Permintaan sumber tenaga listrik dan elektronik dalam desain otomotif inovatif dapat diringkas sebagai berikut: meningkatkan daya, meningkatkan efisiensi, mengurangi kebutuhan ruang, dan meningkatkan keandalan. Untuk kendaraan listrik (EV), efisiensi sangat penting dalam mengurangi “kecemasan jangkauan” pengguna. Mengingat berbagai kebutuhan kendaraan listrik, kita perlu menyediakan solusi tenaga yang ringkas dan ringan untuk sumber tenaga cadangan dan tambahan. Pasokan listrik yang lebih kecil membawa lebih banyak tantangan, termasuk kebutuhan akan kemampuan isolasi yang lebih besar untuk mencegah gangguan listrik antar komponen dengan jarak yang lebih dekat dan mengurangi interferensi elektromagnetik (EMI).
Konverter daya flyback biasanya digunakan dalam berbagai aplikasi kendaraan listrik berdaya rendah, termasuk menghasilkan daya tambahan, manajemen baterai, dan daya penggerak gerbang. Desainnya lebih sederhana, dengan komponen lebih sedikit, sehingga mengurangi ukuran, meningkatkan keandalan, dan menurunkan biaya. Inti dari catu daya flyback adalah trafo flyback, yang biasanya merupakan salah satu komponen terbesar yang diperlukan untuk mendukung isolasi tegangan tinggi.
Artikel ini memperkenalkan prinsip kerja konverter flyback, efek induktansi dan kapasitansi parasit, serta pentingnya ukuran komponen dan isolasi sinyal. Kemudian, trafo flyback Bourns diperkenalkan, dan dijelaskan bagaimana trafo tersebut membantu memecahkan banyak masalah pasokan listrik otomotif.
Konverter flyback
Inti dari konverter flyback adalah trafo flyback, yang menyediakan transmisi daya dan isolasi antara sisi primer dan sekunder rangkaian konverter (Gambar 1, atas). Konverter dapat meningkatkan atau melawan tegangan catu daya DC sesuai dengan konfigurasi trafo flyback. Selain trafo flyback, rangkaian juga memerlukan saklar sisi primer (SW) (biasanya MOSFET) dan penyearah/filter sekunder.
Diagram skema sederhana dari komponen dasar konverter flyback
Gambar 1: Diagram skema yang disederhanakan dari komponen dasar (gambar atas) dan bentuk gelombang pengoperasian penting (gambar bawah) dari konverter flyback ditampilkan. (Sumber gambar: Bourns Inc.)
Dengan menempatkan Vgs dalam keadaan tingkat tinggi (Gambar 1, bawah), siklus kerja dimulai ketika SW diaktifkan. Ketika saklar ditutup, tegangan yang diberikan pada induktor merupakan fungsi langkah. Induktor dapat melawan perubahan arus sesaat dan mengintegrasikan tegangan langkah yang diterapkan. Hal ini menciptakan fungsi ramp, dimana arus pada belitan primer trafo flyback meningkat secara linier karena pengaruh induktansi primer. Karena bias balik dioda penyearah (D), tidak ada arus pada sekunder transformator. Celah udara pada inti trafo flyback dapat mencegah terjadinya kejenuhan ketika medan magnet trafo meningkat.
Ketika saklar dimatikan (dengan mengembalikan Vgs ke keadaan rendah), energi yang tersimpan dalam medan magnet transformator ditransfer ke medan magnet sekunder melalui dioda bias maju, mengisi kapasitor keluaran (C2). Arus sekunder berkurang secara linier hingga energi medan magnet habis atau sakelar dibuka kembali, memulai siklus berikutnya.
Trafo tipikal, seperti trafo dalam catu daya linier, secara terus menerus mentransfer energi dari belitan primer ke belitan sekunder. Prinsip kerja trafo flyback lebih mirip dengan sepasang induktor berpasangan, karena tidak mentransmisikan energi secara terus menerus selama siklus kerja. Namun, seperti halnya trafo, tegangan keluaran juga dapat diatur dengan mengubah rasio belitan antara belitan primer dan sekunder. Trafo flyback juga menyediakan isolasi listrik antara belitan primer dan sekunder. Selain itu, ia juga mendukung banyak gulungan sekunder, memungkinkan konverter mengeluarkan banyak tegangan.
