout.

1)〔t1, t2〕Ketika t=t1, S2 dimatikan, dan arus resonansi melepaskan kapasitansi parasit S1 hingga tegangan pada S1 nol, dan kemudian dioda badan S1 dihidupkan. Pada tahap ini D1 dihidupkan, dan tegangan pada Lm dijepit oleh tegangan keluaran, sehingga hanya Lk dan Cr yang ikut serta dalam resonansi.

2)〔t2, t3〕Ketika t=t2, S1 dihidupkan dalam kondisi tegangan nol, dan sisi primer transformator dikenai tegangan maju; D1 terus dihidupkan, dan S2 dan D2 dimatikan. Pada saat ini, Cr dan Lk ikut serta dalam resonansi, sedangkan Lm tidak ikut serta dalam resonansi.

3)〔t3, t4〕Saat t=t3, S1 masih menyala, sedangkan D1 dan D2 dalam keadaan mati, dan sisi sekunder Tr terputus dari rangkaian. Pada saat ini, Lm, Lk dan Cr ikut serta dalam resonansi bersama-sama. Pada rangkaian sebenarnya, Lm jauh lebih besar dari Lk, sehingga dapat dianggap bahwa arus eksitasi dan arus resonansi tetap tidak berubah pada tahap ini.

4)〔t4, t5〕Ketika t=t4, S1 dimatikan, dan arus resonansi melepaskan kapasitansi parasit S2 hingga tegangan pada S2 nol, dan kemudian dioda badan S2 dihidupkan. Pada tahap ini D2 dihidupkan, dan tegangan pada Lm dijepit oleh tegangan keluaran. Oleh karena itu, hanya Lk dan Cr yang ikut serta dalam resonansi.

5)〔t5, t6〕Ketika t=t5, S2 dihidupkan dalam kondisi tegangan nol, dan sisi primer Tr dikenai tegangan balik; D2 terus dihidupkan, sedangkan S1 dan D1 dimatikan. Pada saat ini, hanya Cr dan Lk yang ikut serta dalam resonansi, dan tegangan pada Lm dijepit oleh tegangan keluaran dan tidak ikut serta dalam resonansi.

6)〔t6, t7〕Saat t=t6, S2 masih menyala, sedangkan D1 dan D2 dalam keadaan mati, dan sisi sekunder Tr terputus dari rangkaian. Pada saat ini, Lm, Lk dan Cr ikut serta dalam resonansi bersama-sama. Di sirkuit sebenarnya, Lm jauh lebih besar dari Lk. Oleh karena itu, dapat dianggap bahwa arus eksitasi dan arus resonansi tetap tidak berubah pada tahap ini.

Melalui analisis mendetail di atas, kami memiliki pemahaman tertentu tentang prinsip kerja dan karakteristik kedua jenis konverter soft-switching ini. Berikut ini akan dibandingkan perbedaan di antara keduanya untuk lebih memperdalam pemahaman kita mengenai keduanya.

2 Perbandingan perbedaan kedua konverter

Meskipun konverter flyback setengah jembatan dan konverter resonansi setengah jembatan keduanya merupakan konverter soft-switching, terdapat perbedaan mendasar di antara keduanya. Konverter flyback setengah jembatan adalah tipe PWM, sedangkan konverter resonansi setengah jembatan adalah PFM. Oleh karena itu, mereka memiliki perbedaan besar dalam metode kontrol, tegangan tegangan pada tabung penyearah sekunder, dan tegangan arus pada sisi primer. Perbedaan-perbedaan ini akan dianalisis secara rinci di bawah ini.

2.1 Perbandingan metode pengendalian

Konverter flyback setengah jembatan menyesuaikan tegangan keluaran dengan menyesuaikan siklus kerja tabung sakelar. Ketika rentang variasi tegangan masukan relatif besar, rentang variasi siklus kerja tabung sakelar juga relatif besar. Secara teori, siklus kerja konverter flyback setengah jembatan dapat melebihi 0,5, sehingga beradaptasi dengan rentang tegangan masukan yang lebih luas. Oleh karena itu, karakteristik waktu pemeliharaan pemadaman listrik dari konverter flyback setengah jembatan relatif baik, dan dapat digunakan secara luas pada saat-saat dengan persyaratan waktu pemeliharaan pemadaman listrik yang relatif tinggi.

