Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 17) – Determinazione dello snubber per un convertitore flyback

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 

La figura 1 mostra lo stadio di alimentazione del convertitore flyback e la forma d’onda di tensione del MOSFET al primario. Questo convertitore funziona immagazzinando l’energia nell’induttanza primaria di un trasformatore e trasferendola al secondario quando il MOSFET si apre. Spesso è necessario uno snubber quando il MOSFET va in interdizione, in quanto l’induttanza di dispersione del trasformatore fa sì che la tensione di drain aumenti oltre la tensione di uscita accoppiata (Vreset).

Fig. 1 – L’induttanza di dispersione crea una tensione eccessiva all’apertura del FET

L’energia immagazzinata nell’induttanza di dispersione può produrre l’effetto valanga nel MOSFET, per cui si aggiunge un circuito di clamping della tensione composto da D1, R24 e C6, che fissa la tensione a un valore dipendente dalla quantità di energia esistente nell’induttanza di dispersione e dalla dissipazione di potenza nel resistore: una resistenza inferiore riduce la tensione di clamping, ma aumenta la perdita di potenza.

La figura 2 mostra le forme d’onda della corrente nel primario e nel secondario del trasformatore. Il circuito a sinistra è lo schema semplificato dello stadio di alimentazione quando il MOSFET è in conduzione. La corrente d’ingresso aumenta attraverso l’induttanza di dispersione e quella mutua, collegate in serie. Il circuito a destra, anch’esso semplificato, corrisponde al periodo di interdizione, durante il quale la tensione si è invertita sino al punto che il diodo di uscita e quello di clamping sono polarizzati direttamente. Il circuito include anche il condensatore di uscita e il diodo accoppiati al primario.

Fig. 2 – L’induttanza di dispersione riduce l’energia di uscita

È interessante il fatto che si possa calcolare la relazione di variazione inversa tra la tensione di clamping e la dissipazione di potenza nello snubber. Come illustrato nella figura 2, la potenza assorbita dal circuito di clamping è uguale al prodotto del valore medio della corrente nel diodo di clamping e della tensione di clamping (supponendo che quest’ultima sia costante). Nell’equazione possiamo individuare il termine ½ * F *L * I², correlato alla potenza di uscita di un convertitore flyback discontinuo. In questo caso, l’induttanza è quella di dispersione. Il risultato è un po’ sorprendente, nel senso che la perdita di potenza non corrisponde semplicemente all’energia immagazzinata nell’induttanza di dispersione; è sempre maggiore, ma dipende dalla tensione di clamping. La figura 3 mostra questa relazione. Il grafico rappresenta la perdita, normalizzata rispetto all’energia esistente nell’induttanza di dispersione, in funzione del rapporto tra la tensione di clamping e quella di reset. A valori elevati della tensione di clamping, la perdita nello snubber è prossima all’energia nell’induttanza di dispersione. A mano a mano che diminuisce la tensione di clamping a causa della riduzione della resistenza, l’energia viene trasferita dall’uscita principale e la dissipazione nello snubber aumenta drasticamente: a un valore di 1,5 del rapporto Vclamp/Vreset, è quasi il triplo della perdita risultante dall’energia immagazzinata nell’induttanza di dispersione.

Fig. 3 – Aumentando la tensione di clamping si riduce la perdita nello snubber

Riepilogando, l’induttanza di dispersione di un convertitore flyback può creare uno stress di tensione inaccettabile sull’interruttore di alimentazione. Uno snubber RCD può limitare questo stress; tuttavia, esiste una relazione di variazione inversa tra la tensione di clamping e la dissipazione di potenza nello snubber.

Nel prossimo numero della rubrica esamineremo la precisione di un divisore di tensione.

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Robert Kollman, Texas Instruments

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