Từ trường biến đổi forward:Các bước trong phần này áp dụng cho biến đổi forward chuyển mạch đơn. Tuy nhiên, bước biến đổi tổng quát vẫn không đổi cho biến đổi forward chuyển mạch kép.

Nếu cuộn dây lá kim loại dày 14 mils, tiết diện ngang của nó là 14*530=7420sq.mils

Nếu nó mang dòng 23A, mật độ dòng điện là 7420/323 sq.mils/A.

i.e.323.(4/ ) =411 cmils/A => (>400 cmils/A)

Hình 3-5: Kiểm tra nếu cung cấp dòng 23 Acho cuộn El-30.

Chu kì làm việc Chu kì làm việc của bộ biến đổi forward là

VO= VIN*D*

So sánh với chu kì làm việc của buck, ta thấy chỉ khác nhau ở tỉ số NS/NP. Như đã biết, tỉ số biến đổi phần thô giảm từng bước ảnh hưởng tới hoạt động của mba. Vì thế chúng ta có thể nhận ra điền áp đầu vào VIN phản ánh ở mặt thứ cấp. Điện áp phản xạ VINR = VIN/n với n=np/ns được nhớ ở nút

chuyển mạch bên thứ cấp. Từ trên, chúng ta có hiệu ứng dc-dc buck đơn giản với điện áp vào VIN và điện áp ra VO (xem hình 3-6). Vì thế các bước thiết kế cuộn cảm của biến đổi forward không trình bày ở đây, nó được thiết kế giống thiết kế buck. Tuy nhiên, máy biến áp kiểu forward được trình bày đầy đủ.

Chú ý: Về thiết kế cuộn cảm, chúng ta giứ ý tưởng cuộn kháng dẫn dòng điện lớn, nên tìm biến đổi forward điển hình, tính bề dày cuộn dây để dễ dàng quấn trên lõi. Nếu kích thước cuộn dây mỏng có thể xoắn với nhau tạo ra cuộn dây sử dụng. Hơn nứa khi thiết kế cuộn kháng thường nhỏ để với tần số cao chiều sâu bề mặt dược xem xet, chúng ta chọn bờ của đường kính thực tế, vì thế chúng ta có đủ tiết diện ngang mạng lưới dây đồng để giữ sự tăng nhiệt từ 40 đến 50 oC.

Không giống mba flyback, cuộn dây thứ cấp của kiểu forward có cùng cực tính với cuộn sơ cấp. Dẫn tới hầu hết thông lượng khử ở trong lõi. Nhưng có một thành phần của sóng dòng điện sơ cấp không phụ thuộc vào tải. Đó là thành phần dòng từ hoá- xem phần mầu xám bên trái hình 3-6. Ở chế độ không tải, toàn bộ dòng qua cuộn sơ cấp (giả sử chu kì làm việc không đổi). Ngay sau khi chúng ta cố gắng kéo một số dòng tải, dòng cuộn dây thứ cấp tăng, dòng cuộn dây sơ cấp cũng vậy. Mỗi dòng tăng tỉ lệ với dòng tải, và sự tăng của chúng là tỉ lệ qua lại- tỉ lệ không đổi là tỉ lệ số vòng. Quan trọng hơn, chúng ngược nhau, xem hình 3-6, dòng vào chấm cuối của mba bên mặt sơ cấp, và ở mặt thư cấp nó ra khỏi chấm cuối cùng thời điểm. Vì thế thông lượng còn lại trong lõi của mba không biến đổi từ điều kiện không tải ( giả thiết D không đổi)- vì lõi không có bất kì sự thay đổi ampe-vong thông qua cuộn dây của nó. Tất cả điều kiện trong lõi, i.e. thông lượng, từ trường, năng lượng và tổn hao lõi chỉ phụ thuộc vào dòng từ hoá. Tất nhiên cuộn dây của chúng có sự khác nhâu để bàn- mang gánh nặng chủ yếu, không chỉ của dòng tải hoạt động mà còn kết quả của tần số cao của đinh xung dòng điện.