Efek parasit dari konverter flyback
Sebagai rangkaian elektronik pada umumnya, konverter flyback dipengaruhi oleh induktansi dan kapasitansi parasit (Gambar 2).
Gambar skema konverter flyback
Gambar 2: Diagram skema konverter flyback ditampilkan, dengan kapasitansi parasit dan induktansi yang disorot merah terkait dengan komponen konverter. (Sumber gambar: Bourns Inc.)
Induktansi magnet (Lm) adalah sifat induktif utama yang menentukan penyimpanan energi transformator flyback. Yang juga terkait dengan transformator adalah induktansi kebocoran parasit (Llk) yang dirangkai seri dengan sakelar. Ketika saklar diputuskan, saklar akan berusaha mempertahankan arus primer dan meningkatkan tegangan pada saklar. Kebanyakan konverter flyback menggunakan sirkuit penjepit atau sirkuit penyangga untuk melindungi sakelar dari efek tegangan transien tersebut. Efek ini juga akan meningkatkan radiasi medan magnet dan mempengaruhi interferensi elektromagnetik. Induktansi perutean papan sirkuit (Ltr) meningkatkan efek ini.
Perancang transformator akan melakukan segala upaya untuk meminimalkan kebocoran induktansi. Metode utamanya adalah dengan meningkatkan kopling antara belitan primer dan sekunder. Untuk mencapai hal ini, perlu untuk meminimalkan jarak antar belitan dan mengaturnya secara terhuyung-huyung.
Kapasitansi terdistribusi meliputi kapasitansi primer (Cp), kapasitansi antar belitan (Cps), kapasitansi sekunder (Cs), kapasitansi keluaran transistor efek medan (Co), dan kapasitansi dioda sekunder (Cd). Kapasitor ini berinteraksi dengan induktor, mengurangi integritas bentuk gelombang sinyal konverter (Gambar 3).
Diagram skema pengaruh komponen parasit seperti kapasitor dan induktor pada bentuk gelombang saklar (klik untuk memperbesar)
Gambar 3: Pengaruh komponen parasit seperti kapasitor dan induktor pada bentuk gelombang switching ditunjukkan. (Sumber gambar: Bourns Inc.)
Bentuk gelombang sakelar sebaiknya berupa pulsa persegi panjang tanpa overshoot atau undershoot. Waktu konversi yang cepat dari pulsa persegi panjang ini memastikan bahwa bentuk gelombang tegangan berada pada nol sebelum arus meningkat. Faktanya, efek kapasitansi dan induktansi parasit dapat memperlambat waktu konversi dan menyebabkan overshoot, undershoot, dan osilasi sesaat. Selain itu, karena tumpang tindih tegangan primer dan bentuk gelombang arus yang bukan nol, waktu naik dan turun yang lebih lambat akan meningkatkan kerugian peralihan konverter. Tumpang tindih ini akan mengakibatkan kerugian peralihan pada sakelar FET, sehingga mengurangi efisiensi konverter. Penurunan signifikan pada puncak pulsa disebabkan oleh resistansi beban dan induktansi magnetisasi.
Saat merancang trafo flyback, upaya harus dilakukan untuk menjauhkan frekuensi resonansi diri dari frekuensi switching konverter dan memperpendek kabel antara sakelar dan trafo flyback sebanyak mungkin, yang membantu meminimalkan kapasitansi parasit. Selain itu, kapasitansi antar belitan juga menyediakan jalur untuk menggabungkan komponen frekuensi tinggi dari sinyal primer ke output. Semakin besar kapasitansi antar belitan, semakin besar pula radiasi EMI yang dihantarkan konverter. Untuk mencapai kinerja optimal, trade-off perlu dilakukan dalam desain, karena kopling belitan yang lebih rapat mengurangi induktansi kebocoran namun juga meningkatkan kapasitansi antar belitan. Di sinilah pentingnya pengalaman desainer trafo.
Kurangi ukuran dan isolasi sinyal
Komponen yang digunakan dalam aplikasi otomotif harus sekecil mungkin. Dimensi fisik komponen ditentukan oleh sifat material dan karakteristik fisik fungsi komponen. Untuk transformator flyback, jarak konduktor harus cukup untuk menahan tegangan operasi puncak dan pengujian tegangan yang diperlukan untuk sertifikasi standar. Spesifikasi utama yang terkait dengan gangguan tegangan adalah celah dan jarak rambat (Gambar 4).