कॉम्पैक्ट इलेक्ट्रिक वाहन बिजली आपूर्ति डिजाइन में ऑटोमोटिव ग्रेड फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर का अनुप्रयोग

नवोन्वेषी ऑटोमोटिव डिजाइन में विद्युत और इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा स्रोतों की मांग को निम्नानुसार संक्षेपित किया जा सकता है: शक्ति बढ़ाना, दक्षता में सुधार करना, स्थान की आवश्यकताओं को कम करना और विश्वसनीयता बढ़ाना। इलेक्ट्रिक वाहनों (ईवी) के लिए, उपयोगकर्ताओं की "रेंज चिंता" को कम करने में दक्षता महत्वपूर्ण है। इलेक्ट्रिक वाहनों की विभिन्न आवश्यकताओं को ध्यान में रखते हुए, हमें बैकअप और सहायक बिजली स्रोतों के लिए कॉम्पैक्ट और हल्के बिजली समाधान प्रदान करने की आवश्यकता है। छोटी बिजली आपूर्ति अधिक चुनौतियाँ लाती है, जिसमें निकट दूरी वाले घटकों के बीच विद्युत टूटने को रोकने और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) को कम करने के लिए अधिक अलगाव क्षमताओं की आवश्यकता भी शामिल है।

फ्लाईबैक पावर कन्वर्टर्स का उपयोग आमतौर पर विभिन्न कम-शक्ति वाले इलेक्ट्रिक वाहन अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें सहायक बिजली, बैटरी प्रबंधन और गेट ड्राइव पावर उत्पन्न करना शामिल है। इसका डिज़ाइन कम घटकों के साथ सरल है, जिससे आकार कम हो जाता है, विश्वसनीयता में सुधार होता है और लागत कम हो जाती है। फ्लाईबैक बिजली आपूर्ति का मूल फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर है, जो आमतौर पर उच्च-वोल्टेज अलगाव का समर्थन करने के लिए आवश्यक सबसे बड़े घटकों में से एक है।

यह लेख फ्लाईबैक कन्वर्टर्स के कार्य सिद्धांत, परजीवी प्रेरण और समाई के प्रभाव, और घटक आकार और सिग्नल अलगाव के महत्व का परिचय देता है। फिर, बॉर्न्स का फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर पेश किया गया, और इसने कई ऑटोमोटिव बिजली आपूर्ति समस्याओं को हल करने में कैसे मदद की, यह बताया गया।

फ्लाईबैक कनवर्टर
फ्लाईबैक कनवर्टर का कोर एक फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर है, जो कनवर्टर सर्किट के प्राथमिक और माध्यमिक पक्षों के बीच बिजली संचरण और अलगाव प्रदान करता है (चित्रा 1, शीर्ष)। कनवर्टर फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर के कॉन्फ़िगरेशन के अनुसार डीसी बिजली आपूर्ति के वोल्टेज को बढ़ा या घटा सकता है। फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर के अलावा, सर्किट को एक प्राथमिक साइड स्विच (एसडब्ल्यू) (आमतौर पर एमओएसएफईटी) और एक सेकेंडरी रेक्टिफायर/फ़िल्टर की भी आवश्यकता होती है।

फ्लाईबैक कनवर्टर के बुनियादी घटकों का सरलीकृत योजनाबद्ध आरेख
चित्र 1: फ्लाईबैक कनवर्टर के बुनियादी घटकों (शीर्ष चित्र) और महत्वपूर्ण ऑपरेटिंग तरंगों (निचला चित्र) का एक सरलीकृत योजनाबद्ध आरेख दिखाया गया है। (छवि स्रोत: बॉर्न्स इंक.)

