反激变换器——第六章

第六章 反激变换器拓扑

功 率 变 换 电 路

不隔离型

降压、升压、降-升 压、库克变换器

单端 隔离型 双端

反激、正激 推挽、半桥、 全桥

第六章 反激变换器6.1 概述(Introduction) 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理(Discontinuous-Mode Flybacks ——Basic Operation)

6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理(continuous-Mode Flybacks ——Basic Operation)

6.4 交错反激变换器本章小结

6.1 概述反激变换器的工作原理：开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电 容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输 出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。

优点：不需要输出滤波电感(滤波电感在所有正激拓扑中是必 需的),减小体积，降低成本。

应用范围： 5~150W电源中应用广泛 高电压、小功率场合(电压不大于5000V,功率小于15W) 50W~150W且有多组输出的变换器 选择合适的匝比，可用于直流输入低至5V的场合

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理工作原理电路有一主一辅两个输出，主输 出Vom接负反馈闭环。Vom的 采样电压与参考电压相比较，产 生的误差信号控制Q1的导通时 间，使输出采样电压在输入电压 和负载变化时跟随参考电压变化。 辅输出对输入电压的变化调整很 好，但对负载变化调整稍差。

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理Q1导通时，所有绕组同名端的电压相对于异名端为负；输出整流管D1、 D2反偏，C1、C0单独向负载供电。C1、C0容量的选择应保证提供负载电 流的同时能满足输出电压纹波和压降的要求。Q1导通期间，Np的电压恒定， 其电流线性上升，斜率为di/dt=(Vdc-1)/Lp,其中，Lp是初级励磁电感。 在导通结束之前，初级电流上升达到Ip=(Vdc-1)Ton/Lp。变压器储能为

Q1关断时，励磁电感的电流使各绕组反向，设此时次级只有一个主次级绕 组Nm,无其他辅助绕组。则由于电感电流不能突变，在Q1关断瞬间，变压 器次级电流幅值为 几个开关周期之后，次级直流电压上升到Vom。Q1关断时，Nm同名端电压 为正，电流从该端输出并线性下降，斜率为dIs/dt=Vom/Ls。其中Ls为次级 电感。若次级电流Is再次导通之前降到零，则变压器存储的能量在Q1再次导 通之前已经传送到负载端，变压器工作在不连续模式。一个周期T内直流母线 电压提供的功率为

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理Ip=(Vdc-1)Ton/Lp,则有

由上式可见，只要反馈保持VdcTon恒定，即可保持输出恒定。

6.2.1 输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系设变换器效率为80%

从式(4.2b)可见最大导通时间Ton

出现在输入电压最低的时候，即 Ip=VdcTon/Lp

反馈环路在Vdc或Ro上升时减小Ton ,在Vdc或Ro下降时增大Ton,从而自动调整输出。

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2.2 设计原则和设计步骤1、确定初/次级匝数比(匝比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可承受的最大 关断电压应力Vms) 忽略漏感尖峰并设整流管压降为1V,则直流输入电压最大时开关管的最大电 压应力为

参数的选择应使Vms尽量小，以保证即使有0.3Vdc的漏感尖峰叠加于Vms, 对开关管的极限值(Vceo、Vcer或Vcev)仍有30%的裕度。2、保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式 即保证变压器正负伏秒数相等。 假设Q1和D1的正向导通压降均为1V,则有

式中，Tr是图中变压器的复位时间，也是次级电流降为零的时间。

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理

为保证电路不工作于不连续模式，必须设定死区时间，即图中的Tdt。

Vdc和Vms确定后，Np/Nsm可由式(4.4)求得，联立式(4.5)和式(4.6)可得

3、初级电感与最小输出电阻及直流输入电压的关系由式(4.3)可得初级电感计算公式

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理4、开关管的最大电压应力和峰值电流若开关管为双极晶体管，则其峰值电流Ip为

其中Vdc已给定，Ton可由式(4.7)计算，Lp可由(4.8)求出。若开关 管为MOSFET,则其最大额定电流为式(4.9)计算值的5~10倍，以使其导 通电阻足够小，导通压降足够大。

5、初级电流有效值和导线尺寸初级电流为三角波，峰值为Ip,有效值为

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理6、次级电流有效值和导线尺寸次级电流为三角波，峰值为Is=Ip(Np/Ns),持续时间为Ts。初次级匝 比Np/Ns由式(4.4)给出，Tr=0.8T-Ton,因此次级电流有效值为

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理7、不连续模式下的反激变换器设计实例设计参数

首先选择开关管的额定电压。因为额定电压是决定变压器匝比的主要因素。选 择额定电压为200V的开关管。在式(4.4)中，开关管关断时承受的最大电压应力 Vms为120V,因此即使关断瞬间的漏感尖峰为Vms的25%(或30V),仍有50V 的电压裕度。由式(4.4)可得

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理根据式(4.7确定最大导通时间)

由式(4.8)有

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理由式(4.9)有

由式(4.10)有

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理根据式(4.11),初级所需的总园密耳数为

选用19号线，其园密耳数为1290根据式(4.12),可得次级电流为

复位时间Tr满足(0.8T-Ton)=16-9.9=6.1μ s

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理由式(4.12)可知，次级所需的

总园密耳数为500×21=10500。 因此选用10号线，但10号线直径太大，选用等园密耳的铜箔绕组或者 并绕细线代替。 输出电容根据输出纹波选择。输出电流最大时，开关管的导通时间为9.9μ s, 则滤波电容Co在13.9μs(包括导通时间和死区时间，此时的输出电流完全由 电容提供)里承受10A的电流，其电压坡度为 当电压下降0.05V时，

已知容量为2000μ F的铝电解电容的平均ESR值为

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理存在问题：1、在开关管关断瞬间，次级电流峰值为66A,此电流流过等效电阻，产 生很窄的尖峰电压66×0.03=2V。当反激变换器的匝比Np/Ns较大时，开 关管关断时这种高幅度窄尖峰电压是很常见的问题。解决办法：选用比上式计算值大的电容(因为Resr与Co成反比)或外接 小型LC电路以吸收窄尖峰。 2、在反激变换器总中，当初级流过电流时，没有流过次级绕组以抵消初级 安匝，因此初级安匝趋于使磁心饱和。 解决办法：给铁氧体磁心加气隙或采用本身有内部气隙的MPP(坡莫合金粉 末)磁心

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2.3 反激拓扑的电磁原理防止反激变换器磁心饱和的方法：给磁心加气隙 采用实心铁氧体磁心，研磨掉EE型或罐型磁心中 心柱的一部分形成气隙；在U型或UU型磁心的两 半间插入塑料薄片形成气隙。

采用MPP(坡莫合金粉末)磁心

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理1、铁氧体磁心加气隙防止饱和 铁氧体磁心加气隙作用：

磁滞回线倾斜，磁导率降低 提高饱和安匝数 磁芯制造商通常给出计算对应电感所需匝数的曲线图和安 匝数

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理2、采用MPP磁芯防止饱和

6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理

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