反激变换器(赵修科)

1反激变换器反激变换器南京航空航天大学自动化学院南京航空航天大学自动化学院赵修科赵修科2内容：内容：II基本原理基本原理II反激变换器断续模式反激变换器断续模式II反激变换器连续模式反激变换器连续模式IIRCCRCC变换器变换器3反激变换器基本电路反激变换器基本电路41.1.基本原理基本原理I在开关S导通时间，输入电压Ui加在变压器T初级，同名端‘•’相对异名端为负，次级二极管D反偏截止。初级电流线性上升（线性电感），变压器作为电感运行:11LUdtdii=tBANtiLUeidddd111==即或eiANUtB1dd=5tBANtiLUeodddd222−=−=ppINNi1122=当i1下降到零，i2达到最大，然后将导通期间存储在磁场能量传输到负载，次级感应电势当功率管关断时，变压器所有线圈感应电势‘•’为正，次级二极管D正偏导通，磁芯磁通不能突变，磁势不变，满足以下关系，作为变压器运行22ddLUtio−=则次级电流线性下降62.2.断续工作模式断续工作模式TofTRTonI1p在功率开关S再次导通前，次级电流下降到零的工作模式称为断续模式.电路进入稳态，输出电压稳定U0I2pIiIottII当功率开关导通（当功率开关导通（TTonon))时，次级二极管截止，有时，次级二极管截止，有onpiTILUti111dd==或fLDULTUIionip111==（1)7在导通期间，初级存储的能量在导通期间，初级存储的能量2211pILW=II稳态时，输入功率为稳态时，输入功率为ηopiPfILWfP===2211II截止时，次级电流以斜率截止时，次级电流以斜率UUoo/L/L22下降，在下降，在TTRR((TTofof))下降到零，将式（下降到零，将式（1)1)代入式（代入式（2)2)，得到输出功，得到输出功率为率为（2)122fL)DU(Pioη=(3)8电路特点电路特点I反激变换器是输出与输入隔离的最简单的变换器。输出滤波仅需要一个滤波电容，不需要体积、重量较大的电感，较低的成本。尤其在高压输出时，避免高压电感和高压续流二极管。UiSUoUiUoLDS9I功率晶体管零电流开通，开通损耗小。而二极管零电流关断，可以不考虑反向恢复问题。I输入平均电流是其峰值电流的D/2。如果D=0.5，Ii=I1p/4。很高的初级峰值电流要选择比连续模式大得多电流定额功率管，适用于高的输入电压（100V）和较小输出功率。同时关断损耗很大，漏感对效率影响大。TofTRTonI1pI2pIiIotD=Ton/T10II低输入电压和低输出电求情况下，输出功率受低输入电压和低输出电求情况下，输出功率受到限制，初级和次级电感太小，生产困难。否到限制，初级和次级电感太小，生产困难。否则降低开关频率则降低开关频率。。I次级峰值电流高,当要求较小的输出纹波电压时，这样高的峰值电流需要很大的输出滤波电容。同时电容的交流有效值应满足电路要求。为了减少输出纹波，这样极高的电流脉冲需要许多铝或鉭电容并联，除非运用较贵的叠层电容。同时，在关断时，初级峰值电流向次级转换，大的阶跃次级峰值电流流入电容，在电容的ESR、ESL上引起很窄尖峰（脉宽通常0.5µs,取决于上升时间）。附加LC滤波问题和电容失效。()'oTmax'minifPDUL221η=例如：U'imin=10V,D=0.5,f=250kHz,P’o=50W,L=1μH11漏感影响－不可避免漏感影响－不可避免Ia.多路输出交叉调节问题。虽然理论上反激变换器没有输出滤波电感，只有输出电容，相当于电压源，只要一路稳定，多路输出的其余各路基本上（除二极管压降）按匝比稳定输出，但由于漏感存在，产生交叉调节问题。UiSUo1Uo2N2N3N11232ooUNNU=12Ib.为了减少漏感引起的电压尖峰，可在变压器初级并联稳压管或RCD电路吸收漏感能量。以稳压管箝位电路为例来说明漏感对损耗的影响。