השתמשו בשנאי Flyback בדירוג-רכב עבור תכני ספקי כוח קומפקטיים לרכבים חשמליים

ניתן לסכם את צורכי החשמל והאלקטרוניקה של תכנים חדשניים לרכב כדלקמן: הספק מוגבר, נצילות משופרת, דרישות מקום מופחתות ואמינות משופרת. במקרה של רכבים חשמליים (EV), הנצילות היא קריטית בסיוע להפחתת "חרדת הטווח" בקרב המשתמשים. שילוב הדרישות בהקשר של רכבים חשמליים מתורגם לפתרונות חשמל קומפקטיים וקלי משקל עבור מקורות חשמל במצבי חירום ועזר. ספקי כוח קטנים יותר מציגים אתגרים נוספים, כולל הצורך בבידוד חסון יותר כדי למנוע פריצות חשמל בין רכיבים הסמוכים זה לזה והפחתת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

ממירי הספק Flyback משמשים בדרך כלל במגוון של יישומי רכבים חשמליים בעלי צריכת הספק נמוכה, כולל יצירת הספקת-כוח עזר, ניהול סוללות והספקת-כוח עבור דחפי-שער. הם מציעים תכנים פשוטים יותר עם פחות רכיבים, תוך הקטנת הגודל, הגברת האמינות והורדת העלויות. לב ליבו של כל ספק כוח Flyback‏ הוא שנאי Flyback‏, שהוא בדרך כלל בין הרכיבים הגדולים ביותר הנדרשים לתמיכה בבידוד מתח גבוה.

מאמר זה מתאר כיצד פועלים ממירי Flyback‏, את ההשפעות של אפקטים פרזיטיים אינדוקטיביים וקיבוליים, ואת חשיבות גודל הרכיב ובידוד האותות. לאחר מכן הוא מציג שנאי Flyback‏ מתוצרת Bourns‏ ומראה כיצד הוא יכול לסייע בהתמודדות עם אתגרים רבים בתחום הספקת-כוח לרכב.

ממיר Flyback‏

ממירי Flyback ידועים בתכן הרכיבים הפשוט והמינימלי שלהם, עבור רמות הספק של עד 100 וואט. בלב תכנים אלה נמצא שנאי Flyback‏, המספק גם העברת הספק וגם בידוד בין הצד הראשוני והשניוני של מעגל הממיר (איור 1, למעלה). הממיר יכול להעלות או להוריד את המתח של מקור מתח DC על בסיס תצורת שנאי Flyback‏. בנוסף לשנאי Flyback‏, המעגל דורש מתג צד ראשוני (SW), בדרך כלל MOSFET, ומיישר/מסנן שניוני.

איור 1: מוצגת סכמה פשוטה של האלמנטים הבסיסיים של ממיר Flyback‏ (למעלה) וצורות גל הפעולה המשמעותיות (למטה). (מקור התמונה: Bourns Inc.)

מחזור הפעולה מתחיל כאשר SW מופעל על ידי הצבת _gs‏V‏ במצב גבוה (איור 1, למטה). המתג נסגר, והמתח המופעל על פני המשרן הוא פונקציית צעד. המשרן מתנגד לכל שינוי מיידי בזרם ומשמש לאינטגרציה של מתח המדרגה המופעל. התוצאה היא פונקציית מדרגה, והזרם בליפופי הראשוני של שנאי ה-Flyback‏ עולה באופן ליניארי עקב השפעת ההשראות של הראשוני. בסליל השניוני אין זרם משום שדיודת המיישר (D) היא בממתח-אחרוני, ומרווח האוויר בליבה המגנטית של שנאי ה-Flyback‏ מונע רוויה ככל שהשדה המגנטי של השנאי גדל.

כאשר המתג עובר למצב כבוי, דבר המושג על ידי החזרת _gs‏V‏ למצב נמוך, האנרגיה המאוחסנת בשדה המגנטי של השנאי מועברת לשניוני דרך הדיודה עם ממתח-קדומני, וטוענת את קבל היציאה (C2). זרם השניוני יורד באופן ליניארי עד שהאנרגיה מהשדה המגנטי מתרוקנת או שהמתג מופעל שוב, ומתחיל את המחזור הבא.

