開關(guān)電源設(shè)計(jì)很全的資料

1、1 目錄1開關(guān)電源的特點(diǎn)與分類11.1線性、開關(guān)電源的特點(diǎn)11.2開關(guān)電源的電路類型11.3開關(guān)電源的工作模式41.4零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)方式52開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)72.1BUCK變換器的基本原理72.2BOOST變換器的基本原理82.3BUCK/BOOST變換器的基本原理92.4反激變換器的基本原理112.5正激變換器的基本原理152.6推挽式變換器的基本原理172.7電流型半橋變換器的基本原理192.7.1基本原理192.7.2控制要求222.8電壓式半橋式變換器232.9全橋式變換器的基本原理242.10半橋LLC諧振變換器的基本原理263變壓器的設(shè)計(jì)323.1變壓

2、器的工作原理323.2變壓器的模型343.3高頻變壓器對(duì)磁芯材料的要求363.4高頻變壓器設(shè)計(jì)考慮的幾個(gè)問題373.5寄生參數(shù)和影響383.6高頻變壓器設(shè)計(jì)步驟404高頻變壓器的繞組474.1Ansys 有限元分析軟件474.2通電導(dǎo)線的集膚和鄰近效應(yīng)524.3不同繞組結(jié)構(gòu)對(duì)高頻變壓器電磁參數(shù)的影響534.4不同繞組結(jié)構(gòu)高頻變壓器的設(shè)計(jì)示例575AC/DC開關(guān)電源實(shí)例625.165W 反激開關(guān)開關(guān)電源625.1.1產(chǎn)品特色635.1.2典型應(yīng)用及引腳功能描述645.1.3TOP264-271 功能描述655.1.465 W通用輸入適配器電源695.224W 反激開關(guān)電源的設(shè)計(jì)735.2.1電路

3、原理圖735.2.2電路描述765.2.3變壓器規(guī)格785.3帶PFC的半橋諧振LLC開關(guān)電源805.3.1PFC電路805.3.2LLC部分865.4120W/19V雙開關(guān)反激式開關(guān)電源1165.4.1FAN6920介紹1165.4.2功能說明1195.4.3電路圖1406DC/DC開關(guān)電源實(shí)例1416.1隔離式正激DC-DC變換器1416.1.1基本性能和典型應(yīng)用1426.1.2應(yīng)用信息1446.1.3控制信息1606.230W正激DC/DC開關(guān)電源1696.2.1產(chǎn)品特色1706.2.2功能描述1716.2.3引腳功能描述1726.2.4DPA-Switch產(chǎn)品系列功能描述1736.2.

4、5正激30 W開關(guān)電源1756.36-42V輸入、5V輸出的DC/DC變換器1786.3.1LM25574芯片介紹1786.3.2工作描述1816.3.3應(yīng)用信息1916.4500W DC/DC變換器2036.4.1L6599簡(jiǎn)介2036.4.2全橋LLC 變換器的工作原理分析2046.4.3LLC 全橋諧振變換器主電路參數(shù)設(shè)計(jì)2086.4.4LLC 全橋諧振變換器控制電路參數(shù)設(shè)計(jì)2096.5120W/24V LLC諧振變換器2116.5.1引言2116.5.2工作原理和基波近似2136.5.3設(shè)計(jì)流程2247LED電源實(shí)例2337.150W 直流小功率恒流源2337.1.1功能介紹2337.

5、1.2典型電路和實(shí)際電路2357.2交流大功率恒流源2457.2.1芯片特性和引腳功能2457.2.2充電電流控制的工作原理2477.2.3混合控制 (PWM+PFM)2527.2.4電流檢測(cè)2537.2.5軟啟動(dòng)和輸出電壓調(diào)節(jié)2587.2.6功能設(shè)置2607.3交流18W LED恒流源驅(qū)動(dòng)2767.3.1電源管理芯片DU86332787.3.2電路參數(shù)設(shè)計(jì)2797.470W LED 照明燈電源2857.4.1BCM 升壓 PFC 轉(zhuǎn)換器的基本工作原理2887.4.2準(zhǔn)諧振反激式轉(zhuǎn)換器的工作原理2907.4.3設(shè)計(jì)思路2927.4.4直流-直流部分2987.516.8 W/24V LED反激式

