反激变换器——第六章ppt课件

1、第六章第六章 反激变换器拓扑反激变换器拓扑 6.1 概述概述Introduction6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理(Discontinuous-Mode Flybacks Basic Operation) 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作原理 (continuous-Mode Flybacks Basic Operation)6.4 交错反激变换器交错反激变换器本章小结本章小结第六章第六章 反激变换器反激变换器 6.1 6.1 概述概述反激变换器的工作原理：反激变换器的工作原理： 开关管导通时，变压器贮存

2、能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时，变压器将贮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：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，降低本钱。需的，减小体积，降低本钱。应用范围：应用范围：l5150W电源中应用广泛电源中应用广泛l高电压、小功率场所电压不大于高电压、小功率场所电压不大于5000V，功率小于，功率小于15Wl50W150W且有多组输出的变换器且有多组输出的变换器l选择适宜的匝比，可用于直流输入低至选择适宜的匝比，可用于直流输入低至5V的场所的场所6.2 6.2

3、不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理工作原理工作原理电路有一主一辅两个输出，主输电路有一主一辅两个输出，主输出出Vom接负反响闭环。接负反响闭环。Vom的的采样电压与参考电压相比较，产采样电压与参考电压相比较，产生的误差信号控制生的误差信号控制Q1的导通时的导通时间，使输出采样电压在输入电压间，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。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。好，但对负载变化调整稍差。6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的

4、根本工作原理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，反偏，C1、C0单独向负载供电。单独向负载供电。C1、C0容量的选择应保证提供负载电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。流的同时能满足输出电压纹波和压降的要求。Q1导通期间，导通期间，Np的电压恒定，的电压恒定，其电流线性上升，斜率为其电流线性上升，斜率为di/dt=(Vdc-1)/Lp，其中，其中，Lp是初级励磁电感。是初级励磁电感。在导通完毕之前，初级电流上升到达在导通完毕之前，初级电流上升到达Ip=(Vdc-1)To

5、n/Lp。变压器储能为。变压器储能为Q1关断时，励磁电感的电流使各绕组反向，设此时次级只要一个主次级绕关断时，励磁电感的电流使各绕组反向，设此时次级只要一个主次级绕组组Nm，无其他辅助绕组。那么由于电感电流不能突变，在，无其他辅助绕组。那么由于电感电流不能突变，在Q1关断霎时，变关断霎时，变压器次级电流幅值为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几个开关周期之后，次级直流电压上升到Vom。Q1关断时，关断时，Nm同名端电压同名端电压为正，电流从该端输出并线性下降，斜率为为正，电流从该端输出并线性下降，斜率为dIs/dt=Vom/Ls。其中。其中Ls为次级为次级电感。假设次级电流

6、电感。假设次级电流Is再次导通之前降到零，那么变压器存储的能量在再次导通之前降到零，那么变压器存储的能量在Q1再再次导通之前已经传送到负载端，变压器工作在不连续形式。一个周期次导通之前已经传送到负载端，变压器工作在不连续形式。一个周期T内直流内直流母线电压提供的功率为母线电压提供的功率为6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理Ip=(Vdc-1)Ton/Lp,那么有由上式可见，只要反响坚持由上式可见，只要反响坚持VdcTon恒定，即可坚持输出恒定。恒定，即可坚持输出恒定。6.2.1 输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系输入电压、输出电压及

7、导通时间与输出负载的关系设变换器效率为设变换器效率为80从式从式4.2b可见最大导通时间可见最大导通时间Ton出如今输入电压最低的时候，即出如今输入电压最低的时候，即Ip=VdcTon/Lp反响环路在反响环路在Vdc或或Ro上升时减小上升时减小Ton ，在，在Vdc或或Ro下降时增大下降时增大Ton，从而自动调整输出。，从而自动调整输出。6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理6.2.2 设计原那么和设计步骤设计原那么和设计步骤1、确定初、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接受的最大次级匝数比匝比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可接

8、受的最大关断电压应力关断电压应力Vms忽略漏感尖峰并设整流管压降为忽略漏感尖峰并设整流管压降为1V，那么直流输入电压最大时开关管的最大，那么直流输入电压最大时开关管的最大电压应力为电压应力为参数的选择应使参数的选择应使Vms尽量小，以保证即便有尽量小，以保证即便有0.3Vdc的漏感尖峰叠加于的漏感尖峰叠加于Vms，对开关管的极限值对开关管的极限值Vceo、Vcer或或Vcev仍有仍有30的裕度。的裕度。2、保证磁心不饱和且电路始终工作于、保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM形式形式假设假设Q1和和D1的正向导通压降均为的正向导通压降均为1V，那么有，那么有式中，式中，Tr是图中变压器的复位时间

9、，也是次级电流降为零的时间。是图中变压器的复位时间，也是次级电流降为零的时间。即保证变压器正负伏秒数相等。即保证变压器正负伏秒数相等。6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理为保证电路不工作于不连续形式，必需设定死区时间，即图中的Tdt。3、初级电感与最小输出电阻及直流输入电压的关系、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6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理4、开关管的最大