वीजीएस को उच्च स्तरीय स्थिति (चित्रा 1, नीचे) में रखकर, एसडब्ल्यू चालू होने पर कर्तव्य चक्र शुरू होता है। जब स्विच बंद हो जाता है, तो प्रारंभ करनेवाला पर लागू वोल्टेज एक चरण फ़ंक्शन होता है। इंडक्टर्स करंट में किसी भी तात्कालिक परिवर्तन का प्रतिकार कर सकते हैं और लागू स्टेप वोल्टेज को एकीकृत कर सकते हैं। यह एक रैंप फ़ंक्शन बनाता है, जहां प्राथमिक इंडक्शन के प्रभाव के कारण फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर की प्राथमिक वाइंडिंग में करंट रैखिक रूप से बढ़ता है। रेक्टिफायर डायोड (डी) के रिवर्स बायस के कारण ट्रांसफार्मर के सेकेंडरी में कोई करंट नहीं होता है। फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर के कोर में हवा का अंतर ट्रांसफार्मर के चुंबकीय क्षेत्र बढ़ने पर संतृप्ति को रोक सकता है।

जब स्विच बंद कर दिया जाता है (वीजीएस को कम स्थिति में बहाल करके), ट्रांसफार्मर के चुंबकीय क्षेत्र में संग्रहीत ऊर्जा को आउटपुट कैपेसिटर (सी 2) को चार्ज करते हुए, आगे के पक्षपाती डायोड के माध्यम से माध्यमिक में स्थानांतरित किया जाता है। द्वितीयक धारा तब तक रैखिक रूप से घटती जाती है जब तक कि चुंबकीय क्षेत्र की ऊर्जा समाप्त न हो जाए या स्विच फिर से न खुल जाए, जिससे अगला चक्र शुरू न हो जाए।

एक विशिष्ट ट्रांसफार्मर, जैसे कि एक रैखिक बिजली आपूर्ति में ट्रांसफार्मर, प्राथमिक वाइंडिंग से द्वितीयक वाइंडिंग तक लगातार ऊर्जा स्थानांतरित करता है। फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर का कार्य सिद्धांत युग्मित प्रेरकों की एक जोड़ी के समान है, क्योंकि यह कार्य चक्र के दौरान लगातार ऊर्जा संचारित नहीं करता है। हालाँकि, ट्रांसफार्मर की तरह, आउटपुट वोल्टेज को भी प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग के बीच टर्न अनुपात को बदलकर समायोजित किया जा सकता है। फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग के बीच विद्युत अलगाव भी प्रदान करता है। इसके अलावा, यह कई माध्यमिक वाइंडिंग्स का भी समर्थन करता है, जिससे कनवर्टर कई वोल्टेज आउटपुट कर सकता है।

फ्लाईबैक कन्वर्टर्स के परजीवी प्रभाव
एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के रूप में, फ्लाईबैक कन्वर्टर्स परजीवी अधिष्ठापन और कैपेसिटेंस (चित्रा 2) से प्रभावित होते हैं।

फ्लाईबैक कनवर्टर का योजनाबद्ध चित्र
चित्र 2: फ्लाईबैक कनवर्टर का योजनाबद्ध आरेख दिखाया गया है, जिसमें कनवर्टर घटकों से संबंधित लाल हाइलाइटेड परजीवी समाई और अधिष्ठापन शामिल है। (छवि स्रोत: बॉर्न्स इंक.)

मैग्नेटाइज्ड इंडक्शन (एलएम) मुख्य प्रेरक गुण है जो फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर के ऊर्जा भंडारण को निर्धारित करता है। स्विचों के साथ श्रृंखला में परजीवी रिसाव अधिष्ठापन (एलएलके) भी ट्रांसफार्मर से संबंधित है। जब स्विच डिस्कनेक्ट हो जाता है, तो यह प्राथमिक धारा को बनाए रखने और स्विच में वोल्टेज बढ़ाने का प्रयास करेगा। अधिकांश फ्लाईबैक कन्वर्टर्स स्विच को ऐसे क्षणिक वोल्टेज के प्रभाव से बचाने के लिए क्लैंप सर्किट या बफर सर्किट का उपयोग करते हैं। यह प्रभाव चुंबकीय क्षेत्र विकिरण को भी बढ़ाएगा और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप को प्रभावित करेगा। सर्किट बोर्ड रूटिंग इंडक्शन (एलटीआर) इन प्रभावों को बढ़ाता है।

ट्रांसफार्मर डिजाइनर लीकेज इंडक्शन को कम करने के लिए हर संभव प्रयास करेंगे। मुख्य विधि प्राथमिक और द्वितीयक वाइंडिंग के बीच युग्मन को बढ़ाना है। इसे प्राप्त करने के लिए, वाइंडिंग्स के बीच की दूरी को कम करना और उन्हें क्रमबद्ध तरीके से व्यवस्थित करना आवश्यक है।