6、驅(qū)動(dòng)電源3107.5.1芯片描述3107.5.2電源設(shè)計(jì)3248數(shù)字電源實(shí)例3278.1UCD3138的數(shù)字電源3278.1.1器件概述3278.1.2描述3368.1.3總體概覽、系統(tǒng)模塊與IDE計(jì)算3488.1.4DPWM工作模式3528.1.5自動(dòng)模式開關(guān)3598.1.6濾波器3658.1.7典型應(yīng)用3688.2小功率數(shù)字充電電源3798.2.1國(guó)內(nèi)外數(shù)字電源發(fā)展現(xiàn)狀3808.2.2設(shè)計(jì)指標(biāo)3828.2.3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3838.2.4基于L6562的PFC電路設(shè)計(jì)3858.2.5控制軟件3919參考文獻(xiàn)3971 開關(guān)電源的特點(diǎn)與分類1.1 線性、開關(guān)電源的特點(diǎn)線性電源（Swiching

7、Mode Power Supply）首先通過工頻變壓器降壓，再用整流橋整流，之后利用功率半導(dǎo)體器件工作在線性放大狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)調(diào)整管的線性阻抗來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定度高、可靠性好、無電磁干擾、紋波系數(shù)小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維修方便、抗雷擊性能好、成本低；其缺點(diǎn)是調(diào)整管損耗大、工頻變壓器體積大、笨重、輸入范圍窄、效率低。開關(guān)電源是利用功率半導(dǎo)體器件的飽和區(qū)，通過調(diào)整其開通時(shí)間或頻率來達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。其優(yōu)點(diǎn)是功率電子器件損耗小、高頻變壓器體積小、重量輕、效率高、輸入范圍寬；其缺點(diǎn)是電磁干擾大、紋波系數(shù)大、設(shè)計(jì)復(fù)雜、維修不方便、抗雷擊和浪涌能力較差、成本高。目前，在小功率的電源中還存

8、在一些線性電源，但在中、大功率的電源中，線性電源已經(jīng)被開關(guān)電源所取代。隨著控制芯片頻率的提高和功能的增多，高速和低功耗功率開關(guān)管的研制成功，開關(guān)電源是未來電源主要的發(fā)展方向。1.2 開關(guān)電源的電路類型開關(guān)電源主要有三部分組成：PWM控制模塊、開關(guān)管（BJT、MOSFET、IGBT等）和濾波器（電感、電容），隔離開關(guān)電源還包括隔離變壓器。當(dāng)然還要考慮EMI(Electromagnetic Interference，即電磁干擾)、PFC(Power Factor Correction，即功率因數(shù)校正)的設(shè)計(jì)。1 按隔離、非隔離分類開關(guān)電源可以分為非隔離型和隔離型。非隔離型開關(guān)電源也就是無變壓器的開

9、關(guān)電源，主要分為降壓電路(BUCK)型，升壓電路(BOOST)型，升降壓電路(BUCK-BOOST)型，CUK電路型，SPEIC電路型，ZETA電路型；隔離型開關(guān)電源也就是有高頻變壓器的開關(guān)電源，主要分為單管（雙管）正激（FORWARD)電路型，反激(FLYBACK)電路型，半橋(HALF-BRIDGE)電路型，全橋(FULL-BRIDGE)電路型，推挽(PUSH-PULL)電路型。2 按輸入和輸出進(jìn)行分類可以分為：AC-DC，即交流-直流：把交流輸入變換成直流輸出，如一次電源；DC-DC，即直流-直流：把直流輸入變換成另一種電壓(電流)輸出的直流輸出或?yàn)楦綦x目的而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，如二次電源；DC

10、-AC，即直流-交流：把直流輸入變換成交流輸出，如逆變器電源；AC-AC：把交流輸入變換成交流輸出，如UPS電源。3 按電路的組成可分為有諧振型和非諧振型。帶軟開關(guān)控制電路的為(準(zhǔn))諧振型，如LLC型開關(guān)電源就是準(zhǔn)諧振型；其它為非諧振型，如BUCK、BOOST開關(guān)電源等。4 按控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制(PWM)式，是指控制開關(guān)管的導(dǎo)通周期是固定不變的，通過改變脈沖的寬度來調(diào)節(jié)占空比，使輸出電壓(或電流)改變。PWM型開關(guān)電源具有下列有優(yōu)勢(shì)：（1）體積小、重量輕：這是因?yàn)楦哳l變壓器相對(duì)工頻變壓器來說更加輕巧，所以體積變小、重量也大大減小了；（2）效率高：由于開關(guān)管處于開關(guān)狀態(tài)，而其導(dǎo)通電阻極小