Thành phần dòng từ hoá không liên quan bởi hoạt động của mba với thứ cấp. Nghía là nó giống như một “điện cảm rò song song”. Chúng ta cần trừ đi thành phần này tử dòng chuyển mạch tổng, và sau đó tìm dòng sơ cấp và thứ cấp theo tỉ lệ số vòng. Nối cách khác, dòng từ hóa không tỉ lệ. Nó hạn chế mặt sơ cấp.

Nhưng thực tế, dòng từ hoá chỉ là thành phần dòng cái mà chúa năng lượng trong mba. Theo cách khác, nó giống như mba flyback! Nhưng nếu chúng ta đạt được trạng thái vững vàng, mba thậm chí cần reset lại mọi chu kì ( cùng với điện cảm đầu ra). Nhưng không may, năng lượng từ hoá là hiệu ứng “không liên kết” bởi vì đầu ra điôt điều khiển, và vì vậy chúng ta không thể chuyển nó qua mặt thư cấp. Nếu chúng ta không xử lý năng lượng này, nó sẽ phá hỏng chuyển mạch bởi xung gai tương tự sự rò trong flyback. Chúng ta không muốn đốt cháy nó vì lý do hiệu quả. Vì vậy giải pháp thường dùng là sử dụng cuộn dây thứ 3 (hoặc cuộn dây phục hồi năng lượng), xem hình 3-6. Chú ý rằng cuộn dây này trong flyback nối với cuộn sơ cấp. Nó chỉ dẫn khi ngắt chuyển mạch (swith turn off), và bằng cách thả năng lượng từ hoá tích vào tụ. Có một số tổn hao kết hợp với dạng năng

lượng tuần hoàn, vì điôt rơi và điện trở cuộn dây thứ 3. Tuy nhiên chú ý thực tế bất kì điện cảm rò nào cũng quay trở lại đầu vào bởi cuộn dây thứ 3. Bởi vậy, chúng ta không nên giữ nó.

Vì nhiều nguyên nhân khác nhau, giống như có thể đảm bảo mba đặt lại tất cả các điều kiện dự đoán, và cũng vì các nguyên nhân sản xuất, kết hợp khác nhau, số vòng dây của cuộn thứ 3 thường đặt chính xác giống như cuộn dây sơ cấp. Vì vậy hoạt động của mba, điện áp bên nút chuyển mạch (máng của mosfet) phải tăng lên 2*2 VIN khi ngắt chuyển mạch. Vì vậy toàn bộ đầu vào off-line single-enđe (i.e. single-switch) biến đổi forward, chúng ta chuyển mạch cho ít nhất 800V.

Ngay khi mba reset lại ( i.e. dòng điện trong cuộn dây thứ 3 bằng không), điện áp máng đột nhiên bằng VIN, nghĩa là không có điện áp trên cuộn sơ cấp- và vì thế không có điện áp trên cuộn thứ cấp. Điốt hãm của tầng đầu ra (điốt nối với nhóm thứ cấp như hình 3-6) năng lượng thả được chứa trong cuộn cảm. Chú ý rằng thực sự có “ringing” trên rãnh của mosfet một thời gian, xung quanh mức trung bình VIN, chỉ sau khi mba được reset. Điều này có thể qui cho nhiều dữ liệu thực tế khác nhau (không biểu diễn trên hình). Tuy nhiên “ringing” góp phần quan trọng để phát EMI.

Lưu ý rằng trước khi mba reset, cuộn dây thứ cấp không dẫn điện trong một thời gian chỉ vì đầu ra của điốt (cái nối với swinging end của cuộn thứ cấp) revese-bíaed trong suốt thời gian cuộn dây thứ 3 dẫn. Cũng lưu ý rằng chu kì làm việc của biến đổi forward có thể cho phép vượt quá 50%. Nguyên nhân là chúng ta không có điều kiện đẩm bảo rằng mba sé reset liên tục mọi chu kì. Khi chúng ta không điều khiển trực tiếp dạng song dòng điện mba, chúng ta phải bỏ đủ thời gian cho dòng điện của cuộn dây thứ 3 để giảm tới zero.Nói cách khác, chúng ta phải cho phép cân bằng điện áp thứ cấp xảy ra tự nhiên trong mba. Tuy nhiên vì số vòng của cuộn dây thứ 3 bằng số vòng của cuộn dây sơ cấp, điện áp trên cuộn thứ 3 = VIN khiển khi chuyển mạch ngắt. Vì vậy reset xảy ra khi tON=tOFF. Bởi vậy, nếu chu kì làm việc tăng 50%, tON chắc chắn sẽ vượt quá tOFF và vì thế mba sẽ không bao giờ reset. Điều đó cuối cùng sẽ phá hỏng chuyển mạch. Vì thế chỉ cho phép tOFF đủ lớn chu kì làm việc luôn luôn giữa kém 50 %.

