Trasformatore flyback di grado automotive per progetti compatti di alimentazione EV

Le esigenze di alimentazione elettrica ed elettronica dei progetti automotive innovativi possono essere riassunte in 4 categorie: aumento della potenza, miglioramento dell'efficienza, riduzione degli ingombri e maggiore affidabilità. Nel caso dei veicoli elettrici, l'efficienza è fondamentale per contribuire ad alleviare l'ansia da autonomia degli utenti. La combinazione dei requisiti EV si traduce in soluzioni di alimentazione compatte e leggere per le fonti di alimentazione di riserva e ausiliarie. Gli alimentatori più piccoli introducono ulteriori sfide, tra cui la necessità di un maggiore isolamento per evitare guasti elettrici tra componenti ravvicinati e la riduzione delle interferenze elettromagnetiche (EMI).

I convertitori di potenza flyback sono molto diffusi in varie applicazioni EV a bassa potenza, tra cui la generazione di energia ausiliaria, la gestione delle batterie e l'alimentazione del gate driver. Sono progetti più semplici con un minor numero di componenti, che riducono le dimensioni, aumentano l'affidabilità e abbassano i costi. Il cuore di qualsiasi alimentatore flyback è il trasformatore flyback, in genere uno dei componenti più grandi necessari per supportare l'isolamento ad alta tensione.

Questo articolo descrive il funzionamento dei convertitori flyback, gli effetti delle correnti parassite induttive e capacitive e l'importanza delle dimensioni dei componenti e dell'isolamento del segnale. Presenta quindi un trasformatore flyback di Bourns e mostra come può contribuire a risolvere numerose sfide di alimentazione nel settore automotive.

Il convertitore flyback

I convertitori flyback sono noti per avere un design semplice con un numero minimo di componenti, per livelli di potenza fino a 100 W. Il cuore di questi progetti è un trasformatore flyback, che fornisce sia il trasferimento di potenza sia l'isolamento tra i lati primario e secondario del circuito convertitore (Figura 1, in alto). Il convertitore può alzare o abbassare la tensione di una fonte di alimentazione c.c. in base alla configurazione del trasformatore flyback. Oltre al trasformatore flyback, il circuito richiede un interruttore (SW) sul lato primario, in genere un MOSFET, e un raddrizzatore/filtro secondario.

Figura 1: Schema semplificato degli elementi di base di un convertitore flyback (in alto) e delle forme d'onda operative significative (in basso). (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Il ciclo operativo inizia con l'accensione di SW, portando V_gs in uno stato alto (Figura 1, in basso). L'interruttore si chiude e la tensione applicata all'induttore è una funzione a gradini. L'induttore si oppone a qualsiasi variazione istantanea della corrente e serve a integrare la tensione di passo applicata. Ciò porta a una funzione di rampa e la corrente nell'avvolgimento primario del trasformatore flyback aumenta linearmente per effetto dell'induttanza primaria. Il secondario del trasformatore non ha flusso di corrente, perché il diodo raddrizzatore (D) è invertito e un traferro nel nucleo magnetico del trasformatore flyback impedisce la saturazione quando aumenta il campo magnetico del trasformatore.

Quando l'interruttore viene spento, riportando V_gs allo stato basso, l'energia immagazzinata nel campo magnetico del trasformatore viene trasferita al secondario attraverso il diodo ora polarizzato in avanti, caricando il condensatore di uscita (C2). La corrente secondaria diminuisce linearmente fino a quando l'energia del campo magnetico si esaurisce o l'interruttore viene riacceso, dando inizio al ciclo successivo.