13当功率管关断时，初级电流趋向减少，初级感应当功率管关断时，初级电流趋向减少，初级感应电势反号，次级二极管导通，由于漏感存在，初电势反号，次级二极管导通，由于漏感存在，初级线圈两端电压为级线圈两端电压为z'sUUdtdiL=+11（4)'zpssUUILt11−='ozzpsszpzUUUILTtUIP−⋅=×=221211（5)损耗包含两部分，漏感降低了效率。从I1p下降到零的时间为在稳压管在ts期间损耗功率为''nUU01=tsI1pI2p14电路参数选择电路参数选择I1)确定初级与次级匝比I电路效率'ooo'ooo'ooo'io'o'i'oTi'iiii'ii'iiUUIUIUPPPIUPPUUIUIUPP========ηηη（6)电路总效率oTiηηηη××=15符号定义符号定义iicesi'iRIUUU−−=变压器初级感应电势满足输出电压时，变压器次级感应电势ooDo'oRIUUU++=Ri－输入回路所有电阻Ro－输出回路所有电阻。因为输入或输出一个回路，电流相同，效率等于电压比。变压器损耗是磁芯和漏感引起的损耗。16在最低输入电压在最低输入电压UU’’iminimin（（DDmaxmax))时时，变压器实际输，变压器实际输出功率与输入功率关系（式（出功率与输入功率关系（式（33））））II次级输出功率次级输出功率T'iTmax'mini'PfL)DU(Pηη==1202()fLDUfWPmaxR'oo'o222==两者相等，得到变压器变比TmaxR'omax'miniDUDUNNnη==21通常Dmax=0.5,Drmax=0.45~0.5（7)17考虑了总效率，变压器的变比考虑了总效率，变压器的变比ToimaxRomaxminiDUDUNNnηηη==21（8)()'oTmax'minifPDUL221η=2)求初级电感量（9)式中o'o'oIUP=一般取较小值，保证在规定占空度时，输出大于要求的输出功率。次级电感为初级电感除以n2。183)选择磁芯尺寸根据经验公式4342cm⎥⎦⎤⎢⎣⎡⋅∆∆==KIBILAAAPFLmaxCW式中：K2=0.006;IFL－平均电流；∆I－峰值电流。根据工作频率，材料，允许损耗选择∆Bmax。磁芯选择后，热阻已知，根据温升确定允许损耗。迭代法。（参看《开关电源磁性元件设计》）或根据经验选择适当磁芯试算。窗口不够，再选择大尺寸磁芯。反之，选择小些磁芯。(10)194)4)决定线圈匝数决定线圈匝数根据电磁感应定律，决定线圈匝数NemaxmaxABILN∆∆=一般先从最小电感算起，因匝数取整对铜损耗影响大。取（偏大）整，保证要求电感量（偏小）。根据匝比再求另一个匝数和电感量。如果取整变比变化不大，计算初级电流（式（1)）和次级电流峰值。(11)205)5)线圈导线尺寸线圈导线尺寸初级电流峰值初级电流峰值fLDUImax'minip11=初级电流有效值311maxpDII=导线尺寸：截面积：maxpcuDI.A111440=(j=4A/mm2)次级电流峰值次级电流峰值ppnII12=次级电流持续占空比次级电流持续占空比'opRUfILD22=次级导线尺寸：截面积：RpcuDI.A221440=I1pTon216)6)线圈结构线圈结构II为减少漏感为减少漏感，初级和次，初级和次级线圈采用级线圈采用交错安放。交错安放。常用常用NN11/2/2⇒⇒NN22⇒⇒NN11/2/2线圈骨架磁芯绝缘外包留边N1/2＋N1/2N222功率器件选择功率器件选择功率管电流定额ICM(1.6~2)I1p功率管电压定额U（BR）CER(1.3Uimax+Uz)采用开关二极管，选用较小的trr电流定额IDI2/1.57电压定额UDR(U’o+Uimax/n)输出滤波电容选择pppUIC∆××=−621065应当检查电容在该频率有效值IC。不满足时，采用多个并联，或加LC滤波。222oII−I2pTRTof233.3.