11、，消耗在開關(guān)管上的功率很小，所以其效率較高。（3）適應(yīng)性強(qiáng)：由于開關(guān)管只工作于導(dǎo)通和斷開兩種狀態(tài)，而脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍，理論上可達(dá)0-100%之間，由此可見其適應(yīng)輸入電壓的范圍寬、輸出電壓的范圍大。（4）可防止過高電壓的損害：當(dāng)由于電壓過高而使開關(guān)管被擊穿燒壞時(shí)，主回路就停止工作，也就不會(huì)有電壓輸出；當(dāng)控制電路發(fā)生故障而引起輸出電壓上升時(shí)，過電壓保護(hù)電路將在電壓上升到高電壓閾值電平時(shí)將使主回路停止工作，同樣不會(huì)有電壓輸出。（5）當(dāng)輸入電壓突然斷電時(shí)，輸出電壓會(huì)繼續(xù)保持一段時(shí)間；由于輸入電壓比較高，電容儲(chǔ)存了很大的電能，再加上它的輸出電壓必須保持在額定值，保持時(shí)間一般可達(dá)20ms以上，這就便于實(shí)

12、現(xiàn)信息的保護(hù)。（6）輸出電壓越低，那么輸出電流就會(huì)越大：設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，其功率是有一定要求的，由于電流與電壓的乘積保持不變，所以輸出低電壓，就會(huì)輸出大電流，這為恒流源的設(shè)計(jì)帶來了思路。脈沖頻率調(diào)制(PFM)式，是指通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通周期，而脈沖的寬度是固定的，即占空比是不變的，從而使輸出電壓(或電流)改變。它不僅具有PWM的優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)殚_關(guān)時(shí)間可以在很寬的范圍里發(fā)生改變，理論上可在0-之間變化，因此其輸出電壓的可調(diào)范圍很大，但其濾波電路要適應(yīng)較寬的頻段。PWM與PFM混合式混合調(diào)制方式是脈沖寬度和開關(guān)頻率均是變化，兩者都可以改變的方式，它是PWM和PFM兩種方式相結(jié)合。開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間和開

13、關(guān)的周期都相對(duì)地發(fā)生改變，在頻率變化很小的情況下，利用占空比的變化就可以輸出電壓的變化范圍很大。1.3 開關(guān)電源的工作模式開關(guān)電源的工作模式主要有三種：連續(xù)工作模式、斷續(xù)工作模式和臨界工作模式。連續(xù)工作模式即電路中的電流連續(xù)不斷(Continuous Current Mode，簡(jiǎn)寫為CCM)，例如BUCK電路，其電感電流永遠(yuǎn)大于零；斷續(xù)工作模式即電路中的電流有時(shí)沒有(Discontinuous Current Mode，簡(jiǎn)寫為DCM)，例如對(duì)于BUCK電路，其電感電流會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)為零；臨界工作模式即電路中的電流減小到零后，電流就開始增加(Critical Current Mode，簡(jiǎn)寫為CR

14、CM)，例如對(duì)于BUCK電路，其電感電流在放電為零的瞬間便進(jìn)入充電狀態(tài)。三種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如CCM的紋波小，但效率低；而DCM的紋波大，但效率高；CRCM的紋波和效率介于CCM和DCM之間。在設(shè)計(jì)電源時(shí)，需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求、成本、外圍電路以及安裝空間等，進(jìn)行綜合考慮。1.4 零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)方式PWM功率變換技術(shù)淘汰了龐大笨重的工頻變壓器，減少了變壓器的體積和重量，提高了電源的功率密度和整體效率，減小了電源的體積和重量。但是，隨著設(shè)備功能的增加，供電電源功率和輸出路數(shù)也將增加，勢(shì)必要求開關(guān)電源的功率密度更大、效率更高，且體積更小、重量更輕、可靠性和穩(wěn)定性更高，這便迫

15、使變換器的工作頻率不斷提高的同時(shí)，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和開關(guān)思想方面有所突破。因此，仍使用硬開關(guān)技術(shù)一定會(huì)碰到以下幾個(gè)難題：(1)開關(guān)損耗大：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，開關(guān)管兩側(cè)存在電壓，而導(dǎo)通的瞬間電流很大；當(dāng)開關(guān)管截止的瞬間，開關(guān)管兩側(cè)還有電流通過，且開關(guān)管兩側(cè)存在電壓。根據(jù)功耗的定義，不管開關(guān)管導(dǎo)通還是截止的瞬間，均要一定的開關(guān)損耗，且隨著開關(guān)頻率的增加而增加。(2)開關(guān)管所受應(yīng)力大：開關(guān)管截止瞬間，電路中的感性元件上仍有電流，因而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，這是一個(gè)幅值比較大的尖峰電壓；同理，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，電路中的容性元件上仍有電壓，因而會(huì)出現(xiàn)充電電流，這是一個(gè)幅值比較高的尖峰電流。尖峰電壓與尖峰電流都

