Flyback Switching Converter and Energy Recycle

by allenlu2007

 

本文介紹 Flyback converter 和一個重要觀念 – Energy Recycle (能量回收)

Flyback converter 可參考本文

首先看 flyback converter 的基本型。分為兩個 states.  On-state transformer 開始累積動量。如果用 flywheel analogy 就開始旋轉累積動量,primary side inductor current 增加,secondary side inductor current 為 0 因為 diode 逆遍。在 Off-state 時 primary side 斷開 inductor current 為 0, secondary side inductor current 順遍。

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Flyback converter 的好處

(i) 可以 step up or step down (depending on transformer ratio);  

(ii) 可以 electrical isolation between primary and secondary side.  意即 primary side 和 secondary side ground 可以完全分開。避免 noise coupling.  不過這假設 feedback path 也可以完全分開 (e.g. 用 optical coupler).  

(iii) From (ii) flyback converter 可以產生負壓。

(iv) From (ii) flyback converter 可以用在 AC to DC converter

Flyback converter 很適合用在 high power 的 power electronics (因為 primary/secondary 可以完全分開,避免 disaster propagation?)

基本型 Flyback converter 缺點

(i) 需要 transformer, 比 inductor 貴。

(ii) 在 On-state 切到 Off-state 時,儲存在 transformer 的能量並不會完全轉移到 output, 部份的能量會經由 leak indcutance (i.e. primary flux 沒有 couple 到 secondary, 見下下圖 Lleak) 而消散。

(iii) 在 Off state 時,primary side inductor 是 open.  

 

Power Electronics/Circuits 的 YES and NO

請參考前文。

結論:  緊急剎車, 停車再開  <  維持空檔變慢, 換檔加速 < 剎車回收能量儲存,起步用於加速

簡單來說,就是避免突然剎車,而應該回收能量。下圖是 ideal flyback converter 的運作原理以及 voltage and current 圖。前文提到避免 open inductor (緊急剎車)。那如何解釋 flyback 的 off-state 時看似 open transformer (inductor) 的 current path? 

有一個不錯的 reference 是 NCTU 808 的課程講義如下。基本上 flyback transformer 的 current path 和簡單的 inductor 或 transformer 不同。 Transformer 可視為 Lm + ideal transformer (ignore leak inductance for now).   Ideal transformer 的 frequency response down to DC!  Transformer 的 HPF 是由 Lm create.

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下圖是 flyback 的 on and off state current flow.  On-state 很容易了解,就是加速 flywheel.  

Off-state 也比較容昜解釋。如果 secondary side 有 current path, 可以想成 primary side Lm 的 current loop back to Lm, 就像是 short inductor! 由於 ideal transformer, primary side current = secondary side current (n=1).  隨著 secondary side current 遞減,primary side loop back current 也遞減。當然這只是 concept and math consistency.  Ip=0 在 off-state (但可以 assume Lm loop back current 不等於 0).

這有點像 primary side flywheel free spinning, 但受 secondary side flywheel 的制約。 

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在 flyback transformer 時有 2 ports, 只要 1 port 有電流通路。能量可以藉著 coupling 到有電流通路 port 而不會直接轉成熱能。在 on-state current path 在 primary side of transformer.  在 off-state, current path 在 secondary side of transformer.  如果把下圖 primary and secondary 的電流一起看,並非像 inductor 直接 open.  transition 的 current 可以連在一起。有點類似撞球,踫撞的一瞬間能量全部轉移到另一顆 (secondary) 球上。

Flyback converter 整體運作模式其實作用和 boost converter 非常類似。 

 

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    剛才說的是理想狀況。實務上 transform 並非 ideal, 會有 leakage flux 並沒有 couple 到 secondary.  在 inductor open 的瞬間能量無處可去,只能變為熱能 (10% ~ 20%?).  

Leak inductance 的能量是否可用 capacitor 回收?  答案是 yes, 如下圖。主要是並聯一個 Cclamp.  

可以參考本文, “Characterization of an Active Clamp Flyback Topology for Power Factor Correction Applications”.

並聯 Cclamp 還有一個好處,就是可以 clamp inductor/transformer voltage.  原因是 capacitor 的電壓無法不連續。

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AC-DC Flyback converter

下圖是 AC-DC flyback converter.  前級是 full bridge rectifier 加上後級是 flyback converter.

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