Leitfaden für Flyback-Transformatoren

Was ist ein Flyback-Transformator und wie funktioniert er?

Ein Flyback-Transformator (Sperrwandlertransformator) ist eine gekoppelte Induktivität mit einem luftspaltbehafteten Kern, die speziell zur Speicherung magnetischer Energie ausgelegt ist. Während jedes Schaltzyklus wird beim Anlegen der Eingangsspannung an die Primärwicklung Energie im Luftspalt des Kerns gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird anschließend an die Sekundärwicklung übertragen, um die Last zu versorgen. Flyback-Transformatoren werden häufig eingesetzt, um in einem Flyback-Wandler (Sperrwandler) die Spannungswandlung und die galvanische Trennung zu gewährleisten.

Flyback-Transformatoren sind eine beliebte Wahl für kostengünstige, hocheffiziente isolierte Stromversorgungsdesigns bis zu einer Leistung von etwa 120 W. Sie bieten Schaltungsisolation, die Möglichkeit für mehrere Ausgänge sowie die Flexibilität, positive oder negative Ausgangsspannungen zu erzeugen. Zudem lassen sie sich über einen weiten Eingangsspannungs- und Lastbereich präzise regeln. Da die Speicherung der magnetischen Energie direkt im Transformator erfolgt, benötigt die Flyback-Topologie im Gegensatz zu anderen isolierten Topologien keine separate Ausgangsfilterdrossel. Dies reduziert die Bauteileanzahl und vereinfacht den Schaltungsaufbau sowohl bei DC-DC- als auch bei AC-DC-Stromversorgungen. Dieser Artikel behandelt Flyback-Transformatoren und die Anwendungen, für die sie am besten geeignet sind.

Was ist die Flyback-Schalttopologie?

Bei der Flyback-Schalttopologie wird Energie während der ersten Hälfte des Schaltzyklus im Magnetfeld des Transformators gespeichert und in der zweiten Hälfte des Zyklus an die mit der Last verbundene(n) Sekundärwicklung(en) abgegeben. Ein Flyback-Transformator verfügt über einen Kern mit Luftspalt, der eine hohe Speicherung magnetischer Energie ermöglicht, ohne dass der Kern in die Sättigung gerät. Diese Energiespeichereigenschaft unterscheidet den Flyback-Wandler von anderen Topologien wie beispielsweise Durchflusswandlern (Forward-Topologien), bei denen die Energie direkt von der Primär- zur Sekundärseite übertragen wird. Flyback-Transformatoren werden auch als gekoppelte Induktivitäten bezeichnet, da sie aufgrund ihrer Kernkonstruktion mit Luftspalt Energie im Kern speichern können.

Wie funktioniert ein Flyback-Controller?

Die Flyback-Topologie basiert auf der Buck-Boost-Topologie, wobei der Transformator die galvanische Trennung sowie – falls erforderlich – die Spannungsanpassung über das Windungsverhältnis übernimmt. Das in Abbildung 1 dargestellte Schaltbild zeigt einen typischen Flyback-Wandler.

Der am häufigsten verwendete Schalter (SW) in einem Flyback-Wandler ist ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Gelegentlich kommen auch Bipolartransistoren sowie zunehmend GaN- (Galliumnitrid) oder SiC-Transistoren (Siliziumkarbid) zum Einsatz. Der Flyback-Controller öffnet und schließt den Schalter mit dem entsprechenden Tastverhältnis (Duty Cycle), um die gewünschte Ausgangsspannung bereitzustellen. Das Tastverhältnis eines Flyback-Wandlers überschreitet typischerweise 0,5 nicht.

Verschiedene Kombinationen aus Windungsverhältnis und Tastverhältnis können verwendet werden, um die gewünschte Ausgangsspannung gemäß folgender Gleichung zu erzielen:

V_out = V_in × (N_s / N_p) × (D / (1 − D))

Dabei gilt:

• V_out = Ausgangsspannung
• V_in = Eingangsspannung
• N_s = Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung
• N_p = Anzahl der Windungen der Primärwicklung
• D = Tastverhältnis = t_on / (t_on + t_off)

Der grundlegende Flyback-Schaltzyklus umfasst folgende Phasen:

• Wenn der FET (Field Effect Transistor) SW geschlossen (EIN) ist, fließt Strom durch die Primärwicklung des Transformators. Dadurch entsteht ein Magnetfeld, in dem Energie im Kern gespeichert wird. Aufgrund der Wicklungspolarität (gekennzeichnet durch die Polaritätspunkte) wird die Ausgangsdiode in Sperrrichtung betrieben, sodass während der eingeschalteten Phase keine Energie auf die Sekundärseite beziehungsweise die Last übertragen wird. Während dieses Abschnitts des Schaltzyklus steigt der Primärstrom kontinuierlich an, um Energie im Kern zu speichern (= ½LI²).
• Wird der FET geöffnet (AUS), bricht das Magnetfeld zusammen und die gespeicherte Energie wird auf die Sekundärwicklung und schließlich auf die Last übertragen. Zu Beginn dieser Phase erreicht der Sekundärstrom seinen Spitzenwert und nimmt anschließend kontinuierlich ab, während die gespeicherte Energie an die Last abgegeben wird.