16、會(huì)對(duì)開關(guān)管造成不小的危害。而且頻率越高，尖峰電流與尖峰電壓越大，這會(huì)使開關(guān)管受很大的反向應(yīng)力而損壞。(3)EMI大：隨著工作頻率的增加，電磁干擾(EMI)會(huì)變得更加嚴(yán)重，這會(huì)對(duì)開關(guān)電源自身以及周圍的電子設(shè)備造成嚴(yán)重的影響。因此，若能在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間使電壓為零，在關(guān)斷的瞬間使電流為零，即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零損耗。那么就可以設(shè)想下面的兩個(gè)開關(guān)過程：(1)零電流開關(guān)（Zero Current Switching，簡(jiǎn)稱ZCS）：開關(guān)管理想的關(guān)斷過程是先使電流降為零，再使開關(guān)管截止，之后電壓再緩慢地上升到瞬態(tài)值，關(guān)斷損耗近似為零。因?yàn)殚_關(guān)管截止之前，電流已經(jīng)下降到零，這便解決了感性元件關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓?jiǎn)栴}

17、。(2)零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，簡(jiǎn)稱ZVS）：開關(guān)管理想的導(dǎo)通過程是先使電壓降到零，再使開關(guān)管導(dǎo)通，之后電流再緩慢上升到瞬態(tài)值，導(dǎo)通損耗近似為零。開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，其結(jié)電容上的電壓為零，從而解決了容性元件導(dǎo)通時(shí)的尖峰電流問題。這種開關(guān)技術(shù)，相對(duì)于硬開關(guān)技術(shù)，稱作軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)的使用，從理論上來講可使開關(guān)的損耗接近于零，進(jìn)而使開關(guān)頻率進(jìn)一步提高，從而使變換器的工作效率得到提高，其功率密度更大、體積更小、重量也進(jìn)一步減少，在一定程序上提高了可靠性和穩(wěn)定性，并且可以有效地減少電磁污染。雖然軟開關(guān)技術(shù)相對(duì)于硬開關(guān)技術(shù)有更大的優(yōu)越性，但其控制電路和控制算法會(huì)更加

18、復(fù)雜，需要采用諧振技術(shù)或準(zhǔn)諧振技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)ZVS和ZCS。采用諧振極型零電壓零電流軟開關(guān)技術(shù)旨在消除功率器件的開關(guān)損耗，但實(shí)際上在軟開關(guān)諧振換流過程中會(huì)引入多次額外的二極管反向恢復(fù)過程，產(chǎn)生額外的損耗。由于軟開關(guān)換流過程中的特殊性，采用一般的方法難以對(duì)反向恢復(fù)過程中的損耗進(jìn)行評(píng)估和計(jì)算，給ZVZCT軟開關(guān)設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。2 開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這里主要介紹非隔離型開關(guān)電路的基本電路-降壓、升壓和升/降壓電路，隔離型開關(guān)電源的基本電路-單端正激電路、單端反激電路、推挽電路、半橋電路和全橋電路的基本工作原理。2.1 BUCK變換器的基本原理BUCK電路是一種DC-DC的基本拓?fù)?，用于直流到直?/p>

19、的降壓變換，其基本原理如圖 21所示。當(dāng)開關(guān)S接位置1時(shí)，等效電路如圖 22（a）所示；當(dāng)開關(guān)S接位置2時(shí)，等效電路如圖 22（b）所示。圖 21 BUCK電路原理圖 （a）開關(guān)位置在1時(shí) (b) 開關(guān)在位置2時(shí)圖 22 BUCK開關(guān)在不同位置時(shí)的等效電路圖由圖 22 (a)可列出關(guān)系式：；。由圖 22 (b)可列出關(guān)系式：；。根據(jù)電感的伏秒平衡關(guān)系得：即，其中是開關(guān)在位置1時(shí)的占空比。由于占空比小于1，因此BUCK電路的輸出電壓小于其輸入電壓。根據(jù)電容的安秒平衡關(guān)系得：即。說明流過電感的電流與占空比無關(guān)，其值等于輸出電流。2.2 BOOST變換器的基本原理BOOST電路也是一種DC-DC基本

20、拓?fù)?，用于直流到直流的升壓變換，其基本原理如圖 23所示。當(dāng)開關(guān)S接位置1時(shí)，等效電路如圖 24 (a)所示；當(dāng)開關(guān)S接位置2時(shí)，等效電路如圖 24 (b)所示。圖 23 BOOST電路原理圖(a) 開關(guān)在位置1時(shí)(b) 開關(guān)在位置2時(shí)圖 24 BOOST開關(guān)在不同位置時(shí)的等效電路圖由圖 24 BOOST開關(guān)在不同位置時(shí)的等效電路圖(a)可列出關(guān)系式：；。由圖 24 BOOST開關(guān)在不同位置時(shí)的等效電路圖(b)可列出關(guān)系式：；根據(jù)電感的伏秒平衡關(guān)系得：即，由于占空比小于1，因此BOOST電路的輸出電壓大于其輸入電壓。根據(jù)電容的安秒平衡關(guān)系得：即。其中表示流過負(fù)載的輸出電流。該式表明，流過電感的

