Confronto tra convertitore risonante a mezzo ponte e convertitore flyback a mezzo ponte

Confronto tra convertitore risonante a mezzo ponte e convertitore flyback a mezzo ponte

Con lo sviluppo degli alimentatori a commutazione, la tecnologia di commutazione soft è stata ampiamente sviluppata e applicata e sono state studiate molte topologie di circuiti ad alta efficienza, principalmente topologie di commutazione soft di tipo PFM e topologie di commutazione soft di tipo PWM.

Negli ultimi anni, con l'applicazione diffusa del dispositivo a semiconduttore di terza generazione GAN e il continuo sviluppo degli alimentatori PD, ciò ha offerto un'altra opportunità per lo sviluppo di convertitori di potenza. Per i convertitori a mezzo ponte, se progettati correttamente, è possibile ottenere una conversione soft switching, in modo che l'alimentatore switching abbia un'efficienza maggiore e riduca notevolmente le dimensioni dell'alimentatore.

1 Principio di funzionamento di due convertitori

1.1 Convertitore flyback a mezzo ponte

La Figura 1 e la Figura 2 mostrano rispettivamente lo schema circuitale e la forma d'onda di lavoro del convertitore flyback a mezzo ponte.

La Figura 1 include due MOSFET di potenza controllati complementari (S1 e S2), dove il ciclo di lavoro di S1 ​​è D e il ciclo di lavoro di S2 è (1-D); un condensatore di blocco DC Cr, la cui tensione viene utilizzata come alimentazione quando S2 è acceso; un trasformatore Tr con presa centrale, le cui spire primarie sono Np e le spire secondarie sono Ns; un diodo raddrizzatore di uscita D1; un condensatore di filtro di uscita Cout; e resistori di assorbimento di picco del tubo raddrizzatore di uscita e condensatori R1 e C1.

Come si può vedere dal diagramma schematico, la parte primaria del convertitore flyback a mezzo ponte è la stessa del tradizionale convertitore asimmetrico a mezzo ponte (AHB) e la parte secondaria è la stessa del convertitore flyback. Il principio di funzionamento stazionario del convertitore flyback a mezzo ponte è il seguente.

1) Quando S1 è acceso e S2 è spento, il lato primario del trasformatore è soggetto ad una tensione diretta e il lato secondario Ns non funziona; il diodo D1 è interrotto; il trasformatore immagazzina energia;

2) Quando S2 è acceso e S1 è spento, la tensione sul condensatore di blocco CC Cr viene applicata al lato primario del trasformatore, il lato secondario Ns2 funziona e il diodo D1 è acceso.

Nella Figura 2, n1=Np/Ns e n1=n. Analizzando il circuito si può ottenere la formula di calcolo del duty cycle D del convertitore flyback a mezzo ponte:

Il convertitore risonante a mezzo ponte è comunemente indicato come convertitore risonante LLC. Le Figure 3 e 4 mostrano rispettivamente lo schema circuitale e la forma d'onda operativa del convertitore risonante a semiponte.

Nella Figura 3 sono presenti due MOSFET di potenza (S1 e S2), entrambi con ciclo di lavoro pari a 0,5; un condensatore risonante Cr, un trasformatore con presa centrale Tr con spire uguali sul lato secondario, un'induttanza di dispersione Lk di Tr e un'induttanza di eccitazione Lm. Lm è anche un induttore risonante in un certo periodo di tempo. Pertanto, gli elementi risonanti nel convertitore risonante a semiponte sono composti principalmente dai tre elementi risonanti di cui sopra, vale a dire il condensatore risonante Cr, l'induttore Lk e l'induttore eccitante Lm; i diodi raddrizzatori a onda intera a semiponte D1 e D2 e ​​il condensatore di uscita Cout.

1)〔t1, t2〕Quando t=t1, S2 è spento e la corrente risonante scarica la capacità parassita di S1 ​​fino a quando la tensione su S1 è zero, quindi il diodo corporeo di S1 ​​viene acceso. In questa fase, D1 è acceso e la tensione su Lm è bloccata dalla tensione di uscita, quindi solo Lk e Cr partecipano alla risonanza.

