Nhu cầu về nguồn năng lượng điện và điện tử trong thiết kế ô tô cải tiến có thể được tóm tắt như sau: tăng công suất, nâng cao hiệu suất, giảm yêu cầu về không gian và nâng cao độ tin cậy. Đối với xe điện (EV), hiệu quả là yếu tố quan trọng trong việc giảm bớt “nỗi lo về phạm vi di chuyển” của người dùng. Xem xét các yêu cầu khác nhau của xe điện, chúng tôi cần cung cấp các giải pháp năng lượng nhỏ gọn và nhẹ cho các nguồn điện dự phòng và phụ trợ. Bộ nguồn nhỏ hơn mang đến nhiều thách thức hơn, bao gồm nhu cầu về khả năng cách ly lớn hơn để ngăn chặn sự cố điện giữa các bộ phận có khoảng cách gần hơn và giảm nhiễu điện từ (EMI).
Bộ chuyển đổi năng lượng Flyback thường được sử dụng trong các ứng dụng xe điện công suất thấp khác nhau, bao gồm tạo ra nguồn điện phụ, quản lý pin và truyền động cổng. Thiết kế của nó đơn giản hơn, có ít thành phần hơn, do đó giảm kích thước, cải thiện độ tin cậy và giảm chi phí. Cốt lõi của bộ nguồn flyback là máy biến áp flyback, thường là một trong những bộ phận lớn nhất cần thiết để hỗ trợ cách ly điện áp cao.
Bài viết này giới thiệu nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi flyback, ảnh hưởng của điện cảm và điện dung ký sinh cũng như tầm quan trọng của kích thước thành phần và cách ly tín hiệu. Sau đó, máy biến áp flyback của Bourns được giới thiệu và giải thích cách nó giúp giải quyết nhiều vấn đề về nguồn điện ô tô.
Bộ chuyển đổi Flyback
Cốt lõi của bộ chuyển đổi flyback là một máy biến áp flyback, giúp truyền tải điện và cách ly giữa phía sơ cấp và thứ cấp của mạch chuyển đổi (Hình 1, trên cùng). Bộ chuyển đổi có thể tăng hoặc giảm điện áp của nguồn điện DC tùy theo cấu hình của máy biến áp flyback. Ngoài máy biến áp flyback, mạch điện còn yêu cầu một công tắc phía sơ cấp (SW) (thường là MOSFET) và bộ chỉnh lưu/bộ lọc thứ cấp.
Sơ đồ đơn giản hóa các thành phần cơ bản của bộ chuyển đổi flyback
Hình 1: Sơ đồ đơn giản hóa của các thành phần cơ bản (hình trên) và các dạng sóng vận hành quan trọng (hình dưới) của bộ chuyển đổi flyback được hiển thị. (Nguồn hình ảnh: Bourns Inc.)
Bằng cách đặt VSS ở trạng thái mức cao (Hình 1, phía dưới), chu kỳ hoạt động bắt đầu khi SW được bật. Khi công tắc đóng, điện áp đặt vào cuộn cảm là một hàm bậc. Cuộn cảm có thể chống lại bất kỳ sự thay đổi tức thời nào của dòng điện và tích hợp điện áp bước áp dụng. Điều này tạo ra hàm tăng tốc, trong đó dòng điện trong cuộn sơ cấp của máy biến áp flyback tăng tuyến tính do ảnh hưởng của điện cảm sơ cấp. Do sự phân cực ngược của diode chỉnh lưu (D) nên không có dòng điện trong cuộn thứ cấp của máy biến áp. Khe hở không khí trong lõi của máy biến áp flyback có thể ngăn cản sự bão hòa khi từ trường của máy biến áp tăng lên.
Khi tắt công tắc (bằng cách khôi phục VSS về trạng thái thấp), năng lượng tích trữ trong từ trường của máy biến áp sẽ được truyền sang thứ cấp thông qua diode phân cực thuận, sạc tụ điện đầu ra (C2). Dòng điện thứ cấp giảm tuyến tính cho đến khi cạn kiệt năng lượng từ trường hoặc công tắc được mở lại, bắt đầu chu kỳ tiếp theo.
Một máy biến áp điển hình, chẳng hạn như máy biến áp trong nguồn điện tuyến tính, liên tục truyền năng lượng từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp. Nguyên lý làm việc của máy biến áp flyback giống với một cặp cuộn cảm ghép đôi hơn, vì nó không truyền năng lượng liên tục trong chu trình làm việc. Tuy nhiên, giống như máy biến áp, điện áp đầu ra cũng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi tỷ số vòng dây giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp. Máy biến áp flyback còn có tác dụng cách ly điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Ngoài ra, nó còn hỗ trợ nhiều cuộn dây thứ cấp, cho phép bộ chuyển đổi xuất ra nhiều điện áp.
Hiệu ứng ký sinh của bộ chuyển đổi flyback
Là một mạch điện tử điển hình, bộ chuyển đổi flyback bị ảnh hưởng bởi điện cảm và điện dung ký sinh (Hình 2).
