Comparação entre conversor ressonante de meia ponte e conversor flyback de meia ponte

Comparação entre conversor ressonante de meia ponte e conversor flyback de meia ponte

Com o desenvolvimento de fontes de alimentação chaveadas, a tecnologia de comutação suave tem sido amplamente desenvolvida e aplicada, e muitas topologias de circuito de alta eficiência foram estudadas, principalmente topologias de comutação suave do tipo PFM e topologias de comutação suave do tipo PWM.

Nos últimos anos, com a ampla aplicação do dispositivo semicondutor de terceira geração GAN e o desenvolvimento contínuo de fontes de alimentação PD, isso proporcionou outra oportunidade para o desenvolvimento de conversores de energia. Para conversores de meia ponte, se projetados corretamente, a conversão de comutação suave pode ser alcançada, de modo que a fonte de alimentação chaveada tenha maior eficiência e reduza bastante o tamanho da fonte de alimentação.

1 Princípios de funcionamento de dois conversores

1.1 Conversor flyback meia ponte

A Figura 1 e a Figura 2 mostram, respectivamente, o diagrama do circuito e a forma de onda de trabalho do conversor flyback meia ponte.

A Figura 1 inclui dois MOSFETs de potência controlados complementares (S1 e S2), onde o ciclo de trabalho de S1 é D e o ciclo de trabalho de S2 é (1-D); um capacitor de bloqueio CC Cr, cuja tensão é utilizada como fonte de alimentação quando S2 é ligado; um transformador com derivação central Tr, cujas espiras primárias são Np e as espiras secundárias são Ns; um diodo retificador de saída D1; um capacitor de filtro de saída Cout; e resistores de absorção de pico do tubo retificador de saída e capacitores R1 e C1.

Como pode ser visto no diagrama esquemático, a parte primária do conversor flyback de meia ponte é a mesma do conversor de meia ponte assimétrica tradicional (AHB), e a parte secundária é a mesma do conversor flyback. O princípio de funcionamento em estado estacionário do conversor flyback meia ponte é o seguinte.

1) Quando S1 é ligado e S2 desligado, o lado primário do transformador é submetido a uma tensão direta e o lado secundário Ns não funciona; o diodo D1 está desligado; o transformador armazena energia;

2) Quando S2 é ligado e S1 desligado, a tensão no capacitor de bloqueio CC Cr é aplicada ao lado primário do transformador, o lado secundário Ns2 funciona e o diodo D1 é ligado.

Na Figura 2, n1=Np/Ns e n1=n. Ao analisar o circuito, pode-se obter a fórmula de cálculo do ciclo de trabalho D do conversor flyback meia ponte:

O conversor ressonante de meia ponte é comumente referido como conversor ressonante LLC. As Figuras 3 e 4 mostram o diagrama do circuito e a forma de onda operacional do conversor ressonante meia ponte, respectivamente.

Na Figura 3, existem dois MOSFETs de potência (S1 e S2), ambos com ciclo de trabalho de 0,5; um capacitor ressonante Cr, um transformador com derivação central Tr com espiras iguais no lado secundário, uma indutância de fuga Lk ​​de Tr e uma indutância de excitação Lm. Lm também é um indutor ressonante em um determinado período de tempo. Portanto, os elementos ressonantes no conversor ressonante de meia ponte são compostos principalmente pelos três elementos ressonantes acima, a saber, o capacitor ressonante Cr, o indutor Lk e o indutor excitante Lm; os diodos retificadores de onda completa de meia ponte D1 e D2 e ​​o capacitor de saída Cout.

1)〔t1, t2〕Quando t=t1, S2 é desligado, e a corrente ressonante descarrega a capacitância parasita de S1 até que a tensão em S1 seja zero, e então o diodo do corpo de S1 é ligado. Neste estágio, D1 é ligado e a tensão em Lm é fixada pela tensão de saída, de modo que apenas Lk e Cr participam da ressonância.