2)〔t2, t3〕Quando t=t2, S1 è acceso in condizioni di tensione zero e il lato primario del trasformatore è soggetto a una tensione diretta; D1 continua ad essere acceso e S2 e D2 sono spenti. In questo momento Cr e Lk partecipano alla risonanza, mentre Lm non partecipa alla risonanza.

3)〔t3, t4〕Quando t=t3, S1 è ancora acceso, mentre D1 e D2 sono spenti e il lato secondario di Tr è scollegato dal circuito. In questo momento Lm, Lk e Cr partecipano insieme alla risonanza. Nel circuito reale, Lm è molto maggiore di Lk, quindi si può considerare che la corrente di eccitazione e la corrente di risonanza rimangono invariate in questa fase.

4)〔t4, t5〕Quando t=t4, S1 è spento e la corrente risonante scarica la capacità parassita di S2 fino a quando la tensione su S2 è zero, quindi il diodo corporeo di S2 viene acceso. In questa fase, D2 è acceso e la tensione su Lm è bloccata dalla tensione di uscita. Pertanto solo Lk e Cr partecipano alla risonanza.

5)〔t5, t6〕Quando t=t5, S2 è acceso in condizioni di tensione zero e il lato primario di Tr è soggetto a tensione inversa; D2 continua ad essere acceso, mentre S1 e D1 sono spenti. In questo momento, solo Cr e Lk partecipano alla risonanza e la tensione su Lm è bloccata dalla tensione di uscita e non partecipa alla risonanza.

6)〔t6, t7〕Quando t=t6, S2 è ancora acceso, mentre D1 e D2 sono spenti e il lato secondario di Tr è scollegato dal circuito. In questo momento Lm, Lk e Cr partecipano insieme alla risonanza. Nel circuito reale Lm è molto più grande di Lk. Si può quindi ritenere che in questa fase la corrente di eccitazione e la corrente di risonanza rimangano invariate.

Attraverso l'analisi dettagliata di cui sopra, abbiamo una certa comprensione dei principi di funzionamento e delle caratteristiche di questi due tipi di convertitori a commutazione graduale. Di seguito verranno confrontate le differenze tra loro per approfondirne ulteriormente la comprensione.

2 Confronto delle differenze tra i due convertitori

Sebbene il convertitore flyback a mezzo ponte e il convertitore risonante a mezzo ponte siano entrambi convertitori a commutazione morbida, esistono differenze essenziali tra i due. Il convertitore flyback a mezzo ponte è di tipo PWM, mentre il convertitore risonante a mezzo ponte è PFM. Pertanto, presentano grandi differenze nei metodi di controllo, nella sollecitazione di tensione del tubo raddrizzatore secondario e nella sollecitazione di corrente del lato primario. Queste differenze verranno analizzate in dettaglio di seguito.

2.1 Confronto dei metodi di controllo

Il convertitore flyback a mezzo ponte regola la tensione di uscita regolando il ciclo di lavoro del tubo interruttore. Quando l'intervallo di variazione della tensione di ingresso è relativamente ampio, anche l'intervallo di variazione del ciclo di lavoro del tubo interruttore è relativamente ampio. In teoria, il ciclo di lavoro del convertitore flyback a mezzo ponte può superare 0,5, adattandosi così a un intervallo di tensione di ingresso più ampio. Pertanto, le caratteristiche del tempo di manutenzione allo spegnimento del convertitore flyback a mezzo ponte sono relativamente buone e possono essere ampiamente utilizzate in occasioni con requisiti relativamente elevati di tempo di manutenzione allo spegnimento.

Rispetto al convertitore flyback a mezzo ponte, il convertitore risonante a mezzo ponte regola la tensione di uscita regolando la frequenza di commutazione, ovvero il suo ciclo di lavoro rimane invariato con diverse tensioni di ingresso. Teoricamente, il ciclo di lavoro del convertitore risonante a semiponte non supererà 0,5. Pertanto, rispetto al convertitore flyback a mezzo ponte, il suo intervallo di tensione di ingresso è relativamente ristretto e le caratteristiche del tempo di mantenimento dello spegnimento sono relativamente scarse.

