反激变换器的原理与设计

反激变换器的原理与设计1第一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五基于Buck变换器：正激式、双管正激式、推挽式、半桥式、全桥式等

基于Buck-boost变换器：反激式、双管反激式等基于Boost变换器：隔离Boost变换器等2.1电气隔离型DC/DC变换器的基本类型2第二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五正激变换器

3第三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五正激变换器

电路结构简单，是中小功率场合常用的拓扑方案必须采取附加复位电路来实现变压器磁芯磁复位，如有源箝位、RCD箝位、LCD箝位、复位绕组等主功率管的占空比一般都不超过0.54第四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

(a)带磁复位绕组的正激式

5第五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

(b)RCD箝位正激式

6第六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

(c)有源箝位正激式

7第七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五双管正激式

8第八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五双管正激式

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磁芯磁复位功率管的占空比要小于0.59第九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五推挽变换器10第十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五推挽变换器电路结构简单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

11第十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五半桥变换器

12第十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五半桥变换器

磁芯双向磁化，利用率高变压器磁芯不存在直流偏磁现象功率管承受电源电压，输入电压利用率低，适合高压中功率场合13第十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五全桥变换器14第十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五磁芯双向磁化，利用率高易采用软开关工作方式适合大功率场合功率器件较多，控制及驱动较复杂变压器磁芯存在直流偏磁现象桥臂存在直通可能全桥变换器15第十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五反激变换器16第十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五反激变换器电路拓扑更为简洁，易于控制在中小功率变换场合（200W以下）应用广泛适合多路输出场合17第十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五图2-1反激变换器电路

2.2反激变换器的原理与设计18第十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2.2.1原理分析图2-2电感L1和L2的电流波形

19第十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五电流连续模式（CCM）根据磁通连续性原理可得

(2-1)设反激变换器输出功率为Po，变换效率为η，则输入电流平均值为

(2-2)输入电流峰值为

(2-3)20第二十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五电流断续模式（DCM）输入功率和输出功率分别为

(2-4)

(2-5)若不考虑损耗，可得

(2-6)21第二十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五输入电流峰值为

(2-7)22第二十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五电流临界连续模式输出电压和输出电流同时满足式(2-1)和(2-6)。将式(2-1)代入式(2-6)得

(2-8)当D=0.5时，临界连续电流达到最大值：

(2-9)将式(2-9)代入式(2-8)得

(2-10)23第二十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

再将式(2-9)代入式(2-6)，得电流断续模式下的外特性为

(2-11)24第二十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五反激变换器的外特性曲线根据式(2-1)、(2-10)、(2-11)，得到反激变换器外特性曲线。A左边的曲线（对应于式(2-11)）为DCM模式时外特性，曲线A(对应于式(2-10))为临界连续模式时外特性，A右边的曲线（对应于式(2-1)）为CCM模式时外特性。25第二十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五图2-3反激变换器的标幺外特性26第二十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

反激变换器的外特性有如下特点：①类电压源特性：当变换器工作于CCM模式时，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；②类电流源特性：当变换器工作于DCM模式时，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。27第二十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

不同工作模式比较①在输出同样功率时，CCM比DCM模式峰值电流小得多，或者说，选用相同电流容量的功率管CCM模式能输出更大的功率。28第二十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五②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，由式（2-8），电感量L1需满足

（2-12）29第二十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五

若变换器完全工作于断续模式，Ig=Iomax，最大输出电流为临界连续电流，电感量L1为

（2-13）相同输出功率时，DCM模式比CCM模式电感量小得多，储能变压器体积也要小得多。30第三十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五③如果变换器工作于DCM模式，由负载变化引起的占空比调节范围很大，使调节困难，因此DCM模式一般用于负载变化很小且输出功率小的场合；如果变换器工作在CCM模式，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能维持输出电压Uo的恒定。31第三十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五④DCM模式时，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，没有二极管反向恢复问题；

