反激变换器的原理与设计

1、1第二章第二章 反激变换器的原理与设计反激变换器的原理与设计 2.1 2.1 电气隔离型电气隔离型DC/DCDC/DC变换器的基本类型变换器的基本类型2.2 2.2 反激变换器的原理与设计反激变换器的原理与设计2 基于基于BuckBuck变换器变换器： 正激式、双管正激式、推挽式、半桥正激式、双管正激式、推挽式、半桥 式、全桥式等式、全桥式等 基于基于Buck-boostBuck-boost变换器变换器： 反激式、双管反激式等反激式、双管反激式等 基于基于BoostBoost变换器变换器： 隔离隔离BoostBoost变换器等变换器等2.1 2.1 电气隔离型电气隔离型DC/DCDC/DC变换

2、器的基本类型变换器的基本类型3u 正激变换器正激变换器 4u 正激变换器正激变换器 电路结构简单，是中小功率场合常用电路结构简单，是中小功率场合常用 的拓扑方案的拓扑方案 必须采取附加复位电路来实现变压器必须采取附加复位电路来实现变压器 磁芯磁复位，如磁芯磁复位，如有源箝位、有源箝位、RCDRCD箝位、箝位、 LCD LCD箝位、复位绕组箝位、复位绕组等等 主功率管的占空比一般都不超过主功率管的占空比一般都不超过0.50.55 (a) (a) 带磁复位绕组的正激式带磁复位绕组的正激式 6 (b) RCD(b) RCD箝位正激式箝位正激式 7 (c) (c) 有源箝位正激式有源箝位正激式 8u

3、双管正激式双管正激式 9u 双管正激式双管正激式 电路结构简单，适用于中小功率场合电路结构简单，适用于中小功率场合 不需采取附加复位电路来实现变压器不需采取附加复位电路来实现变压器 磁芯磁复位磁芯磁复位 功率管的占空比要小于功率管的占空比要小于0.50.510u 推挽变换器推挽变换器11u 推挽变换器推挽变换器 电路结构简单电路结构简单 变压器磁芯双向磁化变压器磁芯双向磁化 电路必须有良好的对称性，否则容易引起电路必须有良好的对称性，否则容易引起 直流偏磁导致磁芯饱和直流偏磁导致磁芯饱和 变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感 12u 半桥变换器半桥变换器 13u

4、 半桥变换器半桥变换器 磁芯双向磁化，利用率高磁芯双向磁化，利用率高 变压器磁芯不存在直流偏磁现象变压器磁芯不存在直流偏磁现象 功率管承受电源电压，输入电压利用率功率管承受电源电压，输入电压利用率 低，适合高压中功率场合低，适合高压中功率场合14u 全桥变换器全桥变换器15 磁芯双向磁化，利用率高磁芯双向磁化，利用率高 易采用软开关工作方式易采用软开关工作方式 适合大功率场合适合大功率场合 功率器件较多，控制及驱动较复杂功率器件较多，控制及驱动较复杂 变压器磁芯存在直流偏磁现象变压器磁芯存在直流偏磁现象 桥臂存在直通可能桥臂存在直通可能u 全桥变换器全桥变换器16u 反激变换器反激变换器17u

5、 反激变换器反激变换器 电路拓扑更为简洁，易于控制电路拓扑更为简洁，易于控制 在中小功率变换场合（在中小功率变换场合（200W200W以下以下）应用）应用 广泛广泛 适合多路输出场合适合多路输出场合18图图2-1 反激变换器电路反激变换器电路 2.2 2.2 反激变换器的原理与设计反激变换器的原理与设计192.2.1 2.2.1 原理分析原理分析00000DTsTsTs0Ts(1+D)TsDTs(1+D)TsDTs(1+D)Ts1i1i1i2i2i2itttttt) a () b() c (CCM模式DCM模式 电流临界连续模式图图2-2 电感电感L1和和L2的电流波形的电流波形 20u 电流