Wird der FET wieder eingeschaltet, bevor die gesamte Energie auf die Sekundärseite übertragen wurde, fällt der Sekundärstrom nie auf Null ab. Dieser Betriebszustand wird als nicht-lückender Betrieb bzw. kontinuierlicher Stromflussmodus (CCM) bezeichnet. Ein Beispiel für einen Signalverlauf im nicht-lückenden Betrieb ist in Abbildung 2 dargestellt. Wird die gespeicherte Flyback-Energie vollständig auf die Sekundärseite übertragen, bevor der FET wieder eingeschaltet wird, erreicht der Sekundärstrom vor Ablauf der Schaltperiode den Wert Null, wodurch während des Zyklus eine Leerlaufzeit (T_idle) entsteht. Dies wird als lückender Betrieb bzw. diskontinuierlicher Stromflussmodus (DCM) bezeichnet. Ein Beispiel für einen Signalverlauf im lückenden Betrieb ist in Abbildung 3 dargestellt. Transformatoren können für den kontinuierlichen Betrieb (CCM), den lückenden Betrieb (DCM) oder für beide Betriebsarten ausgelegt sein. Ein Flyback-Transformator kann je nach Eingangsspannung und Lastbedingungen im CCM oder im DCM betrieben werden.

Bei der Auslegung eines Flyback-Transformators für ein DC-DC- oder AC-DC-Netzteil führt der ungünstigste Fall – maximale Last bei minimaler Eingangsspannung – zum höchsten erforderlichen Primärspitzenstrom. Wählen Sie einen Leistungstransformator mit einem Nennwert für den Primärspitzenstrom (I_pk) oder den Primärsättigungsstrom (I_sat), der deutlich über dem für die Anwendung erwarteten Primärspitzenstrom liegt. Überschreitet der Primärspitzenstrom der Anwendung die Nennleistung des Transformators, führt die Kernsättigung zu einem Abfall der Primärinduktivität. Benötigt die Last dann zusätzliche Energie, wird die magnetische Energiespeicherkapazität des Transformators überschritten, sodass die Last nicht mehr ausreichend versorgt werden kann. Dies führt zu einem Verlust der Regelgenauigkeit; daher ist der Primärspitzenstrom (I_pk) bzw. Primärsättigungsstrom (I_sat) eines Flyback-Transformators ein kritischer Parameter bei der Auslegung von Stromversorgungen.

Was sind typische Anwendungsbereiche für Flyback-Transformatoren?

Flyback-Transformatoren können in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt werden, darunter:

• DC/DC-Stromversorgungen
• Telekommunikation
• LED-Beleuchtung
• Power over Ethernet (PoE)
• Kondensatorladegeräte
• Batterieladegeräte
• Solar-Mikrowechselrichter
• AC/DC-Stromversorgungen

Standardisierte Flyback-Transformatoren sind für zahlreiche Anwendungen verfügbar, bei denen geringe Kosten, eine kompakte Baugröße und ein hoher Wirkungsgrad entscheidend sind. Sie werden typischerweise in DC/DC-Wandlern im Telekommunikations-Spannungsbereich von 37 bis 72 VDC eingesetzt. Darüber hinaus kommen sie auch in erweiterten Eingangsspannungsbereichen von 2 bis 400 VDC sowie bei universellen Netzspannungen von 85 bis 265 VAC zum Einsatz.

Flyback-Transformatoren werden üblicherweise für Ausgangsströme unter etwa 10 A und Ausgangsleistungen unter etwa 100 W verwendet. Coilcraft bietet standardisierte, sofort verfügbare Flyback-Transformatoren für Leistungsbereiche von wenigen Watt bis etwa 120 W an. Werden höhere Ströme oder Leistungen benötigt, sind Durchflusswandler (Forward Converter), Gegentaktwandler (Push-Pull-Topologien) sowie Halbbrücken- oder Vollbrückenwandler in der Regel die effizientere Wahl.

Wie wähle ich den passenden Coilcraft Flyback-Transformator für meine Anwendung aus?

Wie bei jedem Bauelement der Leistungselektronik geht es auch bei der Auswahl eines Flyback-Transformators darum, einen optimalen Kompromiss zwischen Leistung, Baugröße, Wirkungsgrad, Kosten und Gewicht zu finden. Eine sorgfältige Auswahl der Kerngröße ist erforderlich, um eine ausreichende Speicherung magnetischer Energie ohne Kernsättigung zu erreichen. Der Drahtdurchmesser muss so gewählt werden, dass er den erforderlichen Ausgangsstrom ohne übermäßigen Temperaturanstieg der Wicklungsisolierung tragen kann. Die Wahl der Kernform und des Spulenkörpers sollte so optimiert werden, dass die Wicklungslänge minimiert und ein möglichst niedriger Gleichstromwiderstand (DCR) erreicht wird. Eine höhere Schaltfrequenz kann die Baugröße des Transformators verringern, jedoch müssen Entwickler die steigenden Wechselstromverluste infolge von Kernverlusten sowie Skin- und Proximity-Effekten berücksichtigen.

Coilcraft bietet einen hilfreichen Leitfaden für die Auswahl eines geeigneten serienmäßigen Flyback-Transformators auf der Grundlage folgender Kriterien:

• Ob Ihre Anwendung über eine Gleichspannungsquelle (DC) oder über einen Wechselspannungseingang (AC-Netz) versorgt wird.
• Der erforderliche Eingangsspannungsbereich des Transformators (V_min entspricht dem ungünstigsten Betriebsfall).
• Die benötigte(n) Ausgangsspannung(en).
• Der erforderliche Ausgangs-RMS-Strom beziehungsweise die Ausgangsleistung. Die Ausgangsleistung kann näherungsweise wie folgt berechnet werden: P_out = V_out × I_out

Coilcraft ordnet seine Flyback-Transformatoren zunächst nach Eingangsspannungsbereich und sortiert die verfügbaren Modelle innerhalb dieser Kategorien anschließend nach ihrer Ausgangsleistung.

Referenzen

Mammano, Robert A., 2017. Fundamentals of Power Supply Design. Texas Instruments.

Colonel Wm. T. McLyman, 1988. Transformer and Inductor design Handbook. 2nd ed., Marcel Dekker.

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