21、電流大于輸出電流。2.3 BUCK/BOOST變換器的基本原理BUCK-BOOST電路是另一種DC-DC基本拓?fù)?，用于直流到直流的升壓或降壓變換，其輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，其基本原理如圖 25所示。當(dāng)開關(guān)S接位置1時(shí)，等效電路如圖 26 (a)所示；當(dāng)開關(guān)S接位置2時(shí)，等效電路如圖 26 (b)所示。圖 25 BUCK-BOOST電路原理圖(a) 開關(guān)在位置1時(shí)(b) 開關(guān)在位置2時(shí)圖 26 BUCK-BOOST開關(guān)在不同位置時(shí)的等效電路圖由圖 26 (a)可列出關(guān)系式：；由圖 26 (b)可列出關(guān)系式：；根據(jù)電感的伏秒平衡關(guān)系得：即：當(dāng)占空比小于0.5，輸出電壓小于輸入電壓；當(dāng)占空比

22、大于0.5，輸出電壓大于輸入電壓。負(fù)號(hào)代表輸出電壓反向。根據(jù)電容的安秒平衡關(guān)系得：即：該式表明，流過電感的電流大于輸出電流。2.4 反激變換器的基本原理反激（FlyBack）型開關(guān)電源是使用反激高頻變壓器隔離輸入輸出的開關(guān)電源，與之對(duì)應(yīng)的是正激開關(guān)電源?；倦娐啡鐖D 27所示。圖 27 單端反激開關(guān)電路在反激變換器中變壓器起著電感和變壓器的雙重作用。當(dāng)變壓器開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器當(dāng)做電感，能量轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存能量。由于變壓器的初級(jí)線圈與次級(jí)線圈同名端反向，此時(shí)二極管D承受的是反向電壓，所以負(fù)載中無電流流過，此時(shí)變壓器副邊沒有輸出能量。相反，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器釋放能量，磁能轉(zhuǎn)化為電能，輸出回路中

23、有電流。反激式開關(guān)電源中輸出變壓器同時(shí)充當(dāng)儲(chǔ)能電感，減小了整個(gè)電源的體積，所以得到廣泛應(yīng)用。反激式開關(guān)電源所用元器件少、電路簡(jiǎn)單成本較低，可同時(shí)輸出多路相隔離的電壓；同時(shí)由于開關(guān)管承受電壓高、輸出變壓器利用率低，故不適合做大功率開關(guān)電源，其輸出功率一般為20W 100W的小功率開關(guān)電源。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感儲(chǔ)能的電流突變產(chǎn)生很高的關(guān)斷電壓尖峰；開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電感電流變化率大，產(chǎn)生電流尖峰，在CCM模式整流二極管反向恢復(fù)引起開關(guān)管高的電流尖峰。因此，需要用鉗位電路來限制反激變換器開關(guān)管的開關(guān)電壓、電流應(yīng)力。目前反激變換器的鉗位電路主要有：有損RCD鉗位電路，雙晶體管、雙二極管鉗位電路，L

24、CD鉗位電路和有源鉗位電路。RCD鉗位電路分為加在變壓器原邊和加在開關(guān)管兩端兩種，基本電路如圖 28和圖 29所示。這鉗位電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但在鉗位電阻R上有能量損耗，影響變換器效率。圖 28 變壓器原邊RCD鉗位電路圖 29 開關(guān)管兩端RCD鉗位電路雙晶體管、雙二極管鉗位電路沒有因電阻引起的電能損耗且能夠?qū)⒛芰炕仞伒诫娫粗腥?，但由于增加二極管和MOS開關(guān)管使電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，成本較高。如圖 210所示。圖 210 雙晶體管雙二極管鉗位電路LCD鉗位電路只需要兩只鉗位二極管，一個(gè)鉗位電感和一個(gè)鉗位電容組成，電路中不存在MOS管和電阻，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，變壓器漏感能回饋到電源中。同時(shí)

25、由于鉗位元件諧振時(shí)電流尖峰較大，所有的二極管都屬于硬開關(guān)，存在開通損耗，一般在開關(guān)頻率低的場(chǎng)合才能夠保持高效率。如圖 211所示。圖 211 LCD鉗位電路有源鉗位電路能夠克服無源鉗位電路轉(zhuǎn)換效率低的問題。采用有源鉗位電路的反激變換器能在主開關(guān)管關(guān)斷期間，由鉗位電容上的電壓將主開關(guān)管兩端的電壓箝位，利用鉗位電容和主開關(guān)管寄生電容和漏感進(jìn)行諧振，提供主開關(guān)管零電壓開通的條件，進(jìn)而減小開關(guān)損耗。而且有源鉗位反激變換器能夠提高開關(guān)電源工作頻率，縮小體積重量，提高變換器功率密度。有源鉗位電路可分為低邊有源鉗位電路和高邊有源鉗位電路，如圖 212和圖 213所示。圖 212 低邊有源鉗位電路圖 213