6、连续模式（电流连续模式（CCM） 根据根据磁通连续性原理磁通连续性原理可得可得 (2-1) 设反激变换器输出功率为设反激变换器输出功率为Po，变换效率为，变换效率为，则输入电流平均值为则输入电流平均值为 (2-2) 输入电流峰值为输入电流峰值为 (2-3)i12oUD1DNNUio1UPIDL2TUDUPI1Siiop121u 电流断续模式（电流断续模式（DCM）输入功率和输出功率分别为输入功率和输出功率分别为 (2-4) (2-5)若不考虑损耗，可得若不考虑损耗，可得 (2-6)tdtLUUT1P1iDTs0iSi1S22iL2TDUoooIUP 22iSo1oUDTU2LI22输入电流峰值

7、为输入电流峰值为 (2-7)DLTUDUP2I1Siiop123u 电流临界连续模式电流临界连续模式 输出电压和输出电流同时满足式输出电压和输出电流同时满足式(2-1)和和(2-6)。将式。将式(2-1)代入式代入式(2-6)得得 (2-8)当当D=0.5时，临界连续电流达到最大值：时，临界连续电流达到最大值： (2-9)将式将式(2-9)代入式代入式(2-8)得得 (2-10)22iSiONS1go121oU TUTFNIID(1D)2LN2LU211SimaxgNNL8TUI)D1 (DI4Imaxgg24oi212maxgoUUDNNI4I 再将式再将式(2-9)代入式代入式(2-6)，

8、得电流断续模，得电流断续模式下的外特性为式下的外特性为 (2-11)25u 反激变换器的外特性曲线反激变换器的外特性曲线 根据式根据式(2-1)、(2-10)、(2-11)，得到反激变换，得到反激变换器外特性曲线。器外特性曲线。A左边的曲线（对应于式左边的曲线（对应于式(2-11)）为为DCM模式时外特性，曲线模式时外特性，曲线A(对应于式对应于式(2-10)为为临界连续模式时外特性，临界连续模式时外特性，A右边的曲线（对应于右边的曲线（对应于式式(2-1)）为）为CCM模式时外特性。模式时外特性。26图图2-3 2-3 反激变换器的标幺外特性反激变换器的标幺外特性27 反激变换器的外特性有如

9、下特点：反激变换器的外特性有如下特点： 类电压源特性类电压源特性：当变换器工作于：当变换器工作于CCM模式模式 时，输出电压与输出电流的大小无关，时，输出电压与输出电流的大小无关， 变换器的外特性类似于电压源特性；变换器的外特性类似于电压源特性； 类电流源特性类电流源特性：当变换器工作于：当变换器工作于DCM模模 式时，变换器存在很高的非线性内阻，式时，变换器存在很高的非线性内阻， 变换器具有类似于电流源的特性。变换器具有类似于电流源的特性。28u 不同工作模式比较不同工作模式比较 在输出同样功率时，在输出同样功率时，CCM比比DCM模式模式峰值电峰值电 流流小得多，或者说，选用相同电流容量的

10、功率小得多，或者说，选用相同电流容量的功率 管管CCM模式能输出更大的功率。模式能输出更大的功率。29 若变换器设计在整个工作状态电流连续，若变换器设计在整个工作状态电流连续， Ig=Iomin，最小输出电流为临界连续电流，最小输出电流为临界连续电流， 由式（由式（2-8），电感量），电感量L1需满足需满足2222iONSiONS1ominoominUTFUTFL2IU2P （2-122-12）30若变换器完全工作于断续模式，若变换器完全工作于断续模式，Ig=Iomax，最大最大输出电流为临界连续电流，电感量输出电流为临界连续电流，电感量L1为为 （2-13）n相同输出功率时，相同输出功率时，

11、DCM模式比模式比CCM模式电感量模式电感量 小得多，储能变压器体积也要小得多。小得多，储能变压器体积也要小得多。2222iONSiONS1omaxoomaxUTFUTFL2IU2P31 如果变换器工作于如果变换器工作于DCM模式模式，由负载变化引，由负载变化引 起的占空比调节范围很大，使调节困难，因起的占空比调节范围很大，使调节困难，因 此此DCM模式一般用于模式一般用于负载变化很小负载变化很小且且输出功输出功 率小率小的场合；的场合； 如果变换器工作在如果变换器工作在CCM模式模式，对于输入电网，对于输入电网 电压以及负载的变化只需较小的脉宽变化便电压以及负载的变化只需较小的脉宽变化便 能