वितरित कैपेसिटेंस में प्राथमिक कैपेसिटेंस (सीपी), इंटर वाइंडिंग कैपेसिटेंस (सीपीएस), सेकेंडरी कैपेसिटेंस (सीएस), फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर आउटपुट कैपेसिटेंस (सीओ), और सेकेंडरी डायोड कैपेसिटेंस (सीडी) शामिल हैं। ये कैपेसिटर इंडक्टर्स के साथ इंटरैक्ट करते हैं, जिससे कनवर्टर सिग्नल वेवफ़ॉर्म की अखंडता कम हो जाती है (चित्र 3)।

स्विच तरंगों पर कैपेसिटर और इंडक्टर्स जैसे परजीवी घटकों के प्रभाव का योजनाबद्ध आरेख (बड़ा करने के लिए क्लिक करें)
चित्र 3: स्विचिंग तरंग पर कैपेसिटर और इंडक्टर्स जैसे परजीवी घटकों का प्रभाव दिखाया गया है। (छवि स्रोत: बॉर्न्स इंक.)

स्विच वेवफॉर्म अधिमानतः बिना ओवरशूट या अंडरशूट के एक आयताकार पल्स है। इस आयताकार पल्स का तेज़ रूपांतरण समय यह सुनिश्चित करता है कि करंट बढ़ने से पहले वोल्टेज तरंग शून्य पर हो। वास्तव में, परजीवी कैपेसिटेंस और इंडक्शन के प्रभाव रूपांतरण समय को धीमा कर सकते हैं और ओवरशूट, अंडरशूट और तात्कालिक दोलन का कारण बन सकते हैं। इसके अलावा, गैर-शून्य प्राथमिक वोल्टेज और वर्तमान तरंग रूपों के ओवरलैप के कारण, धीमी वृद्धि और गिरावट के समय कनवर्टर के स्विचिंग नुकसान में वृद्धि होगी। इस ओवरलैप के परिणामस्वरूप FET स्विच में स्विचिंग हानि होगी, जिससे कनवर्टर की दक्षता कम हो जाएगी। पल्स के शीर्ष पर महत्वपूर्ण कमी लोड प्रतिरोध और मैग्नेटाइजिंग इंडक्शन के कारण होती है।

फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर को डिजाइन करते समय, स्वयं गुंजयमान आवृत्ति को कनवर्टर की स्विचिंग आवृत्ति से दूर रखने और स्विच और फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर के बीच तारों को जितना संभव हो उतना छोटा करने का प्रयास किया जाना चाहिए, जो परजीवी कैपेसिटेंस को कम करने में मदद करता है। इसके अलावा, इंटर वाइंडिंग कैपेसिटेंस प्राथमिक सिग्नल के उच्च-आवृत्ति घटकों को आउटपुट से जोड़ने के लिए एक मार्ग भी प्रदान करता है। वाइंडिंग्स के बीच कैपेसिटेंस जितना बड़ा होगा, कनवर्टर का संचालित ईएमआई विकिरण उतना ही अधिक होगा। इष्टतम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए, डिज़ाइन में ट्रेड-ऑफ़ करने की आवश्यकता होती है, क्योंकि तंग वाइंडिंग युग्मन रिसाव अधिष्ठापन को कम करता है, लेकिन अंतर वाइंडिंग कैपेसिटेंस को भी बढ़ाता है। यहीं पर ट्रांसफार्मर डिजाइनरों के अनुभव का महत्व निहित है।

आकार कम करें और संकेतों को अलग करें
ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले घटक यथासंभव छोटे होने चाहिए। घटकों के भौतिक आयाम भौतिक गुणों और घटक कार्यक्षमता की भौतिक विशेषताओं द्वारा निर्धारित होते हैं। फ्लाईबैक ट्रांसफार्मर के लिए, मानक प्रमाणीकरण के लिए आवश्यक पीक ऑपरेटिंग वोल्टेज और वोल्टेज परीक्षण का सामना करने के लिए कंडक्टर रिक्ति पर्याप्त होनी चाहिए। वोल्टेज ब्रेकडाउन से संबंधित मुख्य विशिष्टताएं गैप और क्रीपेज दूरी (चित्र 4) हैं।