2)〔t2, t3〕Quando t=t2, S1 é ligado sob condições de tensão zero, e o lado primário do transformador é submetido a uma tensão direta; D1 continua ligado e S2 e D2 estão desligados. Neste momento, Cr e Lk participam da ressonância, enquanto Lm não participa da ressonância.

3)〔t3, t4〕Quando t=t3, S1 ainda está ligado, enquanto D1 e D2 estão no estado desligado, e o lado secundário de Tr está desconectado do circuito. Neste momento, Lm, Lk e Cr participam juntos da ressonância. No circuito real, Lm é muito maior que Lk, portanto pode-se considerar que a corrente de excitação e a corrente ressonante permanecem inalteradas neste estágio.

4)〔t4, t5〕Quando t=t4, S1 é desligado, e a corrente ressonante descarrega a capacitância parasita de S2 até que a tensão em S2 seja zero, e então o diodo do corpo de S2 é ligado. Neste estágio, D2 é ligado e a tensão em Lm é fixada pela tensão de saída. Portanto, apenas Lk e Cr participam da ressonância.

5)〔t5, t6〕Quando t=t5, S2 é ligado sob condições de tensão zero, e o lado primário de Tr é submetido à tensão reversa; D2 continua ligado, enquanto S1 e D1 estão desligados. Neste momento, apenas Cr e Lk participam da ressonância, e a tensão em Lm é fixada pela tensão de saída e não participa da ressonância.

6)〔t6, t7〕Quando t=t6, S2 ainda está ligado, enquanto D1 e D2 estão no estado desligado, e o lado secundário de Tr está desconectado do circuito. Neste momento, Lm, Lk e Cr participam juntos da ressonância. No circuito real, Lm é muito maior que Lk. Portanto, pode-se considerar que a corrente de excitação e a corrente ressonante permanecem inalteradas nesta fase.

Através da análise detalhada acima, temos uma certa compreensão dos princípios de funcionamento e das características desses dois tipos de conversores de comutação suave. A seguir compararemos as diferenças entre eles para aprofundar ainda mais nossa compreensão sobre eles.

2 Comparação das diferenças entre os dois conversores

Embora o conversor flyback de meia ponte e o conversor ressonante de meia ponte sejam ambos conversores de comutação suave, existem diferenças essenciais entre os dois. O conversor flyback meia ponte é do tipo PWM, enquanto o conversor ressonante meia ponte é PFM. Portanto, eles apresentam grandes diferenças nos métodos de controle, tensão de tensão do tubo retificador secundário e tensão de corrente do lado primário. Essas diferenças serão analisadas em detalhes a seguir.

2.1 Comparação de métodos de controle

O conversor flyback de meia ponte ajusta a tensão de saída ajustando o ciclo de trabalho do tubo de comutação. Quando a faixa de variação da tensão de entrada é relativamente grande, a faixa de variação do ciclo de trabalho do tubo da chave também é relativamente grande. Em teoria, o ciclo de trabalho do conversor flyback de meia ponte pode exceder 0,5, adaptando-se assim a uma faixa mais ampla de tensão de entrada. Portanto, as características do tempo de manutenção de desligamento do conversor flyback de meia ponte são relativamente boas e podem ser amplamente utilizadas em ocasiões com requisitos relativamente altos de tempo de manutenção de desligamento.

Comparado com o conversor flyback de meia ponte, o conversor ressonante de meia ponte ajusta a tensão de saída ajustando a frequência de comutação, ou seja, seu ciclo de trabalho permanece inalterado sob diferentes tensões de entrada. Teoricamente, o ciclo de trabalho do conversor ressonante meia ponte não excederá 0,5. Portanto, em comparação com o conversor flyback de meia ponte, sua faixa de tensão de entrada é relativamente estreita e as características do tempo de manutenção de desligamento são relativamente pobres.