שנאי טיפוסי, כפי שנמצא בספק כוח ליניארי, מעביר אנרגיה באופן רציף מליפופי הראשוני לליפופי השניוני. פעולת שנאי ה-Flyback‏ דומה יותר לזו של זוג סלילים מצומדים בכך שהוא אינו מעביר אנרגיה ברציפות במהלך מחזור הפעולה. עם זאת, כמו שנאי, ניתן לכוונן את מתח היציאה על ידי שינוי היחס בין ליפופי הראשוני והשניוני. שנאי ה-Flyback‏ מספק גם בידוד גלווני בין ליפופי הראשוני והשניוני. בנוסף, הוא תומך במספר ליפופים שניוניים, מה שמאפשר מספר מתחי יציאה מהממיר.

אפקטים פרזיטיים בממירי Flyback‏

אופייניים למעגלים אלקטרוניים, ממירי Flyback‏ סובלים מהשפעות לא-רצויות עקב השראות וקיבוליות פרזיטיות (איור 2).

איור 2: מוצג תרשים סכמטי של ממיר Flyback‏ המדגיש באדום את הקיבוליות וההשראות הפרזיטיות הקשורות לרכיבי הממיר. (מקור התמונה: .Bourns Inc)

ההשראות הממגנטת (_m‏L) היא התכונה האינדוקטיבית העיקרית הקובעת את אחסון האנרגיה של שנאי ה-Flyback‏. כמו כן, קשורה לשנאי השראות גם השראות זליגה פרזיטית (_lk‏L‏) הנמצאת בטור עם המתג. כאשר המתג נפתח, הוא מנסה לשמור על זרם הראשוני ומעלה את המתח על פני המתג. רוב ממירי ה-Flyback‏ משתמשים במעגלי הידוק או ב-Snubbers‏ כדי להגן על המתג מפני מתח טרנזיינטי זה. אפקט זה גם מגביר את קרינת השדה המגנטי ומשפיע על ה-EMI‏. השראות הפסים המוליכים שעל הלוח (_tr‏L‏) מוסיפה לאפקטים אלו.

מתכנני שנאים עושים כל מאמץ כדי למזער את השראות הזליגה. השיטה העיקרית היא להגביר את הצימוד בין סלילי הראשוני והשניוני. זה מושג על ידי מזעור ההפרדה בין הסלילים וגם על ידי הסירוג (Interleaving‏) שלהם.

הקיבוליות המבוזרת כוללת את קיבוליות הראשוני (_p‏C‏), קיבוליות בין-ליפופים (_ps‏C‏), קיבוליות השניוני (_s‏C‏), קיבוליות יציאת ה-FET‏ (_o‏C‏) וקיבוליות דיודת השניוני (_d‏C‏). קיבוליות אלה מקיימות אינטראקציה עם ההשראות כדי להפחית את שלמות צורות הגל של אות הממיר (איור 3).

איור 3: מוצגות ההשפעות של אלמנטים פרזיטיים קיבוליים והשראותיים על צורת הגל של המיתוג. (מקור התמונה: .Bourns Inc)

צורת הגל של המיתוג באופן אידיאלי תהיה פולס מלבני ללא Overshoot‏ או Undershoot‏. זמני המעבר המהירים של פולס מלבני זה מבטיחים שצורת הגל של המתח תהיה באפס לפני שהזרם עולה. במציאות, ההשפעות של קיבוליות והשראות פרזיטיות מאטות את זמני המעבר וגורמות ל-Overshoot‏, Undershoot‏ ו-Ringing‏. בנוסף, זמני עלייה וירידה איטיים יותר מגדילים את הפסדי המיתוג של הממיר עקב חפיפה של צורות הגל של מתח וזרם ראשוני שאינם אפס. חפיפה זו מפזרת את ההספק כהפסדי מיתוג במתג ה-FET, ובכך מורידה את נצילות הממיר. הצניחה הבולטת בחלק העליון של הפולס נובעת מהתנגדות העומס ומההשראות הממגנטת.

בעת תכנון שנאי Flyback‏, יש להשקיע מאמץ משמעותי כדי לשמור על תדרי התהודה העצמית הרחק מתדרי המיתוג של הממיר, ושמירה על החיווט בין המתג לשנאי ה-Flyback‏ קצר ככל האפשר מסייעת למזער את הקיבוליות הפרזיטית. בנוסף, הקיבוליות בין-הליפופים מספקת נתיב צימוד רכיבי התדר הגבוה של אות הראשוני ליציאה. ככל שהקיבוליות בין-ליפופים גדולה יותר, כך פליטות ה-EMI המולכות של הממיר גדולות יותר. ביצועים אופטימליים דורשים פשרות בתכן, שכן צימוד קרוב יותר של הסלילים מפחית את השראות הזליגה אך גם מגדיל את הקיבוליות בין-ליפופים. כאן חשוב הניסיון של מתכנן השנאים.