CCM模式时，则存在副边整流二极管的反向恢复问题。32第三十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2.2.220W27VDC/+15V(1.0A)、-5V(0.2A)、+5V(0.4A)机内稳压电源设计与试验*设计为DCM模式；*采用电流型控制方式；*功率电路采用RCD箝位反激变换器33第三十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五设计技术指标为：①

输入电压：18～32VDC②

输出电压三组：+15V(1.0A)、–15V(0.2A)、+5V(0.4A)③

输出电压纹波:VPP<=150mV④

工作频率：300kHz⑤

最大占空比：Dmax=0.6⑥

效率：η>75%34第三十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五电路组成图2-4基于电流控制RCD箝位反激变换器机内稳压电源电路组成35第三十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五DCM模式反激变换器功率电路设计*变压器设计1.确定磁芯材质和型号选用软磁铁氧体R2KBD、罐形磁芯，Bs=5100GS。此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TONmax=DmaxTS=2μS、POmax=20W、η=75%、KC=1、Kμ=0.3、j=500A/cm2代入得

(2-14)36第三十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五选用GU18罐形磁芯，该磁芯的截面积S和窗口面积Q分别为

(2-15)(2-16)(2-17)37第三十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2绕组计算(1)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，所以

(2-18)38第三十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五根据(2-19)、(2-20)式，可得磁芯上所开气隙长度为

(2)计算磁芯上所开气隙的长度δ

(2-19)

(2-20)

(2-21)39第三十九页，共五十二页，编辑于2023年，星期五(3)计算原边绕组匝数

(2-22)取N1=5匝。40第四十页，共五十二页，编辑于2023年，星期五(4)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。同理求得n13=1.6875，n14=1.6875，n15=1.6875，副边绕组匝数为N2=N1/n12=5/4.5=1.11，取1匝，n12'=5；N3=N1/n13=5/1.6875=2.96，取3匝，n13'=1.67；N4取3匝，n14'=1.67；N5取3匝，n15'=1.67。41第四十一页，共五十二页，编辑于2023年，星期五(5)根据N1来校核原边电感，并计算各副边电感

<计算值7.3 (2-25)

(2-26)同理，计算得L3max'=L4max'=L5max'=2.48μH。42第四十二页，共五十二页，编辑于2023年，星期五(6)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

(2-27)各副边电流峰值为

(2-28)同理计算得，I3P=6.18A，I4P=1.24A，I5P=1.24A(Io5取0.2A)。43第四十三页，共五十二页，编辑于2023年，星期五原边电流有效值为

(2-29)副边电流有效值为

(2-30)同理计算得I3=2.25A，I4=0.45A，取自馈电绕组N5电流有效值I5=1A。44第四十四页，共五十二页，编辑于2023年，星期五(7)确定原副边导线线径和股数取j=500A/cm2，根据S=I/j可得，原副边导线截面积为S1=0.0044cm2，S2=0.0018cm2，S3=0.0045cm2，S4=0.0009cm2，S5=0.002cm2。选用d=0.23mm的导线，其截面积为0.0415mm2。N1并绕根数=0.44/0.0415=10.6根，取10根；N2并绕根数=0.18/0.0415=4.33根，取4根；N3并绕根数=0.45/0.0415=10.8根，取10根；N4并绕根数=0.09/0.0415=2.16根，取2根；N5并绕根数=0.2/0.0415=4.82根，取5根。45第四十五页，共五十二页，编辑于2023年，星期五(8)校核窗口系数：

(2-31)(9)参数测试用RLC电桥测得原边绕组的电感L1=7.2μH，副边绕组电感L2=0.29μH，L3=2.48μH，L4=2.48μH，L5=2.48μH，原边对副边的漏感Llk=2.2μH。46第四十六页，共五十二页，编辑于2023年，星期五*功率器件的选择1.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

(2-32)

(2-33)功率管选用IRF530（14A/100V）。47第四十七页，共五十二页，编辑于2023年，星期五2.副边整流二极管的选择整流二极管D6承受的电压应力和电流应力分别为

(2-34)

(2-35)48第四十八页，共五十二页，编辑于2023年，星期五同理计算得，整流二极管D3、D7、D8承受的电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300KHz，所以整流二极管D3、