Chúng ta nhận thấy mba biến đổi forward luôn là DCM (độ tự cảm thường là CCM với r=0.4). Hơn nữa khi từ thông trong mba không đổi với tải, chúng ta có thể suy ra rằng không có phần năng lượng bên trong mba

chảy qua nó tới đầu ra. Vậy câu hỏi thực sự đặt ra là: công suất củ mba biến đổi forward phụ thuộc vào yếu tố gì?

Worst-case input Voltage End Câu hỏi cơ bản nhất không thay đổi trong thiết kế là: điện áp đầu vào miêu tả điểm worst-case cái chúng ta cần bắt đầu thiết kế mạch từ (từ điểm chú ý bão hoà lõi)? Điện cảm cho biên đổi forward nên xác định rõ rang, như biến đổi buck, chúng ta cần đặt tỉ lệ sóng dòng điện của nó trong khoảng 0.4 VINmax. Nhưng đến mba, chúng ta nên phân tích một chút trước khi chúng ta tiến hành làm đúng.

Lưu ý rằng, mba biến đổi forward là chế độ không liên tục (DCM), nhưng chu kì làm việc được xác định bởi độ tự cảm, cái đó là CCM. Vì vậy, chu kì làm việc của mba cũng là “slaved” ở chu kì làm việc CCM của D=VON/VINR bất chấp nó là DCM. Điều này khá trùng hợp CCM+CCM ảnh hưởng lẫn nhau đến sự quan sát thich thú- điện áp thứ cấp qua biến đổi forward là không đổi bất kể điện áp đầu vào. Tính toán để làm rõ điêu này, bởi thực tế VIN đầu ra bị khử hoàn toàn:

Et= VIN* =VIN* =VIN* =

Do đó trong thực tế, the wing ‘ ’ của dòng điện hoặc trường cùng độ lớn bé ở đầu ra vì thế không phụ thuộc vào VIN. Tất nhiên dòng đỉnh chuyển mạch ISW-PK là tổng của dòng từ hoá, và sóng dòng dỉnh của mặt thứ cấp phản xạ trên mặt sơ cấp là:

ISW-PK= IM-PK + [I0(1+ )]

Vì vậy mặc dù dòng giới hạn của chuyển mạch phải đủ lớn để cung cấp ISW-PK ở VINMAX (khi đó xuất hiện đỉnh lớn nhất của thành phần dòng ra phản xạ), đến chừng mực mba được đề cập, đỉnh dòng điện (và tương ứng vơi trường) chỉ là IM-PK, cái không phụ thuộc VIN! Điều này quả thực thú vị. Cũng chú ý cho đến tận được đề cập, dòng đỉnh cuộn kháng không quá lớn bằng dòng đỉnh chuyển mạch (phản xạ) vẫn là qua đòng đỉnh điốt. Thật vậy, nếu trừ dòng từ hoá tử dòng chuyển mạch và chia nó cho mặt thư cấp theo tỉ lệ số vòng, sau đó đỉnh của dạng sóng sẽ bằng dòng đỉnh cuộn kháng. Bởi vậy IM hiệu quả có tính chất loại bỏ điện áp đầu vào. Bằng trực giác chúng ta sẽ hiểu điều này theo cách như tăng điện áp đầu vào, sẽ tăng độ dốc của đòng vào mba vì vậy I tăng. Tuy nhiên, cuộn cảm đầu ra cảm nhận điện áp

cao VINR , giảm chu kì làm việc của nó và cũng giảm chu kì làm việc của mba. Vì vậy cũng giảm luôn dòng swing trong mba. Ngẫu nhiên trùng hợp có 2 sự tác động gần như ảnh hưởng ngang bằng nhau vì thế có sự thay đổi về kết quả dòng swing trong mba.