Dibandingkan dengan konverter flyback setengah jembatan, konverter resonansi setengah jembatan menyesuaikan tegangan keluaran dengan menyesuaikan frekuensi switching, yaitu siklus kerjanya tetap tidak berubah pada tegangan masukan yang berbeda. Secara teoritis, siklus kerja konverter resonansi setengah jembatan tidak akan melebihi 0,5. Oleh karena itu, dibandingkan dengan konverter flyback setengah jembatan, rentang tegangan masukannya relatif sempit dan karakteristik waktu pemeliharaan pemadaman listrik relatif buruk.

2.2 Perbandingan tegangan tegangan penyearah sekunder

Dengan menganalisis prinsip kerja konverter flyback setengah jembatan, maka dapat diperoleh cara perhitungan tegangan tegangan pada dioda sekunder seperti pada rumus berikut:

Dengan cara ini, ketika tegangan masukan berubah, perubahan tegangan dioda sekunder dapat dipahami.

Gambar 5 menunjukkan perubahan tegangan pada penyearah sekunder ketika tegangan keluaran 48V. Ketika tegangan masukan relatif tinggi, tegangan pada D1 relatif tinggi. Oleh karena itu, D1 harus menggunakan dioda dengan tegangan ketahanan yang relatif tinggi, yang akan meningkatkan kerugian rangkaian dan biaya material.

Pada kondisi yang sama, tegangan tegangan pada dioda sekunder pada konverter resonansi setengah jembatan jauh lebih kecil dibandingkan pada konverter flyback setengah jembatan, karena tegangan tegangan pada dioda sekunder pada konverter resonansi setengah jembatan adalah dua kali tegangan keluaran. Oleh karena itu, dioda dengan tegangan tahan yang relatif rendah dapat dipilih dalam konverter resonansi setengah jembatan, sehingga meningkatkan efisiensi rangkaian dan mengurangi biaya material.

2.3 Perbandingan penyalaan dioda sekunder

Dari analisa konverter flyback setengah jembatan terlihat bahwa dioda sekundernya hard-on, dan rugi-ruginya relatif besar; Sedangkan dari analisa konverter resonansi setengah jembatan terlihat bahwa dioda sekundernya merupakan saklar arus nol, dan rugi-ruginya relatif kecil sehingga dapat meningkatkan efisiensi konverter. Oleh karena itu, secara teori, efisiensi keseluruhan konverter flyback setengah jembatan sedikit lebih buruk dibandingkan konverter resonansi setengah jembatan (tetapi masih jauh lebih baik daripada konverter lainnya).

2.4 Aspek lainnya

Pertama, pada konverter flyback setengah jembatan, siklus kerja sakelar atas dan bawah saling melengkapi, sehingga transformator pada konverter flyback setengah jembatan memiliki fenomena bias DC; sedangkan pada konverter resonansi setengah jembatan, siklus kerja sakelar atas dan bawah adalah sama, sehingga transformator pada konverter resonansi setengah jembatan tidak mengalami fenomena bias DC.

Kedua, konverter resonansi setengah jembatan menyesuaikan tegangan keluaran dengan menyesuaikan frekuensi pengoperasian tabung sakelar, sehingga untuk konverter resonansi setengah jembatan, lebih rumit untuk mencapai kontrol rektifikasi sinkron; sedangkan konverter flyback setengah jembatan menyesuaikan tegangan keluaran dengan menyesuaikan siklus kerja tabung sakelar, sehingga untuk konverter flyback setengah jembatan, relatif mudah untuk mencapai kontrol rektifikasi sinkron.

2.5 Stres saat ini

Melalui analisis konverter resonansi setengah jembatan terlihat bahwa tegangan arusnya relatif tinggi dan riak arus keluarannya relatif besar; sedangkan pada konverter flyback setengah jembatan, tegangan arus relatif rendah dan riak arus keluaran relatif kecil.

2.6 Rentang tegangan keluaran

Melalui analisis prinsip kendali konverter flyback setengah jembatan terlihat bahwa rentang tegangan keluaran konverter flyback setengah jembatan lebih lebar, sedangkan rentang tegangan keluaran konverter resonansi setengah jembatan sangat sempit. Oleh karena itu, di bidang catu daya PD dengan beberapa tegangan keluaran, konverter flyback setengah jembatan lebih cocok, dan konverter DC/DC dapat dihilangkan.

3 Kesimpulan

Melalui analisis dan penelitian konverter flyback setengah jembatan dan konverter resonansi setengah jembatan, serta perbandingan metode pengendaliannya, tegangan penyearah sekunder dan bukaan sekunder, dapat diketahui bahwa konverter resonansi setengah jembatan lebih cocok untuk kebutuhan pengembangan catu daya untuk efisiensi tinggi; sedangkan konverter flyback setengah jembatan lebih cocok untuk bidang catu daya PD.