Sơ đồ của bộ chuyển đổi flyback
Hình 2: Sơ đồ nguyên lý của bộ chuyển đổi flyback được hiển thị, với điện dung và điện cảm ký sinh được đánh dấu màu đỏ liên quan đến các thành phần của bộ chuyển đổi. (Nguồn hình ảnh: Bourns Inc.)
Độ tự cảm từ hóa (Lm) là đặc tính cảm ứng chính quyết định khả năng lưu trữ năng lượng của máy biến áp flyback. Cũng liên quan đến máy biến áp là điện cảm rò rỉ ký sinh (Llk) nối tiếp với các công tắc. Khi ngắt kết nối công tắc, nó sẽ cố gắng duy trì dòng điện sơ cấp và tăng điện áp trên công tắc. Hầu hết các bộ chuyển đổi flyback đều sử dụng mạch kẹp hoặc mạch đệm để bảo vệ các công tắc khỏi tác động của các điện áp nhất thời như vậy. Hiệu ứng này cũng sẽ làm tăng bức xạ từ trường và ảnh hưởng đến nhiễu điện từ. Độ tự cảm định tuyến của bảng mạch (Ltr) làm tăng các hiệu ứng này.
Các nhà thiết kế máy biến áp sẽ cố gắng hết sức để giảm thiểu độ tự cảm rò rỉ. Phương pháp chính là tăng khả năng ghép nối giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Để đạt được điều này, cần giảm thiểu khoảng cách giữa các cuộn dây và sắp xếp chúng theo kiểu so le.
Điện dung phân bố bao gồm điện dung sơ cấp (Cp), điện dung giữa các cuộn dây (Cps), điện dung thứ cấp (Cs), điện dung đầu ra của bóng bán dẫn hiệu ứng trường (Co) và điện dung diode thứ cấp (Cd). Các tụ điện này tương tác với cuộn cảm, làm giảm tính toàn vẹn của dạng sóng tín hiệu của bộ chuyển đổi (Hình 3).
Sơ đồ ảnh hưởng của các thành phần ký sinh như tụ điện và cuộn cảm lên dạng sóng chuyển mạch (bấm vào để phóng to)
Hình 3: Ảnh hưởng của các thành phần ký sinh như tụ điện và cuộn cảm đến dạng sóng chuyển mạch được thể hiện. (Nguồn hình ảnh: Bourns Inc.)
Dạng sóng chuyển đổi tốt nhất là dạng xung hình chữ nhật không bị vọt lố hoặc thiếu hụt. Thời gian chuyển đổi nhanh của xung hình chữ nhật này đảm bảo dạng sóng điện áp bằng 0 trước khi dòng điện tăng. Trong thực tế, ảnh hưởng của điện dung và điện cảm ký sinh có thể làm chậm thời gian chuyển đổi và gây ra hiện tượng quá mức, thiếu hụt và dao động tức thời. Ngoài ra, do sự chồng chéo của dạng sóng điện áp sơ cấp và dòng điện khác 0, thời gian tăng giảm chậm hơn sẽ làm tăng tổn thất chuyển mạch của bộ chuyển đổi. Sự chồng chéo này sẽ dẫn đến tổn thất chuyển mạch trong các thiết bị chuyển mạch FET, do đó làm giảm hiệu suất của bộ chuyển đổi. Sự giảm đáng kể ở đỉnh xung là do điện trở tải và độ tự cảm từ hóa.
Khi thiết kế máy biến áp flyback, phải cố gắng giữ tần số tự cộng hưởng cách xa tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi và rút ngắn dây nối giữa công tắc và máy biến áp flyback càng nhiều càng tốt, giúp giảm thiểu điện dung ký sinh. Ngoài ra, điện dung giữa các cuộn dây cũng cung cấp đường dẫn để ghép các thành phần tần số cao của tín hiệu sơ cấp với đầu ra. Điện dung giữa các cuộn dây càng lớn thì bức xạ EMI dẫn của bộ chuyển đổi càng lớn. Để đạt được hiệu suất tối ưu, cần phải có sự cân bằng trong thiết kế, vì khớp nối cuộn dây chặt hơn sẽ làm giảm điện cảm rò rỉ nhưng cũng làm tăng điện dung giữa các cuộn dây. Đây là lúc tầm quan trọng của kinh nghiệm của người thiết kế máy biến áp.
Giảm kích thước và cách ly tín hiệu
Các thành phần được sử dụng trong các ứng dụng ô tô phải càng nhỏ càng tốt. Kích thước vật lý của các bộ phận được xác định bởi các đặc tính vật liệu và đặc tính vật lý của chức năng bộ phận. Đối với máy biến áp flyback, khoảng cách giữa các dây dẫn phải đủ để chịu được điện áp vận hành cao nhất và thử nghiệm điện áp cần thiết để được chứng nhận tiêu chuẩn. Các thông số kỹ thuật chính liên quan đến đánh thủng điện áp là khe hở và khoảng cách đường rò (Hình 4).