Như một kết quả tất yếu, tổn hao lõi của mba không phụ thuộc vào điện áp đầu vào. Tổn hao đồng, luôn luôn tệ hơn ở đầu vào cho phép (trừ dc-dc buck)- thường vì dòng trung bình phải giảm gần như liên tục để công suất cơ bản yêu cầu an toàn: PIN= VIN*IIN=PO. Mặc dù chúng ta có thể chọn điểm điện áp đầu vào cụ thể cho giả thiết của mình là lõi không bão hoà trong dải điện áp đầu vào, khi tổn hao đồng là tệ nhất ở VINMIN; chúng ta có thể kết luận: worst-case của biên đổi forward là tại VINMIN. Cho cuộn cảm nó vẫn là VINMAX.

Cửa sổ sử dụng

Xem cách sắp xếp cuộn dây điển hình trên lõi “ETD-34” và cuộn dây ở hình 3-7, ta thấy phần cách điện cuộn dây chiếm một phần của không gian lõi- như vậy giảm của sổ sử dụng ‘Wa’ từ 171 mm2 tới 127.5 mm2 - giảm 74.5%. Hơn nữa, nếu tính đến cả 4 mm ‘dải lề’ cái cần để cung cấp bờ tiêu chuẩn (yêu cầu tiêu chuẩn an toàn thế giới vè clearance và ‘creepage’) giữa bên sơ cấp và thứ cấp, chúng ta cho phép của sổ sử dụng chỉ là 78.7 mm2- diện tích giảm 78.7/171= 46%. Thêm vào đó, xem hinh 3-8, ta thấy rằng với cuộn dây chỉ 78.5 % diên tích của nó chiếm lĩnh (hoặc chiếm lĩnh trong mba) là dẫn điện (đồng). Bởi vậy dẫn tới tổng diện tích cửa sổ sử dụng giảm: 0.46*0.785=36%. Chúng ta nhận thấy một phần không gian cũng mất để cách điện (and any EMI screen if present). Vì vậy cuối cùng, chúng ta ước lượng rằng có lẽ chỉ 30-35% diện tích cửa sổ sử dụng lõi thực tế bị chiếm bởi đồng. Đây là lí do tại sao cần đưa hệ số K “ cửa sổ tận dụng” (sau dố chúng ta sẽ đặt nó để ước lượng giá trị 0.3). Vậy:

K=

Và N=

ACU là tiết diện ngang của một dây đồng, và Wa là toàn bộ diện tích cửa sổ của lõi ( chú ý lõi kiểu EE, EI diện tích chỉ là một trong 2 cửa sổ của nó)

Quan hệ giữa cỡ lõi và công suất đặt

Chúng ta nhớ rằng dạng gốc của điện áp phụ thuộc phương trình

B= teslas

Thay thế N, số vòng của cuộn sơ cấp, ta có:

B= teslas

Qua một số thao tác:

B= = =

B= =

Ở đây JA/m là mật độ dòng và ‘AP’ là ‘area product’ (AP=Ae*Wa). Chúng ta đổi sang đơn vị CGS để thuận lợi hơn. Ta có:

B= *108 gauss

Bây giờ AP có đơn vị cm2, đổi mật độ dòng điện sang cmils/A bởi công thức

Jcmils/A=

Ta có

B= gauss

Tính được arear product

AP= cm4

Chúng ta làm một số biến đổi ở đây. Giả thiết mật độ dòng điện điển hình là 600 cmils/A, hệ số sử dụng K=0.3, B= 1500 gauss, chúng ta theo các quy tắc chọn lõi tiêu chuẩn:

AP= cm4

Chú ý: biến đổi forward điển hình thông thường đặt swing trong trường B của mba là: B teslas. Điều này giúp giảm tổ hao lõi và cũng để ra một khoảng cách an toàn tránh BSAT tác động dưới điều kiện công suất tăng cao. Chú ý rằng, ở flyback, tổ hao lõi có xu hướng nhỏ vì I là phần nhỏ của tổng dòng điện (điển hình 40%). Nhưng khi mba kiểu forward luôn là DCM, vì thế swing ở B bây giờ đáng kể - bằng giá trị đỉnh; i.e. BPK= B. Vậy nếu ta đặt trường đỉnh là 3000 gauss, B cũng sẽ là 3000 gauss, đại thể cả 2 thứ đó của flyback đặt giông đỉnh. Điều đó giải thích tại sao ta phải giảm trường đỉnh ở biến đổi forward về 1500 gauss.