2.2 Comparação do estresse de tensão do retificador secundário

Ao analisar o princípio de funcionamento do conversor flyback meia ponte, o método de cálculo da tensão de tensão no diodo secundário pode ser obtido conforme mostrado na seguinte fórmula:

Desta forma, quando a tensão de entrada muda, a mudança na tensão do diodo secundário pode ser entendida.

A Figura 5 mostra a mudança de tensão no retificador secundário quando a tensão de saída é 48V. Quando a tensão de entrada é relativamente alta, a tensão em D1 é relativamente alta. Portanto, D1 deve usar um diodo com uma tensão suportável relativamente alta, o que aumentará a perda do circuito e o custo do material.

Nas mesmas condições, a tensão de tensão no diodo secundário no conversor ressonante de meia ponte é muito menor do que no conversor flyback de meia ponte, porque a tensão de tensão no diodo secundário no conversor ressonante de meia ponte é duas vezes a tensão de saída. Portanto, um diodo com tensão suportável relativamente baixa pode ser selecionado no conversor ressonante de meia ponte, melhorando assim a eficiência do circuito e reduzindo o custo do material.

2.3 Comparação da ativação do diodo secundário

A partir da análise do conversor flyback de meia ponte, pode-se observar que seu diodo secundário é rígido e a perda é relativamente grande; enquanto a partir da análise do conversor ressonante meia ponte, pode-se observar que seu diodo secundário é uma chave de corrente zero, e a perda é relativamente pequena, o que pode melhorar a eficiência do conversor. Portanto, em teoria, a eficiência geral do conversor flyback de meia ponte é um pouco pior do que a do conversor ressonante de meia ponte (mas ainda muito melhor do que outros conversores).

2.4 Outros aspectos

Primeiro, no conversor flyback de meia ponte, os ciclos de trabalho das chaves superior e inferior são complementares, de modo que o transformador no conversor flyback de meia ponte tem um fenômeno de polarização CC; enquanto no conversor ressonante de meia ponte, os ciclos de trabalho das chaves superior e inferior são iguais, de modo que o transformador no conversor ressonante de meia ponte não possui um fenômeno de polarização CC.

Em segundo lugar, o conversor ressonante de meia ponte ajusta a tensão de saída ajustando a frequência de operação do tubo de comutação, portanto, para o conversor ressonante de meia ponte, é mais complicado obter o controle de retificação síncrona; enquanto o conversor flyback de meia ponte ajusta a tensão de saída ajustando o ciclo de trabalho do tubo de comutação, portanto, para o conversor flyback de meia ponte, é relativamente simples obter o controle de retificação síncrona.

2.5 Estresse atual

Através da análise do conversor ressonante de meia ponte, pode-se observar que sua tensão de corrente é relativamente alta e a ondulação da corrente de saída é relativamente grande; enquanto no conversor flyback de meia ponte, a tensão da corrente é relativamente baixa e a ondulação da corrente de saída é relativamente pequena.

2.6 Faixa de tensão de saída

Através da análise do princípio de controle do conversor flyback de meia ponte, pode-se observar que a faixa de tensão de saída do conversor flyback de meia ponte é mais ampla, enquanto a faixa de tensão de saída do conversor ressonante de meia ponte é muito estreita. Portanto, no campo da fonte de alimentação PD com múltiplas tensões de saída, o conversor flyback meia ponte é mais adequado, e um conversor DC/DC pode ser omitido.

3 Conclusão

Através da análise e pesquisa do conversor flyback de meia ponte e do conversor ressonante de meia ponte, e da comparação de seus métodos de controle, tensão de tensão do retificador secundário e abertura secundária, pode-se saber que o conversor ressonante de meia ponte é mais adequado para a demanda de desenvolvimento de fonte de alimentação para alta eficiência; enquanto o conversor flyback meia ponte é mais adequado para o campo de fonte de alimentação PD.