Un tipico trasformatore, come quello usato in un alimentatore lineare, trasferisce continuamente energia dall'avvolgimento primario a quello secondario. Il funzionamento del trasformatore flyback è più simile a quello di una coppia di induttori accoppiati, in quanto non trasferisce energia in modo continuo durante il ciclo operativo. Tuttavia, come in un trasformatore, la tensione di uscita può essere regolata variando il rapporto di spire tra gli avvolgimenti primario e secondario. Il trasformatore flyback garantisce anche l'isolamento galvanico tra gli avvolgimenti primario e secondario. Inoltre, supporta molteplici avvolgimenti secondari, consentendo quindi numerose tensioni di uscita dal convertitore.

Effetti delle correnti parassite nei convertitori flyback

Tipici dei circuiti elettronici, i convertitori flyback subiscono effetti indesiderati dovuti a induttanze e capacità parassite (Figura 2).

Figura 2: Schema di un convertitore flyback che evidenzia in rosso le capacità e le induttanze parassite associate ai componenti del convertitore. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

L'induttanza magnetizzante (L_m) è la principale proprietà induttiva che determina l'immagazzinaggio dell'energia del trasformatore flyback. Al trasformatore è associata anche un'induttanza di dispersione parassita (L_lk), che si trova in serie all'interruttore. Quando l'interruttore si apre, cerca di mantenere la corrente primaria e aumenta la tensione attraverso l'interruttore. La maggior parte dei convertitori flyback impiega circuiti di clamping o soppressori per proteggere l'interruttore da questa tensione transitoria. Questo effetto aumenta anche la radiazione del campo magnetico e influisce sulle EMI. L'induttanza di traccia della scheda (L_tr) si aggiunge a questi effetti.

I progettisti di trasformatori fanno il possibile per ridurre al minimo l'induttanza di dispersione. Il metodo principale consiste nell'aumentare l'accoppiamento tra gli avvolgimenti primario e secondario, che avviene riducendo al minimo la separazione tra gli avvolgimenti e interlacciandoli tra loro.

Le capacità distribuite comprendono la capacità primaria (C_p), la capacità di interavvolgimento (C_ps), la capacità secondaria (C_s), la capacità di uscita del FET (C_o) e la capacità del diodo secondario (C_d). Queste capacità interagiscono con le induttanze per ridurre l'integrità delle forme d'onda del segnale del convertitore (Figura 3).

Figura 3: Gli effetti delle capacità parassite capacitive e induttive sulla forma d'onda di commutazione. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

La forma d'onda di commutazione dovrebbe essere idealmente un impulso rettangolare senza sovraelongazione o sottoelongazione. I veloci tempi di transizione di questo impulso rettangolare garantiscono che la forma d'onda della tensione sia a zero prima che aumenti la corrente. In realtà, gli effetti delle capacità e delle induttanze parassite rallentano i tempi di transizione e causano sovraelongazione, sottoelongazione e sovraoscillazione. Inoltre, i tempi di salita e discesa più lenti aumentano le perdite di commutazione del convertitore a causa della sovrapposizione delle forme d'onda di tensione e corrente primarie diverse da zero. Questa sovrapposizione dissipa la potenza come perdite di commutazione nel commutatore FET, riducendo così l'efficienza del convertitore. Il notevole calo nella parte superiore dell'impulso è dovuto alla resistenza di carico e all'induttanza magnetizzante.

Quando si progetta un trasformatore flyback, occorre fare il possibile per mantenere le frequenze di autorisonanza lontane dalle frequenze di commutazione del convertitore e mantenere il cablaggio tra l'interruttore e il trasformatore flyback il più corto possibile per ridurre al minimo la capacità parassita. Inoltre, la capacità di interavvolgimento fornisce un percorso per l'accoppiamento delle componenti ad alta frequenza del segnale primario all'uscita. Maggiore è la capacità di interavvolgimento, maggiori sono le emissioni EMI condotte del convertitore. Le prestazioni ottimali richiedono un compromesso progettuale, in quanto un accoppiamento più stretto degli avvolgimenti riduce l'induttanza di dispersione, ma aumenta anche la capacità tra gli avvolgimenti. È qui che conta l'esperienza del progettista del trasformatore.