2.2 Confronto delle sollecitazioni di tensione del raddrizzatore secondario

Analizzando il principio di funzionamento del convertitore flyback a mezzo ponte, è possibile ottenere il metodo di calcolo della sollecitazione di tensione sul diodo secondario come mostrato nella seguente formula:

In questo modo, quando cambia la tensione di ingresso, è possibile comprendere la variazione della tensione del diodo secondario.

La Figura 5 mostra la variazione della tensione sul raddrizzatore secondario quando la tensione di uscita è 48 V. Quando la tensione di ingresso è relativamente alta, la tensione su D1 è relativamente alta. Pertanto, D1 deve utilizzare un diodo con una tensione di resistenza nominale relativamente elevata, che aumenterà la perdita del circuito e il costo del materiale.

Nelle stesse condizioni, la sollecitazione di tensione sul diodo secondario nel convertitore risonante a mezzo ponte è molto inferiore a quella del convertitore flyback a mezzo ponte, poiché la sollecitazione di tensione sul diodo secondario nel convertitore risonante a mezzo ponte è doppia della tensione di uscita. Pertanto, nel convertitore risonante a mezzo ponte è possibile selezionare un diodo con una tensione di tenuta relativamente bassa, migliorando così l'efficienza del circuito e riducendo il costo del materiale.

2.3 Confronto tra l'accensione del diodo secondario

Dall'analisi del convertitore flyback a mezzo ponte, si può vedere che il suo diodo secondario è rigido e la perdita è relativamente grande; mentre dall'analisi del convertitore risonante a mezzo ponte, si può vedere che il suo diodo secondario è un interruttore a corrente zero e la perdita è relativamente piccola, il che può migliorare l'efficienza del convertitore. Pertanto, in teoria, l'efficienza complessiva del convertitore flyback a mezzo ponte è leggermente peggiore di quella del convertitore risonante a mezzo ponte (ma comunque di gran lunga migliore rispetto ad altri convertitori).

2.4 Altri aspetti

Innanzitutto, nel convertitore flyback a mezzo ponte, i cicli di lavoro degli interruttori superiore e inferiore sono complementari, quindi il trasformatore nel convertitore flyback a mezzo ponte presenta un fenomeno di polarizzazione CC; mentre nel convertitore risonante a mezzo ponte, i cicli di lavoro degli interruttori superiore e inferiore sono uguali, quindi il trasformatore nel convertitore risonante a mezzo ponte non presenta un fenomeno di polarizzazione CC.

In secondo luogo, il convertitore risonante a mezzo ponte regola la tensione di uscita regolando la frequenza operativa del tubo dell'interruttore, quindi per il convertitore risonante a mezzo ponte è più complicato ottenere il controllo della rettifica sincrona; mentre il convertitore flyback a mezzo ponte regola la tensione di uscita regolando il ciclo di lavoro del tubo interruttore, quindi per il convertitore flyback a mezzo ponte è relativamente semplice ottenere il controllo della rettifica sincrona.

2.5 Stress attuale

Attraverso l'analisi del convertitore risonante a semiponte, si può vedere che la sua sollecitazione attuale è relativamente elevata e l'ondulazione della corrente di uscita è relativamente grande; mentre nel convertitore flyback a mezzo ponte, lo stress di corrente è relativamente basso e l'ondulazione della corrente di uscita è relativamente piccola.

2.6 Intervallo della tensione di uscita

Analizzando il principio di controllo del convertitore flyback a mezzo ponte, si può vedere che l'intervallo di tensione di uscita del convertitore flyback a mezzo ponte è più ampio, mentre l'intervallo di tensione di uscita del convertitore risonante a mezzo ponte è molto ristretto. Pertanto, nel campo dell'alimentazione PD con tensioni di uscita multiple, il convertitore flyback a mezzo ponte è più adatto e si può omettere un convertitore CC/CC.

3 Conclusione

Attraverso l'analisi e la ricerca del convertitore flyback a mezzo ponte e del convertitore risonante a mezzo ponte e il confronto dei loro metodi di controllo, sollecitazione della tensione del raddrizzatore secondario e apertura secondaria, si può sapere che il convertitore risonante a mezzo ponte è più adatto per la richiesta di sviluppo di un'alimentazione elettrica ad alta efficienza; mentre il convertitore flyback a mezzo ponte è più adatto al campo dell'alimentazione PD.