12、维持输出电压能维持输出电压Uo的恒定。的恒定。32 DCM模式模式时，变压器副边整流二极管在原边时，变压器副边整流二极管在原边 功率管再次开通前电流已下降到零，没有二功率管再次开通前电流已下降到零，没有二 极管极管反向恢复问题反向恢复问题； CCM模式模式时，则存在副边整流二极管的反向时，则存在副边整流二极管的反向 恢复问题。恢复问题。332.2.2 20W 27VDC/+15V(1.0A)、-5V(0.2A)、+5V(0.4A)机内稳压电源设计与试验机内稳压电源设计与试验* 设计为设计为DCM模式；模式；* 采用电流型控制方式；采用电流型控制方式；* 功率电路采用功率电路采用RCD箝位反激变

13、换器箝位反激变换器34 设计技术指标为：设计技术指标为： 输入电压：输入电压：1832VDC 输出电压三组：输出电压三组：+15V(1.0A)、 15V(0.2A)、+5V(0.4A) 输出电压纹波输出电压纹波:VPP 75%35u 电路组成电路组成图图2-4 基于电流控制基于电流控制RCD箝位反激变换器机内稳压电源电路组成箝位反激变换器机内稳压电源电路组成36u DCM模式反激变换器功率电路设计模式反激变换器功率电路设计* 变压器设计变压器设计1.确定磁芯材质和型号确定磁芯材质和型号选用软磁铁氧体选用软磁铁氧体R2KBD、罐形磁芯，罐形磁芯，Bs=5100GS。此。此时磁芯工作于第二种工作状

14、态，取磁芯磁感应强度的变化量时磁芯工作于第二种工作状态，取磁芯磁感应强度的变化量B=1/3BS=1700GS，将将TONmax=DmaxTS=2S、POmax=20W、=75%、KC=1、K=0.3、j=500A/cm2代入得代入得 (2-14)84maxmax2100.04184oONCPTSQcmB K K j37 选用选用GU18罐形磁芯，该磁芯的截面积罐形磁芯，该磁芯的截面积S和和窗口面积窗口面积Q分别为分别为 222Ccm4118. 0)9 . 28 . 7(4SS2(14.67.8) 3.60.2448Qcm440.4118 0.24480.10080.04184SQcmcm(2-

15、15)(2-16)(2-17)382 绕组计算绕组计算(1) 计算变压器初级电感量计算变压器初级电感量 DCM模式，最大输出功率时电流临界连续模式，最大输出功率时电流临界连续，所以，所以 H103 . 775. 01033. 3220)102(18T2PTUL66262Smaxo2maxON2minimax1(2-18)39根据根据(2-19)、(2-20)式，可得磁芯上所开气隙长度式，可得磁芯上所开气隙长度 为为8C1ONi10SNTUBcm01875. 01075. 04118. 017004 . 01033. 320210SBTP28268C20Smaxo(2) 计算磁芯上所开气隙的长度

16、计算磁芯上所开气隙的长度8C210SmaxO2maxON2minimax110SNT2PTUL (2-19) (2-20) (2-21)40(3) 计算原边绕组匝数计算原边绕组匝数 (2-22)6881max10CL7.3 100.01875N10105.14S0.40.4118取取N1=5匝。匝。41(4) 计算匝比，确定各副边绕组匝数计算匝比，确定各副边绕组匝数 (2-23)* UD为输出整流二极管压降。为输出整流二极管压降。同理求得同理求得n13=1.6875，n14=1.6875，n15=1.6875，副边绕组匝数为副边绕组匝数为N2=N1/n12=5/4.5=1.11，取取1匝，匝，

