Simulazione PSPICE di un convertitore FLY-BACK

Esercitazione di Elettronica di Potenza
Prof. G. Busatto - A.A. 2013/2014
Simulazione SPICE del Convertitore Flyback
Impiegando i valori calcolati nella precedente esercitazione disegnare il convertitore
Flyback così come indicato nello schema elettrico della figura seguente.
Suggerimenti:
a) Utilizzare il MOSFET IRF610-X.
b) Utilizzare il diodo MUR820 (utilizzare i modelli
PSPICE riportati nel file
Librerie_Diodo+MOSFET.txt reperibile dal sito del corso)
c) Per pilotare il MOSFET impiegare un generatore di tensione impulsivo in serie al quale
inserire una resistenza RG=24. Per il generatore impulsivo utilizzare Vinitial=0V,
Von=12V, Tdelay=2us, Trise=Tfall=10nS, Ncycle=1000. Il valore di Tperiod deve
essere fissato per ottenere la giusta frequenza di commutazione. Il valore di Ton deve
essere scelto, caso per caso, in modo da ottenere il duty cycle desiderato.
N.B.
Per il trasformatore utilizzare un fattore COUPLING= -1 in modo da considerare nulle le
induttanze di disperse. Si mette un numero negativo in modo da invertire la fase della
tensione di uscita come è richiesto da un flyback nel quale il "pallino" del trasformatore
di uscita è verso il basso.
Fig. 1 - Schema del convertitore flyback da studiare
Parte 1: Verifica del funzionamento in tutte le condizioni operative
1) Verificare che la specifica sul fattore di ondulazione ( Vo/Vo≤1%) sia rispettata in
tutte le condizioni operative (V1min=Vdmin=38V e V1max=Vdmax=60V per ciascuno dei
valori di I(RL)min=Iomin=1A (RLmax=5) e I(RL)max=Iomax=10A (RLmin=0.5). (Si noti che il
duty cycle deve essere scelto sempre in modo da avere 5 V in uscita. Per fissare il duty
cycle si deve scegliere il valore appropriato di Ton tra i parametri del generatore di
impulsi).
2) Osservando le forme d'onda della corrente nell'induttore di magnetizzazione (primario
del trasformatore) verificare che il convertitore operi sempre in Discontinuous Current
Mode (DCM) in ogni condizione di funzionamento compatibile con le specifiche (vedasi
punto 1).
3) Osservare le forme d'onda della tensione e della corrente di gate e di drain del
MOSFET durante un transitorio di spegnimento in una scala temporale molto risoluta
(2ns/div). Determinare i tempi di salita della tensione e di discesa della corrente di
drain nelle condizioni dissipazione energetica (massima corrente di uscita e massima
tensione di ingresso). In queste condizioni determinare l'energia dissipata dal MOSFET
nel transitorio di spegnimento. Per ottenere le energie dissipate calcolare, mediante la
funzione s(), l'integrale del prodotto ID(M1)*V(M1:d) e misurare la variazione di energia
a cavallo del transitorio.
4) Osservare le forme d'onda della tensione e della corrente di gate e di drain del
MOSFET durante un transitorio di accensione in una scala temporale molto risoluta
(2ns/div). In queste condizioni determinare l'energia dissipata dal MOSFET nel
transitorio di accensione. Commentare il risultato.
5) Osservare le forme d'onda della tensione e della corrente in D. Determinare l'energia
dissipata da esso durante i suoi reverse e forward recovery nelle condizioni di massima
dissipazione energetica.
6) Nelle condizioni peggiori, determinare l'efficienza del convertitore definita come il
rapporto tra la potenza trasferita al carico RL e la potenza fornita dalla sorgente Vd.
Trascurare le potenza fornita dal circuito di pilotaggio.
Parte 2: Verifica degli effetti delle induttanze disperse
1) Per il trasformatore del circuito di Fig. 1 utilizzare un fattore COUPLING= - 0.98 in
modo da tener conto del flusso disperso e, quindi, introdurre nel circuito le relative
induttanze disperse. Mettersi nelle condizioni di massima corrente di uscita.
Visualizzare le forme d'onda di corrente e tensione di drain. Commentare l'andamento
della tensione allo spegnimento.
2) Inserire il circuito di clamp composto da Ccl=15nF, Rcl=4.7k e Dcl (mbrs4201t3).
Fig. 2 - Schema del convertitore flyback con circuito di clamp
3) Mettersi nelle condizioni di massima corrente di uscita. Visualizzare le forme d'onda di
corrente e tensione di drain. Commentare gli andamenti di tali grandezze durante il
transitorio di spegnimento.
4) Ripetere per il nuovo circuito i punti 4), 5) e 6) di cui alla parte 1. Commentare i risultati.
Parte 3: Funzionamento del circuito con un diodo non fast (rettificatore)
1) Sostituire al diodo D il diodo 1N4001-X (diodo rettificatore - non fast).
2) Mettersi nelle condizioni di massima corrente di uscita. Visualizzare le forme d'onda di
corrente e tensione di drain all'accensione dell'interruttore. Commentare gli andamenti
della tensione e della corrente.
3) Ripetere per il nuovo circuito i punti 4), 5) e 6) di cui alla parte 1. Commentare i risultati.