Der Bedarf an elektrischen und elektronischen Energiequellen im innovativen Automobildesign lässt sich wie folgt zusammenfassen: Steigerung der Leistung, Verbesserung der Effizienz, Reduzierung des Platzbedarfs und Verbesserung der Zuverlässigkeit. Bei Elektrofahrzeugen (EVs) ist die Effizienz von entscheidender Bedeutung, um die „Reichweitenangst“ der Benutzer zu lindern. Angesichts der unterschiedlichen Anforderungen von Elektrofahrzeugen müssen wir kompakte und leichte Stromversorgungslösungen für Notstrom- und Hilfsstromquellen bereitstellen. Kleinere Netzteile bringen größere Herausforderungen mit sich, einschließlich der Notwendigkeit größerer Isolationsfähigkeiten, um elektrische Durchschläge zwischen Komponenten mit geringerem Abstand zu verhindern und elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren.
Flyback-Leistungswandler werden häufig in verschiedenen Elektrofahrzeuganwendungen mit geringer Leistung eingesetzt, darunter die Erzeugung von Hilfsstrom, das Batteriemanagement und die Gate-Antriebsleistung. Sein Design ist einfacher und enthält weniger Komponenten, wodurch die Größe reduziert, die Zuverlässigkeit verbessert und die Kosten gesenkt werden. Das Herzstück eines Flyback-Netzteils ist der Flyback-Transformator, der typischerweise eine der größten Komponenten ist, die zur Unterstützung der Hochspannungsisolierung erforderlich sind.
In diesem Artikel werden das Funktionsprinzip von Sperrwandlern, die Auswirkungen parasitärer Induktivität und Kapazität sowie die Bedeutung der Komponentengröße und Signalisolierung vorgestellt. Anschließend wurde der Flyback-Transformator von Bourns vorgestellt und erklärt, wie er zur Lösung vieler Probleme mit der Automobilstromversorgung beitrug.
Sperrwandler
Das Herzstück eines Sperrwandlers ist ein Sperrtransformator, der für die Stromübertragung und Isolierung zwischen der Primär- und Sekundärseite der Wandlerschaltung sorgt (Abbildung 1, oben). Der Wandler kann die Spannung der Gleichstromversorgung entsprechend der Konfiguration des Sperrtransformators verstärken oder senken. Zusätzlich zu einem Sperrtransformator benötigt die Schaltung auch einen primärseitigen Schalter (SW) (normalerweise MOSFET) und einen sekundären Gleichrichter/Filter.
Vereinfachtes schematisches Diagramm der Grundkomponenten des Sperrwandlers
Abbildung 1: Dargestellt ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm der Grundkomponenten (obere Abbildung) und wichtiger Betriebswellenformen (untere Abbildung) eines Sperrwandlers. (Bildquelle: Bourns Inc.)
Indem Vgs in einen High-Pegel-Zustand versetzt wird (Abbildung 1, unten), beginnt der Arbeitszyklus, wenn SW eingeschaltet wird. Wenn der Schalter geschlossen ist, ist die an der Induktivität anliegende Spannung eine Sprungfunktion. Induktivitäten können plötzlichen Stromänderungen entgegenwirken und die angelegte Stufenspannung integrieren. Dadurch entsteht eine Rampenfunktion, bei der der Strom in der Primärwicklung des Flyback-Transformators aufgrund des Einflusses der Primärinduktivität linear ansteigt. Aufgrund der Sperrspannung der Gleichrichterdiode (D) fließt auf der Sekundärseite des Transformators kein Strom. Der Luftspalt im Kern des Sperrtransformators kann eine Sättigung verhindern, wenn das Magnetfeld des Transformators zunimmt.
Wenn der Schalter ausgeschaltet wird (durch Zurücksetzen von Vgs auf einen niedrigen Zustand), wird die im Magnetfeld des Transformators gespeicherte Energie über die in Durchlassrichtung vorgespannte Diode auf die Sekundärseite übertragen, wodurch der Ausgangskondensator (C2) aufgeladen wird. Der Sekundärstrom nimmt linear ab, bis die magnetische Feldenergie erschöpft ist oder der Schalter erneut geöffnet wird, wodurch der nächste Zyklus beginnt.
Ein typischer Transformator, beispielsweise ein Transformator in einer linearen Stromversorgung, überträgt kontinuierlich Energie von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung. Das Funktionsprinzip eines Flyback-Transformators ähnelt eher einem Paar gekoppelter Induktivitäten, da er während des Arbeitszyklus nicht kontinuierlich Energie überträgt. Wie bei Transformatoren kann die Ausgangsspannung jedoch auch durch Ändern des Windungsverhältnisses zwischen Primär- und Sekundärwicklung angepasst werden. Der Flyback-Transformator sorgt außerdem für eine elektrische Trennung zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Darüber hinaus unterstützt es auch mehrere Sekundärwicklungen, sodass der Wandler mehrere Spannungen ausgeben kann.
