Форвард конвертор

Форвард конвертор (енгл. forward converter) је посебна врста прекидачког извора напајања који се користи за добијање изолованог и контролисаног једносмјерног напона од неконтролисаног наизмјеничног улазног или једносмјерног напајања. Форвард конвертор је конвертор који користи намотаје трансформатора да повећа или смањи напон (то зависи од спрегнутости намотаја у трансформатору) и обезбјеђује галванску изолацију оптерећења.

Поглед на коло које може да ради и као форвард и као флајбек конвертор

Овај конвертор врши исту улогу као и флајбек конвертор, с тим што је енергетски много ефикаснији. Такође, у поређењу са фалјбек конвертором, он се користи за уређаје којима је потребана већи излазна снага (распона од 100 до 200 вати).

Структура

Улога форвард конвертора није да акумулира енергију (као флајбек кенвертор) него да је преноси. Због тога језгро трансфорнатора нема ваздушни процјеп. Његова основна структура се састоји од:

• МОСФЕТА као контролног елемента
• Трансформатора чији је примарни намотај повезан серијски са МОСФЕТ-ом према улазу, а секундарни са филтром и исправљачким колом

Често се трансформатор сaстоји од три и више секундара, да би се добиле различите вриједности излазног напона који су потребни неком уређају.

Рад

На Слици 2. приказан је форвард конвертор са једним МОСФЕТ-ом. Форавард конвертор преноси енергију за вријеме провођења МОСФЕТ-а. Током овог периода напон $V_{1}$ је једнак улазном напону. Намотај $N_{2}$ је исто усмјерен као и намотај $N_{1}$.

Слика 1 - Форвард конвертор са једним МОСФЕТ-ом

Када МОСФЕТ проводи напон $V_{2}$ (напон на намортају $N_{2}$) је једнак $V_{i}n$*$N_{2}$/$N_{1}$. Напон $V_{2}$ побуђује струју $I_{2}$ кроз диоду $D_{2}$ која је током овог периода једнако струји $I_{3}$ кроз калем L, која пуни транзистор $C_{o}ut$.

Током периода када МОСФЕТ не проводи, кроз намотаје $N_{1}$ и $N_{2}$ не тече струја. Тада се калем L празни кроз диоду $D_{3}$. Вриједност напона $V_{3}$ је једнак нули (занемарујемо пад напона на диоди $D_{3}$).

Слика 2. - Таласни облици код Форвард конвертор са једним МОСФЕТ-ом.jpg

Током периода када је МОСФЕТ закочен, могнетни флукс трансформатора мора да се смањи на нулу. Језгро се демагнетизује преко намотаја $N_{1}'$ кроз диоду $D_{1}$ до напона $V_{i}n$. Пошто $N_{1}'$ има исти број навојака као и $N_{1}$, то демагнетизацији треба исто онолико времена колико је МОСФЕТ био укључен. Због тога МОСФЕТ треба да буде искључен најмање онолико времена колико је био укључен, па је максимални однос $t_{1}$/Т једнак 0.5 (гдје је $t_{1}$ вријеме док је транзистор укључен а Т период једног циклуса).

Током времена $t_{2}$ (док је МОСФЕТ искључен), напон на намотају $N_{1}'$ је једнак излазном напону $V_{i}n$.

Овај напон ће бити трансформисан натраг на намотај $N_{1}$ и тада је $V_{1}$ = - $V_{i}n$.

Због овога напон дрејн – сорс ће се попети на $V_{d}s$>=2*$V_{i}n$.

Графици значајних напона и стуја су приказани на слици 2.

Излазни напон Воут је једнак средњој вриједности напона $V_{3}$. То доводи до формуле

$V_{out}=V_{in}{\frac {N_{2}}{N_{1}}}{\frac {t_{1}}{T}}$

Нека је тајање док је МОСФЕТ искључен минимално па је тада

${\frac {N_{2}}{N_{1}}}=2{\frac {V_{out}}{V_{in}}}$ и $N_{1}=N'_{1}\!$

Форвард конвертор са два транзистора

Interna struktura pojačavača tipa 741

Слика оваког форвард транзистора је дата на слици 3.

Оба МОСФЕТ-а су укључена у исто вријеме. Током времена када проводе, напон на примарном намотају је једнак улазном напону $V_{i}n$. Када МОСФЕТ-ови не проводе трансформатор ће се демагнетизовати преко диода $D_{1}$ и $D_{2}$ до напона улаза $V_{i}n$. У поређењу са форвард конвертором са једним МОСФЕТ-ом овај тип има предност у томе што МОСФЕТ-ови блокирају само улазни напон, а намотај $N_{1}'$ није потребан. Самим тим спрегнутост намотаја трансформатора није твише критична. Са овим предностима овај конвертор је, у односу на тип са једним МОСФЕТ-ом, погодан за значајно веће излазне снаге (реда неколико kW).

Рачунања параметара су иста као код форвард конвертора са једним МОСФЕТ-ом. Разлика је у томе што је за прекид рада МОСФЕТ-а потрабан напон $V_{d}s$ = $V_{i}n$.

Овај тип фпрвард конвертора се користи код електронски регулисанских апарата за варење метала једносмјерном струјом.

Историја

Слика 4. - Пејнтеров форвард конвертор из 1956. године

Форвард конвертори у задњих 50 година домонирају на тржишту комерцијалних извора напајања који превазилазе снагу од 50 W.

Да би стекли прави утисак о развоју форвард конвертора треба напоменути следеће: Хајнрих Рудолф Херц (1857 – 1894) је у својим експериментима са електромагнетним таласима користио просто фалјбек коло. Аутомобил Форд Модел Т, који је производила компанија Форд од 1908. до 1927. године, је имао систем за паљење на бази флајбек конвертора. Бак енд буст конвертори су се пајавили током раних двадесетих, а марта 1956. Пејнтер је представио прву схему овог конвертора (слика 4).

Затим је 1963. Дадли користио Пејнтерово коло, међтим, он је користио излаз кола за ресетовање. Послије тога је влало слабо интересовање за овај конвертор, све до средине седамдесетих. Тек је тада, тачније 1975, форвард конвертор добио форму какву данс има. Ту верзију је предложила компанија филипс. Ова верзија је имала два транзистора и двије диоде за ресетовање и терцијелне намотаје.

Са Карстеновом верзијом из 1981. Форвард конвертор је широко прихваћен.

Примјена

Као што смо рекли, форвард конвертор се користи код уређаја којим аје потребна већа излазна снага. Нађена му је веика примјена у технологији прекидачких напајања за компјутере, телевизоре и разне друге електронске уређаје. Такође, користи се код аутомобила, гдје се од малих напона акумулатора добијају велике снаге. Користе се и код уређаја за варење.

Литература

• Hart, Daniel (2010). Power Electronics. William C Brown Publishing. 
• Dokić, Branko L. (2007). Energetska elektronika - pretvarači i regulatori. Beograd/Banja Luka: Akademska misao/Elektrotehnički fakultet. 

Спољашње везе

• Power Electronics Technology Архивирано на сајту Wayback Machine (28. октобар 2011)
• Jaycar Electronics Reference Data Sheet
• SOW Forward Converter With Synchronous Rectification And Secondary Side Control
• History of the forward converter
• Forward Type Switched Mode Power Supply