Riduzione delle dimensioni e isolamento del segnale

I componenti destinati alle applicazioni automotive devono essere il più piccoli possibile. Le dimensioni fisiche di un componente dipendono dalle caratteristiche dei materiali e dalla fisica della funzione del componente stesso. Nel caso di un trasformatore flyback, la distanza tra i conduttori deve essere sufficiente a gestire le tensioni di lavoro di picco e i test di tensione richiesti per la certificazione secondo gli standard. Le specifiche chiave associate ai guasti di tensione sono la distanza di isolamento superficiale e in aria (Figura 4).

Figura 4: La distanza di isolamento superficiale e in aria sono specifiche che descrivono le distanze minime tra conduttori adiacenti necessarie per evitare guasti e archi elettrici. (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

La distanza di isolamento in aria indica la distanza più breve tra due percorsi conduttivi nell'aria, mentre la distanza di isolamento superficiale indica la distanza più breve tra due percorsi conduttivi lungo la superficie di un materiale isolante. Queste distanze sono fondamentali per evitare archi elettrici e mantenere l'isolamento elettrico.

Il trasformatore flyback soddisfa i requisiti EV

Il trasformatore flyback HVMA03F40C-ST10S di Bourns (Figura 5) è qualificato per il settore automotive e progettato per funzionare a frequenze di commutazione comprese tra 100 kHz e 400 kHz, con una potenza nominale fino a 3 W.

Figura 5: Il trasformatore flyback HVMA03F40C-ST10S (a sinistra) ha una potenza nominale di 3 W e dispone di doppi avvolgimenti di uscita (a destra). (Immagine per gentile concessione di Bourns, Inc.)

Questo trasformatore flyback è un componente di grado automotive, conforme alla norma AEC-Q200, in grado di funzionare in un intervallo di temperatura compreso tra -40 °C e +155 °C (incluso l'aumento della propria temperatura). Si tratta di un dispositivo a otto piazzole a montaggio superficiale con un ingombro eccezionalmente compatto di 9,5 × 10,3 mm e un'altezza di 13 mm. Progettato per funzionare con un azionamento primario da 6 V a 27 V, i suoi doppi avvolgimenti secondari producono un'uscita nominale di 14 V.

L'avvolgimento primario (tra i pin 1 e 2) offre un'induttanza principale di 40 mH con un'induttanza di dispersione di soli 1,1 mH e una resistenza in serie di 1,0 Ω. L'avvolgimento secondario principale (tra i pin 6 e 7) ha una resistenza in serie c.c. di 1,0 Ω. L'uscita ausiliaria (tra i pin 3 e 4) ha una resistenza in serie di 1,4 Ω. Il trasformatore è impostato con un guadagno unitario con un rapporto spire pari a 1:1:1.

Con una tensione di lavoro fino a 900 V, il suo isolamento di tensione è di 4.000V_c.a.. Nonostante l'elevata tensione nominale, il trasformatore ha una distanza di isolamento superficiale nominale di 10 mm e una distanza di isolamento in aria di 6 mm.

Questo trasformatore flyback è adatto alle applicazioni automotive, come gli alimentatori per gate driver di transistor, i circuiti di gestione delle batterie o una fonte di alimentazione isolata tra circuiti di alimentazione indipendenti per EV. È compatibile con molti circuiti integrati di controllo in flyback che funzionano a frequenza di commutazione fissa con modulazione della larghezza di impulso o con impulsi a larghezza fissa e controllo di frequenza variabile.

Conclusione

HVMA03F40C-ST10S di Bourns è particolarmente adatto per i progettisti che devono soddisfare i requisiti di alimentazione dei veicoli elettrici. È conforme AEC-Q200 e ha un fattore di forma compatto, conforme alle specifiche di distanza di isolamento superficiale e in aria e ha una potenza di 3 W in un ampio intervallo di temperature.