הקטנת הגודל ובידוד אותות

רכיבים המיועדים עבור יישומי רכב צריכים להיות קטנים ככל האפשר. הגודל הפיזי של רכיב נקבע על ידי מאפייני החומרים והפיזיקה של תפקוד החלק. במקרה של שנאי Flyback‏, המרווח בין המוליכים צריך להיות מספיק כדי להתמודד עם מתחי פעולה שיא ובדיקת המתח הנדרשת לצורך אישור תקנים. המפרטים העיקריים הקשורים לפריצת מתח הם ה-Clearance‏ וה-Creepage‏ (איור 4).

איור 4: Clearance‏ ו-Creepage‏ הם מפרטים המתארים את המרחקים המינימליים בין מוליכים סמוכים הנדרשים כדי למנוע פריצה וקשת חשמלית. (מקור התמונה: .Bourns Inc)

Clearance‏ הוא המרחק הקצר ביותר בין שני נתיבים מוליכים באוויר, ו-Creepage‏ הוא המרחק הקצר ביותר בין שני נתיבים מוליכים לאורך פני השטח של חומר מבודד. מרחקים אלה הם חיוניים במניעת קשתות חשמליות ובשמירה על בידוד חשמלי.

שנאי Flyback‏ עומד בדרישות EV

שנאי ה-Flyback‏ HVMA03F40C-ST10S‏ של Bourns‏ (איור 5) הוא מורשה לשימוש ברכב ומתוכנן לפעול בתדרי מיתוג מ-100 קילוהרץ עד 400 קילוהרץ, והוא מדורג לטפל בעד 3 וואט.

איור 5: שנאי Flyback‏ HVMA03F40C-ST10S (משמאל) מדורג להספק של 3 וואט וכולל ליפופי יציאה כפולים (מימין). (מקור התמונה: .Bourns Inc)

שנאי Flyback‏ זה הוא רכיב תואם AEC-Q200‏ בדירוג-רכב, המדורג לפעולה בתחום הטמפרטורות C‏°‏40‏- עד C‏°‏155‏+ (כולל עליית טמפרטורה-עצמית). זהו התקן הרכבה-משטחית עם שמונה פדים, בעל מידות קומפקטיות במיוחד של 9.5 מ"מ × 10.3 מ"מ, וגובה של 13 מ"מ. מתוכנן לפעול עם דחיפה ראשונית של 6 וולט עד 27 וולט, סלילי השניוני הכפולים שלו מייצרים יציאה נומינלית של 14 וולט.

סליל הראשוני (בין פינים 1 ו-2) מציע השראות עיקרית של 40 מיקרו-הנרי (mH) עם השראות זליגה של mH‏ 1.1‏ בלבד והתנגדות טורית של 1.0 אוהם (Ω). לשניוני העיקרי (בין פינים 6 ו-7) יש התנגדות DC טורית של Ω‏ 1.0‏. ליציאת העזר (בין פינים 3 ו-4) יש התנגדות טורית של Ω‏ 1.4‏. השנאי מוגדר עבור הגבר יחידה עם יחס ליפופים של 1:1:1.

מדורג להתמודד עם מתח עבודה עד 900 וולט, בידוד המתח שלו הוא _AC‏V‏ 4,000‏. למרות דירוג המתח הגבוה, לשנאי מרחק Creepage‏ בדירוג של 10 מ"מ ומרחק Clearance‏ של 6 מ"מ.

שנאי Flyback‏ זה מתאים עבור יישומי רכב, כגון ספקי כוח מסוג דוחף-שער טרנזיסטור, מעגלי ניהול סוללות או מקור הספקת-כוח מבודד בין מעגלי הספקת כוח עצמאיים ברכבים חשמליים. זה תואם למעגלים משולבים רבים של בקרי Flyback‏ הפועלים בתדר מיתוג קבוע עם אפנון רוחב פולס, או עם רוחב פולס קבוע ובקרת תדר משתנה.

סיכום

ה-HVMA03F40C-ST10S של Bourns‏ מתאים במיוחד לסיוע למתכננים לעמוד בדרישות הספקת-הכוח של רכבים חשמליים. הוא תואם AEC-Q200 ובעל צורה קומפקטית, עמידה במפרטי Clearance‏ ו-Creepage‏, ודירוג של 3 וואט על פני תחום טמפרטורות רחב.