Ví dụ (8) - Thiết kế mba forward

Xây dựng biến đổi forward 200kHz ac dải điện áp 90-270 V. Điện áp đầu ra 5V ở 50A, và giả thiết hiệu suất là 83%. Thiết kế mba.

Công suất đầu vào

Ta có

PIN=PO/ (hiệu suất)= =300 watts

Chọn lõi

Chúng ta sử dụng phép tính tiêu chuẩn trên:

AP=675.6* =675.6* =1.0134 cm4

The area product của ETD-34 như hinh 3-7:

AP=W =1.66 cm4

Theo lí thuyết một phần nhỏ bề rộng chắc chắn được yêu cầu. Nhưng nó gần cơ tiêu chuẩn trong dải. Sau đó kiểm tra đầy đủ nó trong thực tế.

Độ sâu mặt ngoài

Độ sâu mặt ngoài là:

= mm

Ở đây f (Hz) và T (0C). Vì thế giả thiết cuối cùng nhiệt độ T=800C ( tăng quá nhiệt độ xung quanh lớn nhất 40 0C của 400C), ta có ở 200 kHz

= =0.185 mm

Điện trở nhiệt

Theo công thức kinh nghiệm cho kiểu lõi EE-EI-ETD-EC là:

Rth= 53* Ve-0.54 oC/W

Ở đây Ve có đơn vị là cm3. Vì thế khi Ve= 7.64 cm3, cho ETD-34

Rth=53*7.64-0.54 = 17/67 oC/W

Maximum B-field

Ở 40oC ước lường tăng nhiệt độ, sự tiêu phí lớn nhất cho phép

P PCU + PCORE= = =2.26 Watts

Chúng ta chia sự tổn hao này thành tổn hao đồng và tổ hao lõi (gỉả thiết điẻn hinh first- cut). Vậy:

PCU=1.13 Watts

PCORE=1.13 Watts

Vì thế, tổn hao cho phép trên một đơn vị thể tích là:

(tổn hao lõi)/ (thể tích)=1.13/7.64 => 148 mW/cm3

Sử dụng “ system B” bảng 2-5, ta có

tổn hao lõi/ thể tich= C*Bp*fd

Ở đây B đo bằng gauss và f là Hz. Vì thế tìm được B

B=[(tổn hao lõi/thể tích)* ]1/p

Nếu chúng ta sử dụng loại ferit “3C85” (từ Ferroxcube), ta thấy từ bảng 2-6 là p=2.2 và d=1.8 và C=2.2*10-14. Vì vậy

B=[148* ]1/2.2=720 gauss

Ta chú ý rằng B ở đây theo thực tế bởi qui ước, BAC. Do đó chúng ta tính tổng ‘swing’ cho phép:

B= 2*B=2*720=1440 gauss

Volt seconds

Trước đó chúng ta trình bầy theo công thức của phương trình phụ thuộc điện áp:

B= gauss

NP= = =15.9 vòng

Chú ý rằng điều này không nói về độ tự cảm yêu cầu. Chúng ta muốn bao nhiêu vòng, không quan tâm đến điện cảm sơ cáp . Thật vậy, thay đổi điện cảm sẽ ảnh hưởng từ trường đỉnh và dòng chuyển mạch, vì nó thay đổi tỉ lệ hằng số giưa B và I. Tuy nhiên B vẫn không đổi, không phụ thuộc vào độ tự cảm.