连续模式连续模式1)从断续模式到连续模式I1pI2pTonTRTonToft∆II1aI2at242)2)基本关系基本关系根据电磁感应定律变压器导通时磁通变化量与截止磁通变化量相等21NTUNTUofooni==∆φ因此)D(nDUTNTNUUiofonio−==112初级电流（12)aiDII1=次级电流()iaonIIDI=−=21初级电流有效值DIIa11≈（13)25()fP.DUfIDUL'omax'mini'i20211η=∆≥如果初级电感是线性电感，选取∆φ/φ=0.2=∆I/Ia。初级电感功率开关截止期间承受的电压DUnUUUmaxi'omaxiCE−=+=1选择功率开关电压定额(U(BR)CEX)大于(UCE+0.3Uimax)功率管电流定额ICM2Ia。高压功率管电流放大倍数一般在15~35之间。26根据电容电流有效值选择电容量或根据纹波（∆U）、I2p、ESR选择电容量，检查电流有效值。输出电容电流有效值()DDIIac−=1n/UUU'maxi'oDR+=二极管承受的电压与断续相似二极管电流定额57157122.DI.IIaD==274.4.临界连续模式临界连续模式当次级电流刚好下降到零时新的开关周期开始的反激变换器工作方式称为临界模式，通常是变频工作。利用这种模式工作的自激变换器称为RCC（RingingChockConverter）28初始基极电流(ib=Ui/R1)提供集电极电流ic=βibi’c,晶体管饱和,输入电压加在初级N1上，同名端“·”为正，正反馈线圈N3感应电势为S2提供更大基极电流，保证S2逐渐增长的集电极电流情况下仍饱和。根据电磁感应定律有tLUiiic11==初级电流为tiLUidd11=RCCRCC电路原理电路原理初级电流随时间线性增长。29启动时，次级电压未建立，光耦输出截止，S1也截止。当Ue=ieR50.6V时，S1导通对S2基极电流分流，当晶体管退出饱和，各线圈感应电势反号，加速S2截止。次级二极管导通，对输出电容、负载供电。输出电容电压增高，次级电流下降。当i2下降到零，S2又自激。新的周期开始。ββ11132513LTUIiRUURIUionipcbecpb==−−−−≈I1pR5Ic1R3Uc2U3R130稳态工作稳态工作当输出电压建立以后当输出电压建立以后，电压反馈，电压反馈R11,R12、Dz(431)、光耦（GU）工作。控制S2基极电流，将S2基极电流分流，使得初级峰值电流在比启动峰值电流小时关断，当满足以下关系时，输出电压稳定：1112fLDUfLPI'i'op==η临界连续是连续特例，输出与输入关系为()211NNDUDUn'o'i=−=按最低输入电压时，D＝0.5选择匝比。电流关系相似于断续，只是式中DR换成（1-D），电压关系相似于连续。式(9)决定初级电感。31电路设计若干问题I当接通电源输出电压尚未建立时，功率开关关断由引起的，初级电流达到最大值。此峰值电流必须大于最低输入电压时稳态峰值电流，否则不能启动。即V.RIUee605≈=5111602R.IfLPImaxpT'op=≤=ηI根据电磁感应定律磁芯中的磁通密度最大值为)(semaxpmaxBANILBo100111=∆这就是说，如果R5过小，将导致磁芯饱和。32I启动以后，主要由正反馈线圈提供基极电流。由于反馈线圈是正激供电，基极电压近似电压源。当晶体管截止时，N3电压为N2电压箝位，次电压不应当超过S2的U(BR)EBO,即()23NUUN'oEBOBR≤N3提供的基极电流ib应满足2113331βpbeminiIUNNURi⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−=一般β取最小值的80%，保证低温启动和在最低输入电压输出最大功率。33I启动电流一般约零点几mA，与最高输入电压时反馈线圈电流有关，尽可能小。i3max/iR1β2。如果输入是全电压，R1受到电阻耐压限制，可能用几个电阻串联，每个电阻值在1MΩ以下。I当输出空载并最高输入电压时，反馈线圈电流最大；输出电压升高，电压反馈使得光耦导通电流ID加到最大，选择R8保证提供足够大电