Razumevanje Flyback pretvarača na lakši način

macolakg:
Bez obzira što moj prethodni tekst liči na "Đurine kućne čarolije", radi se o ozbiljnoj stvari kod nekih grana upotrebe shunt otpornika.

Par uH nije kritična stvar kod malih struja i nižih frekvencija, ali kada na primer pravitie neki SMPS, koji je napajan niskim naponom, a koji će trošiti više od 5-10A, sa vašeg shunta koji ima parazitnih par uH ćete dobiti nešto što nema blage veze sa realnim stanjem.
Ako još shunt pri tom stoji u grani (granama kod push-pull) sorsova ili emitera tranzistora snage, e onda možete imati dodatno uključivanje tranzistora na neočekivanim frekvencijama i sa duty koji nema veze sa onim što ste poslali u tranzistor(e), takođe i nekoliko puta sporije prebacivanje stanja tranzistora od očekivanog.
Čak se kod push-pull može dogoditi i uključenje onog suprotnog (koji ne bi smeo raditi) tranzistora.

Primer:
Zamislimo da imamo mosfet koji pobuđujemo iz nekog pwm kola i u čijem je sorsu shunt sa induktivitetom od 1uH (svega :-).
Neka je treshold mosfeta uobičajenih npr 5V.
Neka to bude neki na primer boost, koji sa 12VDC diže napon na 24VDC i neka može razviti samo 200W.
Takođe neka radi na 100KHz, sa sasvim normalno očekivanim duty sa nešto malo preko 50%, dakle u CRM ili graničnom modu (pročitati temu "Razumevanje Flyback na lakši način").
----------
Input: 200W, sa npr. 85%KKD = 200/0,85 = 235,3W inputa.
235,3W/12VDC = 19,6A srednje struje krož mosfet.
Dakle, vršna struja mosfeta nam je (neka bude CRM mod u pitanju) 4 puta veća od srednje struje pretvarača (osrednjena struja jednog impulsa mora biti dvostruka od srednje struje koju uzima pretvarač iz izvora, a I_ripple dvostruka od nje zato što struja narasta od nulte (CRM) do te konačne vrednosti, dakle baš x 4).

Vršna struja mosfeta = 19,6A x 4 = 78,4A !!!

I nije to sve :-):
Da bi mogao prihvatiti i recoverry struje izlazne diode, kao i struje pujenja parazitnih kapaciteta, taj mosfet mora biti sposoban za čistih, ponovljivih 100A impulsa, tj. za bar 50-60A kontinualne struje draina pri 90-100*C.

Sada znamo vršnu struju mosfeta.
----------------------

Za tranziciju uključenja će nam biti mnogo veći problem ona recoverry struja diode i punjenje parazitnih kapaciteta.
Kod pristojno konstruisanog i napravljenog takvog pretvarača, udarna struja, gde I_kalema ima još uvek nešto oo nulte vrednosti struje (trenutak uključenja), može realno biti oko 1/3 do 1/2 vršne struje impulsa.

Neka bude da nam je pretvarač baš dobar (umetnici smo za SMPS) pa nam ta udarna struja bude 1/3 vršne struje impulsa, odnosno oko 26A.

Pri 100KHz i duty 50%, vreme trajanja impulsa će nam biti 5uS.
Naravno da ćemo se odlučiti za trajanje tranzicije na < od 300nS da ne bi zauzimala značajan deo perioda, da mosfet nebi "trpeo" veliku discipaciju uključenja, i da bi nam recoverry struja bila tolika kakvu smo pretpostavili, a sa ispravljačkom ultrabrzom diodom sa Trr <50nS.

Uobičajena pobuda gejta je oko 10V.

Pošto imamo u shuntu, koji je u source vodu, umetnutu induktivnost od 1uH (svega :-) ), napon na gejtu neće imati onaj karakterističan stepenasti oblik kod treshold, već ce odmah dostići svih 10V, a mosfet će raditi kao source folower pri čemu će na samom source biti 10V-5V_tredshold, dakle 5V.

Hajde da vidimo za koje vreme može pri 5V napona na 1uH narasti struja na 26A:

t = (1uH x 26A) / 5V = 5,2uS !!!!

Naše pretpostavke o tranziciji uključenja od 300nS možemo jednostavno da bacimo u đubre!

"Ne može to tako sinak" - što bi rekao petao Sofronije iz crtanog filma :-).

Da bi smo "pošteno" mogli da uključimo mosfet za 300nS u pretpostavljenom pretvaraču, induktivitet umetnut u teoretski sors vod (bilo kojom metodom) ne sme biti veći od 57nH, i od toga moramo oduzeti tipičan induktivitet source nožice od 7nH (TO-220) ili 10nH (TO-247), pa sledi da to što je spolja ne sme biti veće od 47-50uH, respektivno !!!

Ništa bolje stanje neće biti ni kod tranzicije isključenja: onih postignutih 78Apk mosfeta će utrostručiti vreme trajanja gašenja mosfeta u odnosu na ono kod uključenja !!!

Zašto?

Pa zato što će kod pokušaja isključenja mosfeta (Ug=0V), struja nastaviti da teče u istom smeru kroz L_source, i napraviti -5V na sorsu, pa će mosfet opet raditi kao source folower sve do kompletnog pražnjenja L_source.
Naravno, sve vreme će "uzimati" kroz drain struju srazmernu opadajućoj struji u L_source, a to znači baš mnogo discipacije.

Dakle, ne možemo tek tako lako, veoma brzo isključivati i uključivati mosfet jer to u katastrofalnoj meri zavisi od L_source :-).

Taj induktivitet (konturu koju zatvara Ug_drive sors noga i return putanja drive struje) treba držati na minimalno mogućoj veličini, da bi vremena on/off bila što više pod našom kontrolom.

Kod pretvarača koji rade sa većim strujama i višim frekvencijama, ako je ikako izvodljivo, shunt je neuporedivo bolje staviti "ispod" return putanje drive struje, tj. "ispod" GND u povratnoj putanji ka - polu izvora napajanja SMPS, pa čak po cenu invertovanja current sense signala.

Takođe je veoma korisno "potopiti" mosfet duboko u pcb (do proširenja na nožici), jer je tako induktiviet sorsa najmanji i ujedno se obezbeđuje dodatno hlađenje kroz same nožice, a preko pcb.

Cena, tj. komplikacija invertovanja tog signala, ili pak neko drugo alternativno mesto koje nije u putanji drive struje, je potpuno opravdan trud.

Shunt na mestima kao što su u flyback sa UC384x ili sličnim naprvama koje rade sa 5-6Apk, nekako i može da se "provuče" i to sa "strogo" neinduktivnim shunt, a za veće struje već neće valjati takvo rešenje.

P.S.

Ovaj tekst ću kopirati u moju temu "Razumevanje Flyback pretvarača na lakši način", jer će i tamo biti koristan mada sam već pominjao nešto o tome.

Pozz