26、高邊有源鉗位電路低邊有源鉗位電路與高邊有源鉗位電路所要求的驅(qū)動(dòng)電路不同。低邊有源鉗位電路MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以跟主開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)共地，驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)簡(jiǎn)單可靠易實(shí)現(xiàn)。高邊有源鉗位電路MOS管和主開關(guān)管不能共地，驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要通過變壓器或者光耦實(shí)現(xiàn)隔離，驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜。2.5 正激變換器的基本原理正激型變換器是開關(guān)電源電路中最簡(jiǎn)單的DC/DC變換器，它是由降壓型Buck電路加隔離變壓器演變而來的，具有降壓變換器的基本特性，即在輸入電壓最小和負(fù)載最大時(shí)，開關(guān)占空比D最大。隨著輸入電壓的增加，變壓器原邊開關(guān)管的占空比D會(huì)變小。變壓器的使用不僅實(shí)現(xiàn)了電源側(cè)與負(fù)載側(cè)電氣隔離的作用，也可根據(jù)變壓器匝數(shù)靈活設(shè)計(jì)輸

27、出電壓，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多路輸出。單端正激變換器具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在中小功率變換器中得到了廣泛的應(yīng)用。其基本電路如圖 214所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與反激型的結(jié)構(gòu)類似，但工作原理不同。正激變換器的變壓器工作在磁化曲線的第一象限，容易引起鐵芯飽和，所以要通過附加電路在每個(gè)開關(guān)周期必須復(fù)位，以保持伏秒平衡和防止磁飽和及避免開關(guān)器件損壞。而常見的磁復(fù)位方法有復(fù)位繞組復(fù)位、RCD復(fù)位、及有源鉗位復(fù)位等。圖 214 單管正激電路復(fù)位繞組復(fù)位法的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟可靠，變壓器磁化能量和部分漏感能量可以回饋到電源中，同時(shí)由于增加的復(fù)位繞組使得變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)變壓器漏感引起的電壓尖峰需

28、要RC緩沖電路來抑制。RCD鉗位復(fù)位法與復(fù)位繞組法相比具有電路簡(jiǎn)單、占空比可大于0.5的特點(diǎn)，適用于較寬范圍變化的輸入電壓場(chǎng)合。但是變壓器的部分能量要消耗在鉗位電阻中，所以電路具有成本低，轉(zhuǎn)換效率不高的特點(diǎn)。有源鉗位電路則可以降低電路損耗和開關(guān)管電壓應(yīng)力，適應(yīng)于寬電壓輸出的場(chǎng)合，同時(shí)可采用低電壓功率的MOS管和二極管。雙管正激電路變換器，其功率可以做得更高一點(diǎn)。其基本電路如圖 215所示。雖然正激電路變壓器不像反激式電路要開氣隙，但需要對(duì)變壓器進(jìn)行磁復(fù)位。單端正激式變換器主要適用于輸出功率在100W 200W之間的開關(guān)電源。圖 215 雙管正激電路2.6 推挽式變換器的基本原理推挽型功率變換器

29、電路原理圖，如圖 216所示，推挽是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一。圖 216 電流型推挽全橋變換器電路推挽電路就是兩個(gè)不同極性晶體管的輸出電路。推挽電路采用兩個(gè)參數(shù)相同的功率BJT管或MOS管，以推挽方式存在于電路中，各負(fù)責(zé)正負(fù)半周期波形的導(dǎo)通任務(wù)。電路工作時(shí)，兩只對(duì)稱的功率開關(guān)管每次只有一個(gè)導(dǎo)通，所以導(dǎo)通損耗小、效率高。推挽式變換器既可以向負(fù)載輸出功率，也可以從負(fù)載吸取功率。如果輸出級(jí)有兩個(gè)MOS管，始終處于一個(gè)導(dǎo)通、一個(gè)截止的狀態(tài)，也就是兩個(gè)MOS管推挽相連，這樣的電路稱為推挽式電路或圖騰柱（Totem-pole）輸出電路。推挽變換器有兩個(gè)管在交替導(dǎo)通，以此達(dá)到比單管工作電路高的輸出功率