10、电压应力和峰值电流假设开关管为双极晶体管，那么其峰值电流Ip为其中其中Vdc已给定，已给定，Ton可由式可由式4.7计算，计算，Lp可由可由4.8求出。假设开求出。假设开关管为关管为MOSFET，那么其最大额定电流为式，那么其最大额定电流为式(4.9)计算值的计算值的510倍，以使倍，以使其导通电阻足够小，导通压降足够大。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 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理6、次级电流有效值和导线尺寸、次级电流有效值和导线尺寸次级电流

11、为三角波，峰值为次级电流为三角波，峰值为Is=Ip(Np/Ns)，持续时间为，持续时间为Ts。初次级匝。初次级匝比比Np/Ns由式由式(4.4)给出，给出，Tr=0.8T-Ton，因而次级电流有效值为，因而次级电流有效值为6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理7、不连续形式下的反激变换器设计实例、不连续形式下的反激变换器设计实例设计参数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。选择额定电压为择额定电压为200V的开关管。在式的开关管。在式(4.4

12、)中，开关管关断时接受的最大电压应力中，开关管关断时接受的最大电压应力Vms为为120V,因而即便关断霎时的漏感尖峰为因而即便关断霎时的漏感尖峰为Vms的的25或或30V，仍有，仍有50V的电压裕度。由式的电压裕度。由式(4.4)可得可得6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理根据式根据式(4.7确定最大导通时间确定最大导通时间)由式由式(4.8)有有6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理由式由式(4.10)有有由式由式(4.9)有有6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下

13、反激变换器的根本工作原理根据式根据式(4.11)，初级所需的总园密耳数为，初级所需的总园密耳数为选用选用19号线，其园密耳数为号线，其园密耳数为1290根据式根据式(4.12)，可得次级电流为，可得次级电流为复位时间复位时间Tr满足满足0.8T-Ton=16-9.9=6.1s6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理由式由式(4.12)可知，次级所需的总园密耳数为可知，次级所需的总园密耳数为5002110500。因而选用因而选用10号线，但号线，但10号线直径太大，选用等园密耳的铜箔绕组或者号线直径太大，选用等园密耳的铜箔绕组或者并绕细线替代。并绕

14、细线替代。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9.9s，那么滤波电容那么滤波电容Co在在13.9s(包括导通时间和死区时间，此时的输出电流完全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由电容提供)里接受里接受10A的电流，其电压坡度为的电流，其电压坡度为当电压下降0.05V时，知容量为2000F的铝电解电容的平均ESR值为1、在开关管关断霎时，次级电流峰值为、在开关管关断霎时，次级电流峰值为66A，此电流流过等效电阻，产生，此电流流过等效电阻，产生很窄的尖峰电压很窄的尖峰电压660.03=2V。当反激

15、变换器的匝比。当反激变换器的匝比Np/Ns较大时，开关管较大时，开关管关断时这种高幅度窄尖峰电压是很常见的问题。关断时这种高幅度窄尖峰电压是很常见的问题。处置方法：选用比上式计算值大的电容因为处置方法：选用比上式计算值大的电容因为Resr与与Co成反比或外接成反比或外接小型小型LC电路以吸收窄尖峰。电路以吸收窄尖峰。6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理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、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，因而初级安匝趋于使磁心饱和。安匝，因而初级安匝趋于使磁心饱

16、和。处置方法：给铁氧体磁心加气隙或采用自身有内部气隙的处置方法：给铁氧体磁心加气隙或采用自身有内部气隙的MPP坡莫合金粉坡莫合金粉末磁心末磁心存在问题：存在问题：6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理6.2.3 反激拓扑的电磁原理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，研磨掉采用实心铁氧体磁心，研磨掉EE型或罐型磁心中型或罐型磁心中心柱的一部分形成气隙；在心柱的一部分形成气隙；在U型或型或UU型磁心的两型磁心的两半间插入塑料薄片形成气隙。半间插入塑料薄片形成气隙

17、。 采用采用MPP(坡莫合金粉末坡莫合金粉末)磁心磁心6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理1、铁氧体磁心加气隙防止饱和、铁氧体磁心加气隙防止饱和铁氧体磁心加气隙作用：铁氧体磁心加气隙作用： 磁滞回线倾斜，磁导率降低磁滞回线倾斜，磁导率降低 进步饱和安匝数进步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匝数6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作

18、原理2、采用、采用MPP磁芯防止饱和磁芯防止饱和6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理6.2 6.2 不连续形式下反激变换器的根本工作原理不连续形式下反激变换器的根本工作原理6.2.4 反激变换器的缺点反激变换器的缺点1、较大的输出电压尖峰、较大的输出电压尖峰开关管开场关断时刻，从开关管开场关断时刻，从Co看进去的阻抗远低于看进去的阻抗远低于Ro，所有次级大电流都流入，所有次级大电流都流入Co及其等效串联电阻及其等效串联电阻Resr。这将产生窄而高的输出的电压尖峰。这将产生窄而高的输出的电压尖峰Ip(Np/Ns)Resr。尖峰的宽度通常小于尖峰