Giả thiết điện áp rơi trên điốt forward 0.6 V, tỉ lệ số vòng yêu cầu:

n= = = = =7.935

Vì thế số vòng thứ cấp mba

nS = =2.003 vòng

Lưu ý rằng, số vòng tính ra khác với số nguyên. Trong trường hợp này chúng ta sẽ làm tròn đến số nguyên gần nhất, và tính lại số vòng sơ cấp, mật độ thông lượng mới và tổn hao lõi tương tự như đã làm cho flyback. Bây giờ đơn giản chúng ta có thể sử dụng:

n= 8 (Tỉ lệ số vòng)

nP= 16

nS=2

Độ dày của lá kim loại thứ cấp và tổn hao

Khái niệm độ sâu mặt ngoài được đưa ra trước đó thực tế miêu tả một cuộn dây đặt tự do trong không gian. Để đơn giản, chúng ta bỏ qua từ trường xung quanh cuộn dây có thể ảnh hưởng một mức độ nào tới sự phân bố dòng điện. Thực tế thậm chí chúng ta hi vọng tiết diện vòng đủ lớn để có thể cho dòng điện tần số cao, hoặc không. Mọi cuộn dây đặt trong trường, cái này tác động xung quanh cuộn dây, thay đổi phân bố điện tích và dòng xoáy được tạo ra (với từ trường của chính nó). Đó là hiệu ứng gần. Nó có thể làm tăng nhiệt điện trở xoay chiều và tổn hao đồng trong mba.

Điều đầu tiên chúng ta phải làm để cải thiện tình hình có những dòng từ thông đối lập triệt tiêu lẫn nhau. Với biến đổi forward, mà thực tế xảy ra tự động bởi cuộn dây thứ cấp có dòng chạy qua ở cùng thời điểm cuộn sơ cấp và có chiều ngược lại. Tuy nhiên, thậm chí điều đó có thể chứng minh hoàn toàn đầy đủ, đặc biệt ở mức công suất cao, bộ biến đổi forward liên quan đến điều trên nhiều hơn. Vì thế những tổn hao gần này được giảm bằng cách đặt xen như hình 3-9.

Về cơ bản, có thể chia làm nhiều phần, cố gắng đặt lớp thứ cấp và sơ cấp gần nhau càng nhiều càng tốt, chúng ta có thể tăng sự khử của từ trường hai vùng tiếp giáp. Trên thực tế, chúng ta đang cố gắng để hạn chế ampe-vòng tích luỹ khi đi từ một lớp đến lớp kế tiếp. Chú ý rằng những ampe-vòng tỉ lệ với trường địa phương cái gây ra tổn hao gần.Tuy nhiên không thực tế để xen quá nhiều lớp vì chúng ta cần nhiều lớp cách điện giữa mặt sơ cấp và thứ cấp, nhiều đầu nối và cũng nhiều EMI screen ở mặt tiếp xúc (nếu yêu cầu) tất cả các điều đó làm giá thành cao và cuối cùng dẫn tới hợp lý cao hơn nếu không sẽ rò rỉ. Vì vầy các nguồn cấp off-line công suất trung bình chỉ tách sơ cấp thành 2 phần, one on either side of a single-section secondary.

Bằng cách khác có thẻ giảm tổn hao là giảm bề dày của cuộn kháng. Chúng ta có thể làm điều này bằng nhiều cách. Ví dụ ta lấy một cuộn dây đơn và chia thành vài phần song song, như vậy điện trở một chiều không thay đổi trong quá trình, chúng ta sẽ tim điện trở xoay chiều tăng lên đầu tiên so với trước khi rút gọn nó. Mặt khác, nếu ta lấy cuộn dây lá kim loại và giảm chiều dầy của nó thì điện trở giảm so với ban đầu.

Hình 3-9, chúng ta cũng định nghĩa ‘p’ là layers per portion. Chú ý p xác định như thế nào khi chúng ta đặt xen.

Nhưng bằng cách nào chúng ta ước lượng được tổn hao thực tế? Làm thế nào để đưa vấn đề rắc rối, nhiều chiều thành đơn giản, một chiều. Trên

cơ sở phân tích nó, chúng ta thấy một chiều dầy hợp lý nhất cho mỗi lớp. Hi vọng số vòng ra này nhỏ hơn 2* , là chiều sâu mặt ngoài được định nghĩa trước đó.

Chú ý: Đối với flyback, để đơn giản chúng ta bỏ qua hiệu ứng gần. Nhưng trong nhiều trường hợp, cuộn sơ cấp và thứ cấp không dẫn cung thời điểm nên không đặt xen. Nhưng đặt xen vẫn không thực hiện cho flyback, một kiểu biên đổi gần giống forward. Tuy nhiên, mục đích là