30、，由于初級(jí)線圈的中心抽頭接在輸入電源的正極，這樣當(dāng)一邊MOS管導(dǎo)通時(shí)，另外一邊的MOS管要承受耐壓為兩倍的電源電壓，這對(duì)開關(guān)管的要求較高，所以一般用在DC/DC電源中。推挽電路一般用在中型功率電路上，變壓器雙向激勵(lì)且效率高，但容易出現(xiàn)磁偏現(xiàn)象。推挽式變換電路的功率比正激電路大一些，但存在開關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。工作時(shí)兩個(gè)功率開關(guān)管V1、V2交替導(dǎo)通或截止。當(dāng)V1和V2分別導(dǎo)通時(shí)，W1和W2有相應(yīng)的電流流過，這時(shí)變換器次級(jí)將有功率輸出。當(dāng)V1導(dǎo)通，V2截止時(shí)，V2集射兩端承受的電壓為2倍的Vin，而在V1、V2都處于截止時(shí)它們所承受的電壓為輸入直流電壓Vin。將隔離式變壓器的初級(jí)與次級(jí)都改為從中間

31、抽頭的方式，并且使初級(jí)的一半為單端正激式的初級(jí)電路，另外一半同樣。由電路中初級(jí)繞組的電流方向可知，磁場(chǎng)的方向不是固定的。變壓器的初級(jí)中每個(gè)繞組都串聯(lián)了一個(gè)二極管，并且二極管D1和D2與初級(jí)的開關(guān)管相位同步，這樣就可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)不間斷地向負(fù)載供電。但是由于其初級(jí)電路運(yùn)用了兩個(gè)開關(guān)管，磁芯中的磁通在雙向上不停地來回變動(dòng)，雖然它的功率處理能力有所提升，但是它不是很穩(wěn)定，容易造成開關(guān)管的損壞。因此，推挽式變壓器很少應(yīng)用，使用的比較多的是它的變型：半橋型變換器以及全橋型變換器。后兩者的次級(jí)電路結(jié)構(gòu)與前者的相同，只是初級(jí)電路做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使其穩(wěn)定性、可靠性大大提高。2.7 電流型半橋變換器的基本原理半橋

32、和全橋開關(guān)變換器拓?fù)溟_關(guān)管的穩(wěn)態(tài)關(guān)斷電壓等于直流輸入電壓，而不是像推挽、單端正激或交錯(cuò)正激拓?fù)淠菢訛檩斎氲膬杀丁Ｋ袠蚴酵負(fù)鋸V泛應(yīng)用于直接電網(wǎng)的離線式變換器。橋式變換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，能將變壓器初級(jí)側(cè)的漏感尖峰電壓鉗位于直流母線電壓，并將漏感儲(chǔ)存的能量歸還到輸入母線，而不是消耗于電阻元件。2.7.1 基本原理電流型半橋變換器作為一種無需輔助電路的高升壓比變換器，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且能夠通過電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和變換器的工藝設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)變換器的高效率工作，是一種具有較高實(shí)用價(jià)值的電路方案。如圖 217所示。圖 217 電流型半橋變換器電路圖中L1 和L2 為2 個(gè)Boost 電感且感值相等，T1 是隔離變

33、壓器，其電壓比為1:n，Lr 是變壓器的漏感，ip是變壓器一次電流，Q1 和Q2 是變換器的2 個(gè)開關(guān)管，VD1VD4 是二次側(cè)的4 個(gè)整流二極管，Co 是輸出濾波電容，Uin 和Uo 分別表示輸入和輸出電壓。假設(shè)所有開關(guān)管和二極管為理想器件，變壓器為理想變壓器T1 與漏感Lr 的串聯(lián)，則在連續(xù)工作模式下，變換器的穩(wěn)態(tài)工作波形如圖 218所示。圖中，ugs(Q1)和ugs(Q2)分別是2 個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)的占空比相等而相位相錯(cuò)180，iL1 和iL2是Boost 電感的電流波形，uds1 和uds2 是開關(guān)管Q1和Q2 的漏源極電壓波形，up 是變壓器一次電壓波形，t0t4 為變換

34、器工作過程中的主要開關(guān)時(shí)刻。由于電感L1 和L2 的工作過程完全相似，以下根據(jù)一個(gè)電感的工作過程推導(dǎo)變換器的電壓傳輸比。圖 218 電流源半橋變換器穩(wěn)態(tài)工作波形當(dāng)開關(guān)管開通時(shí)，電感兩端的電壓為變換器的輸入電壓Uin，因此有 式中，L 是L1 和L2 的電感值；IL 是電感電流的變化量；D 是開關(guān)管的占空比；Ts 是開關(guān)周期。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感兩端的電壓為變換器輸出電壓反映到變壓器一次側(cè)的值與輸入電壓之差，因此有 由式和式，以及伏秒積平衡原理，不難推出變換器在連續(xù)電流模式時(shí)的輸入輸出傳輸比為 當(dāng)變換器斷續(xù)工作時(shí)，對(duì)變換器進(jìn)行類似的分析，可得到如下的輸入輸出關(guān)系式： 式中，Iin 表示輸入電流。

