İleri Dönüştürücü Transformatör: Anahtar Açıkken Akan Güç

Giriş — nedir ve ne içindir?

Musluk hâlâ akıyorken bir kova ekibinin el ele su geçirdiğini hayal edin. İleri dönüştürücü transformatör, ana anahtar açıkken enerjiyi doğrudan girişten çıkışa aktaran "bir çift eldir". Yaklaşık 100 W ila birkaç yüz watt aralığında izole edilmiş DC-DC güç kaynaklarının (endüstriyel modüller, telekom "tuğla" kaynakları ve sunucu güç aşamaları) sessiz çalışma gücüdür. Telefon şarj cihazındaki geri dönüş transformatörünün aksine, manyetik çekirdeğinde enerji depolamaz; sadece voltajı ölçeklendirir ve galvanik izolasyon sağlayarak yumuşatma işini ayrı bir çıkış indüktörüne aktarır.

Prensip ve türleri

İleriye dönük dönüştürücü, özünde izole edilmiş bir parasal dönüştürücüdür . Birincil MOSFET açıldığında, giriş voltajı birincil sargıda belirir ve gerçek zamanlı olarak ikincil sargıya dönüştürülür; ikincil doğrultucu akımı yüke ve çıkış filtresi indüktörüne besler. Çıkış akımının düzgün kalmasının ve dalgalanmanın düşük olmasının nedeni budur.

Yakalama, çekirdeğin mıknatıslanma enerjisidir. Çekirdek yalnızca bir yönde (tek kutuplu) sürülür, dolayısıyla mıknatıslanma enerjisi her döngüde kaldırılmadığı sürece, akı döngüden döngüye "yukarı doğru yürür" ve çekirdek doyurulur - genellikle birkaç döngü içinde anahtarı yok eder (Skyworks AN1348; Microchip SMPS Topolojileri). Bu, çekirdek sıfırlamayı zorunlu hale getirir.

Üç sıfırlama şeması yaygındır:

Sıfırlama sargısı (üçüncül): Tipik olarak birincil ile aynı dönüş sayısına sahip ekstra bir sargı, mıknatıslama akımını bir diyot aracılığıyla girişe geri döndürür. Volt-saniye dengesi kuvvetleri sıfırlama süresi = açık zaman, dolayısıyla maksimum görev döngüsü %50'dir (pratik tasarımlarda yaklaşık %45 kullanılır).

RCD kelepçesi : basittir ancak enerjiyi dirençte dağıtır.

Aktif kelepçe : enerjiyi geri dönüştürür ve sıfır voltaj anahtarlamasına olanak tanır; en yüksek verimlilik seçeneği.

Popüler bir varyant , iki anahtarlı ileridir : iki MOSFET artı iki kıskaç diyot, mıknatıslama enerjisini otomatik olarak geri döndürür, anahtar voltajını girişe kenetler ve sıfırlama sargısına ihtiyaç duymaz (Microchip; ElectronicsGuide).

Uygulama örneği

36–72 V giriş veriyolundan beslenen 120 W, 48 V telekom beslemesini düşünün. Transformatör voltajı düşürür ve 48 V rayını izole eder. Çıkış kabaca VOUT ≈ VIN × D × (NS/NP)'ye uyar; düşük girişte kontrolör, çekirdeğin sıfırlanmasını güvende tutmak için görev döngüsü D'yi %50'ye doğru yükseltir, ancak asla geçmez. Burada geri dönüş yerine ileri doğru seçilir çünkü sürekli indüktör akımı düşük çıkış dalgalanması verir ve ikincil RMS akımı - dolayısıyla bakır kaybı - daha düşüktür; %85-95'lik verimlilikler tipiktir (PowerElectronicTips; Hackatronic).

Yaygın yanılgı ve eğlenceli gerçek

Yanlış kanı: "İleri ve geri dönüş transformatörü aynı küçük transformatördür; yalnızca yerlerini değiştirin." Yanlış. Bir geri dönüş transformatörü, enerjiyi depolayan , hava boşluklu bir çekirdeğe sahip, gerçekten birleştirilmiş bir indüktördür ; ileri transformatör, enerji depolamaması gereken , yüksek geçirgenliğe sahip, boşluksuz bir çekirdeğe sahip gerçek bir transformatördür. Bir geri dönüş parçasını ileri devreye bırakın, doyacaktır.

Eğlenceli gerçek: Tek anahtarlı ileri MOSFET'in sıfırlama sırasında 2 × VIN'e kadar bloke etmesi gerektiğinden, tasarımcılar genellikle iki anahtarlı ileriyi tercih eder; diyotları gerilimi yalnızca VIN'e kenetleyerek 220 V şebekede (ON Semiconductor) daha ucuz, daha hızlı 400-500 V cihazlara olanak tanır.