17、n12=5；N3=N1/n13=5/1.6875=2.96，取取3匝，匝，n13=1.67；N4取取3匝，匝，n14=1.67；N5取取3匝，匝，n15=1.67。5 . 4) 15(4 . 0186 . 0)UU)(TT(UTNNnD02maxONminimaxON211242(5) 根据根据N1来校核原边电感，并计算各副边电感来校核原边电感，并计算各副边电感 计算值计算值7.3 (2-25) (2-26)同理，计算得同理，计算得L3max=L4max=L5max=2.48H。8C021max110SNL821001875. 04118. 04 . 05H109 . 66HH1028. 01

18、0SNL68C022max243(6) 计算变压器原副边绕组电流有效值计算变压器原副边绕组电流有效值 变压器原边电流峰值为变压器原边电流峰值为 (2-27) 各副边电流峰值为各副边电流峰值为 (2-28)A94. 475. 06 . 018202DUP2ImaxminioP1A47. 275. 06 . 018522DUnP2Imaxmini122oP2 同理计算得，同理计算得，I3P=6.18A，I4P=1.24A，I5P=1.24A(Io5取取0.2A)。44原边电流有效值为原边电流有效值为 (2-29)副边电流有效值为副边电流有效值为 (2-30) 同理计算得同理计算得I3=2.25A，

19、I4=0.45A，取自馈电绕组取自馈电绕组N5电流电流有效值有效值I5=1A。A2 . 23ITTdt) tTI(T1I2P1SONT02ONP1S1ONA9 . 03ITTdt) tTII (T1I2P2SOFFT02OFFP2P2S2OFF45(7) 确定原副边导线线径和股数确定原副边导线线径和股数 取取j=500A/cm2，根据根据S=I/j可得，原副边导线截面可得，原副边导线截面积为积为S1=0.0044cm2，S2=0.0018cm2，S3=0.0045cm2，S4=0.0009cm2，S5=0.002cm2。 选用选用d=0.23mm的导线，其截面积为的导线，其截面积为0.0415

20、mm2。N1并绕根数并绕根数=0.44/0.0415=10.6根，取根，取10根；根；N2并绕并绕根数根数=0.18/0.0415=4.33根，取根，取4根；根；N3并绕根数并绕根数=0.45/0.0415=10.8根，取根，取10根；根；N4并绕根数并绕根数=0.09/0.0415=2.16根，取根，取2根；根；N5并绕根数并绕根数=0.2/0.0415=4.82根，取根，取5根。根。46(8) 校核窗口系数：校核窗口系数： (2-31)(9) 参数测试参数测试 用用RLC电桥测得原边绕组的电感电桥测得原边绕组的电感L1=7.2H，副边副边绕组电感绕组电感L2=0.29H，L3=2.48H，

21、L4=2.48H，L5=2.48H，原边对副边的漏感原边对副边的漏感Llk=2.2H。QNSNSNSNSNSK55443322113 . 0178. 047* 功率器件的选择功率器件的选择1. 功率开关管的选择功率开关管的选择 功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为 (2-32) (2-33) 功率管选用功率管选用IRF530（14A/100V）。）。2o21maximaxDSUNNUUV5965 . 432A94. 475. 06 . 018202DUP2ImaxminioP1482.副边整流二极管的选择副边整流二极管的选择 整流二极管整流二极管

22、D6承受的电压应力和电流应力分别为承受的电压应力和电流应力分别为 (2-34) (2-35)2oi126DUUNNU) 15(3292V1 .13A64. 2IIP2P,6D49 同理计算得，整流二极管同理计算得，整流二极管D3、D7、D8承受的电承受的电压和电流应力分别为：压和电流应力分别为：UD3=33.78V，ID3,P=1.2A，UD7=33.78V，ID7,P=3.2A，UD8=33.78V，ID8,P=1.2A。因为开关频率为因为开关频率为300KHz，所以整流二极管所以整流二极管D3、D6、D8选用选用肖特基二极管肖特基二极管1N5819（1A/40V）。）。D7选用选用肖特基二极管肖特基二极管SR506（5A/60V）。）。 二极管二极管D2的作用是阻止启动时输入电压对死负的作用是阻止启动时输入电压对死负载载R4供电，使得电容供电，使得电容C2上的电压迅速上升，从而使上的电压迅速上升，从而使UC1843快速启动，快速启动，D2也选用也选用1N581