19、的宽度通常小于0.5s。处置方法：窄反激变换器主储能电容后加小型处置方法：窄反激变换器主储能电容后加小型LC滤波器滤波器,用于滤掉宽度小于用于滤掉宽度小于0.5s的尖峰。的尖峰。注意：误差放大器应在注意：误差放大器应在LC滤波器之前对输出电压进展采样。滤波器之前对输出电压进展采样。2、需要大容量且能耐高纹波电流的输出滤波电容、需要大容量且能耐高纹波电流的输出滤波电容输出纹波电压要求并不能最终决定滤波电容的选择，而是由根据纹波电压要求初输出纹波电压要求并不能最终决定滤波电容的选择，而是由根据纹波电压要求初选的电容的纹波电流额定值决定的。选的电容的纹波电流额定值决定的。假设根据输出纹波电压初选的电

20、容不能到达额定电流的要求，那么应选择更大容量的电容，或使用多个电容并联工作。反激变换器的两种工作形式：反激变换器的两种工作形式：不连续形式和连续形式不连续形式和连续形式6.3 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作原理决定电路工作形式的参数是：决定电路工作形式的参数是：变压器的励磁电感和电路的输变压器的励磁电感和电路的输出负载电流出负载电流如图如图(a)所示，不连续形式所示，不连续形式的初级电流前端没有阶梯，的初级电流前端没有阶梯，而在关断霎时而在关断霎时b次级次级电流是衰减的三角波，在电流是衰减的三角波，在下一个周期开场之前已衰下一个周期开场之前已衰减到零。

21、说明下个周期开减到零。说明下个周期开场之前开关导通时间存储场之前开关导通时间存储于初级的能量以完全传送于初级的能量以完全传送到次级负载。到次级负载。6.3 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式如图连续形式如图(c)所示。初级电所示。初级电流有前沿阶梯且沿斜坡上升流有前沿阶梯且沿斜坡上升;在在开关管关断期间图开关管关断期间图d，次级电路为阶梯上叠加衰减的次级电路为阶梯上叠加衰减的三角波。开关管再次导通时，三角波。开关管再次导通时，次级仍然维持有电流。次级仍然维持有电流。6.3 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作

22、原理两种工作形式的比较：两种工作形式的比较：不连续形式电路的响应更快且负载电流或输入电压突不连续形式电路的响应更快且负载电流或输入电压突变引起的输出电压尖峰更低。变引起的输出电压尖峰更低。不连续形式下次级电流峰值大，将在关断霎时产生较不连续形式下次级电流峰值大，将在关断霎时产生较大的输出电压尖峰，从而需要较大的大的输出电压尖峰，从而需要较大的LC滤波器；大的滤波器；大的峰值电流会产生严重的峰值电流会产生严重的RFI问题。问题。不连续形式下次级电流可以到达连续形式的两倍，整不连续形式下次级电流可以到达连续形式的两倍，整流二极管的温升也更高流二极管的温升也更高不连续形式下初级电流峰值约为连续形式的

23、两倍，要不连续形式下初级电流峰值约为连续形式的两倍，要求使用更大电流且可能更昂贵的开关管，而且也会导求使用更大电流且可能更昂贵的开关管，而且也会导致更大的致更大的EMI问题。问题。不连续形式比连续形式应用更广泛的原因：不连续形式比连续形式应用更广泛的原因：1、不连续形式自身的变压器励磁电感小而响应快，且输、不连续形式自身的变压器励磁电感小而响应快，且输出负载电流和输入电压突变时，输出电压瞬态尖峰小。出负载电流和输入电压突变时，输出电压瞬态尖峰小。2、由于连续形式自身的特性其传送函数具有右半平面、由于连续形式自身的特性其传送函数具有右半平面零点，必需大幅减小误差放大器带宽才干使反响环稳零点，必需

24、大幅减小误差放大器带宽才干使反响环稳定。定。6.3 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式反激变换器的设计原那么连续形式反激变换器的设计原那么1、输出电压和导通时间的关系、输出电压和导通时间的关系稳态时，初级开关管导通时的伏秒数等于其关断时的稳态时，初级开关管导通时的伏秒数等于其关断时的伏秒数伏秒数反响环在反响环在Vdc增大时降低增大时降低Ton，在，在Vdc减小时升高减小时升高Ton，以坚持输出电，以坚持输出电压的稳定。压的稳定。6.36.3连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作原理2、输入、输出电流与功率的关系、输入、

25、输出电流与功率的关系6.3 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的根本工作原理在图在图4.6中，输出功率等于输出电压与次级电流脉冲乘积的平均值。因为中，输出功率等于输出电压与次级电流脉冲乘积的平均值。因为Icsr等于次级电流上升斜坡的中间值。所以有等于次级电流上升斜坡的中间值。所以有式式(4.18)和式和式(4.19)中的中的 由式由式(4.17)中的中的Vom、Vdc和匝比和匝比Ns/Np 确确定，此匝比由式定，此匝比由式4.4得到。得到。假设效率为假设效率为80，即，即Po=0.8Pin，Icpr等于初级电流上升斜坡的中间值，那么等于初级电流上升斜坡的中间值，那么有有6.3 6.3 连续形式下反激变换器的根本工作原理连续形式下反激变换器的