Parasitäre Effekte von Sperrwandlern
Als typische elektronische Schaltung sind Sperrwandler von parasitärer Induktivität und Kapazität betroffen (Abbildung 2).
Schematische Darstellung eines Sperrwandlers
Abbildung 2: Dargestellt ist das schematische Diagramm des Sperrwandlers mit der rot hervorgehobenen parasitären Kapazität und Induktivität im Zusammenhang mit den Wandlerkomponenten. (Bildquelle: Bourns Inc.)
Die magnetisierte Induktivität (Lm) ist die wichtigste induktive Eigenschaft, die die Energiespeicherung von Sperrtransformatoren bestimmt. Ebenfalls mit Transformatoren verbunden ist die parasitäre Streuinduktivität (Llk) in Reihe mit Schaltern. Wenn der Schalter getrennt wird, versucht er, den Primärstrom aufrechtzuerhalten und die Spannung am Schalter zu erhöhen. Die meisten Sperrwandler verwenden Klemmschaltungen oder Pufferschaltungen, um Schalter vor den Auswirkungen solcher transienten Spannungen zu schützen. Dieser Effekt erhöht auch die Magnetfeldstrahlung und beeinflusst elektromagnetische Störungen. Die Leiterplattenführungsinduktivität (Ltr) verstärkt diese Effekte.
Transformatorentwickler werden alle Anstrengungen unternehmen, um die Streuinduktivität zu minimieren. Die Hauptmethode besteht darin, die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung zu erhöhen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, den Abstand zwischen den Wicklungen zu minimieren und sie versetzt anzuordnen.
Die verteilte Kapazität umfasst die Primärkapazität (Cp), die Zwischenwicklungskapazität (Cps), die Sekundärkapazität (Cs), die Feldeffekttransistor-Ausgangskapazität (Co) und die Sekundärdiodenkapazität (Cd). Diese Kondensatoren interagieren mit Induktivitäten und verringern so die Integrität der Signalwellenform des Wandlers (Abbildung 3).
Schematische Darstellung des Einflusses parasitärer Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten auf Schaltwellenformen (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 3: Der Einfluss parasitärer Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten auf die Schaltwellenform wird dargestellt. (Bildquelle: Bourns Inc.)
Die Schaltwellenform ist vorzugsweise ein Rechteckimpuls ohne Überschwingen oder Unterschwingen. Die schnelle Umwandlungszeit dieses Rechteckimpulses stellt sicher, dass die Spannungswellenform auf Null liegt, bevor der Strom ansteigt. Tatsächlich können die Auswirkungen parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten die Umwandlungszeit verlangsamen und zu Überschwingern, Unterschwingern und sofortigen Schwingungen führen. Darüber hinaus erhöhen langsamere Anstiegs- und Abfallzeiten aufgrund der Überlappung von Primärspannungs- und Stromwellenformen ungleich Null die Schaltverluste des Wandlers. Diese Überlappung führt zu Schaltverlusten in FET-Schaltern und verringert dadurch die Effizienz des Wandlers. Der deutliche Abfall am oberen Ende des Impulses wird durch den Lastwiderstand und die Magnetisierungsinduktivität verursacht.
Beim Entwurf eines Rücklauftransformators müssen Anstrengungen unternommen werden, um die Eigenresonanzfrequenz von der Schaltfrequenz des Wandlers fernzuhalten und die Verkabelung zwischen Schalter und Rücklauftransformator so weit wie möglich zu verkürzen, um die parasitäre Kapazität zu minimieren. Darüber hinaus bietet die Kapazität zwischen den Wicklungen auch einen Weg zum Koppeln der Hochfrequenzkomponenten des Primärsignals an den Ausgang. Je größer die Kapazität zwischen den Wicklungen ist, desto größer ist die geleitete EMI-Strahlung des Wandlers. Um eine optimale Leistung zu erzielen, müssen beim Design Kompromisse eingegangen werden, da eine engere Wicklungskopplung die Streuinduktivität verringert, aber auch die Kapazität zwischen den Wicklungen erhöht. Hier liegt die Bedeutung der Erfahrung der Transformatorkonstrukteure.
Reduzieren Sie die Größe und isolieren Sie Signale
Komponenten, die in Automobilanwendungen eingesetzt werden, sollten so klein wie möglich sein. Die physikalischen Abmessungen von Bauteilen werden durch die Materialeigenschaften und die physikalischen Eigenschaften der Bauteilfunktionalität bestimmt. Bei Sperrtransformatoren muss der Leiterabstand ausreichend sein, um der Spitzenbetriebsspannung und den für die Standardzertifizierung erforderlichen Spannungsprüfungen standzuhalten. Die wichtigsten Spezifikationen im Zusammenhang mit dem Spannungsdurchbruch sind Luft- und Kriechstrecke (Abbildung 4).