35、顯然，斷續(xù)工作時(shí)，輸入輸出傳輸比不僅與占空比有關(guān)，還和變換器的工作功率以及Boost 電感大小有關(guān)。由式和式均表明，合理設(shè)計(jì)變壓器的電壓比n，即可使電流源半橋變換器實(shí)現(xiàn)高升壓比的變換要求。雖然該變換器的功率管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，影響該變換器效率的一個(gè)主要因數(shù)是變壓器的漏感，合理地設(shè)計(jì)變壓器的參數(shù)和結(jié)構(gòu)可以有效地減小該漏感。2.7.2 控制要求根據(jù)電流源半橋變換器的穩(wěn)態(tài)波形圖可知，若變換器的控制信號(hào)不存在重疊區(qū)，會(huì)使得變壓器的漏感的能量因沒有流通回路而轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)管的電壓尖峰。在變換器傳遞功率較大時(shí)，漏感的能量也較大，可能導(dǎo)致功率管損壞。所以，在正常設(shè)計(jì)變換器時(shí)，即在電流連續(xù)模式時(shí)，電流源型半橋變換

36、器的占空比應(yīng)設(shè)計(jì)為大于0.5。然而，從式可看出，Iin 越小則Uo 越大，D 越小則Uo 越小，說明為合理控制輕載輸出電壓，Iin 越小，則D 將越小，即變換器的占空比會(huì)小于0.5。另一方面，在變換器的開機(jī)起動(dòng)過程中，特別是進(jìn)行軟起動(dòng)時(shí)，變換器的工作功率由小逐漸增大，變換器也會(huì)進(jìn)入占空比小于0.5 的工作狀態(tài)。由此可見，電流源半橋變換器的可靠控制是其應(yīng)用難點(diǎn)。在設(shè)計(jì)基于該變換器的電源控制方案時(shí)需要考慮一下幾點(diǎn)：控制電路能夠保證全工作范圍內(nèi)2 個(gè)功率管的控制信號(hào)存在交疊；合理的起動(dòng)和輕載控制策略，保證在功率管占空比大于0.5 時(shí)的輸出電壓穩(wěn)定。2.8 電壓式半橋式變換器電壓式半橋式變換器結(jié)構(gòu)如圖

37、 219所示，它是兩個(gè)功率開關(guān)器件（如MOS管）以圖騰柱的形式相連接，以中間點(diǎn)作為輸出。這種結(jié)構(gòu)在PWM電機(jī)控制、DC-AC逆變、電子鎮(zhèn)流器等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。這種半橋結(jié)構(gòu)上下兩個(gè)管子由相反的信號(hào)控制，當(dāng)一個(gè)功率管開通時(shí)，另一個(gè)關(guān)斷，兩個(gè)管子交替導(dǎo)通。由于開關(guān)延時(shí)的存在，當(dāng)其中一個(gè)管子?xùn)艠O信號(hào)變低時(shí)，它不會(huì)立刻關(guān)斷，因此一個(gè)管子必須在另一個(gè)管子關(guān)斷后一定時(shí)間方可開啟，以防止同時(shí)開啟造成的電流穿通，這個(gè)時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間。圖 219 電壓式半橋式變換器電路該電路的工作原理是：通過一個(gè)PWM信號(hào)，使S1和S2交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Vin/2的交替變化的方波電壓信號(hào)。改變PWM的占空比，

38、即改變S1和S2的導(dǎo)通時(shí)間，可以改變二次側(cè)整流電壓平均值，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的。S1導(dǎo)通時(shí)，二極管D3、D6處于導(dǎo)通狀態(tài)；S2導(dǎo)通時(shí)，二極管D4、D5處于導(dǎo)通狀態(tài)。半橋開關(guān)電路中只用兩個(gè)開關(guān)管，采用兩個(gè)電容分壓的方式，使驅(qū)動(dòng)電路得到了簡(jiǎn)化。因此半橋電路較全橋電路具有成本低，控制相對(duì)容易。但是由于半橋電路的變壓器輸入電壓僅為輸入電壓源的一半，在輸入電壓、輸出電壓相同時(shí)，傳遞相同的功率半橋電路原邊開關(guān)管承受的電流應(yīng)力要比全橋電路大得多，半橋電路一般應(yīng)用于中小功率（1kW以下）場(chǎng)合。電路特點(diǎn)： 變壓器磁芯雙邊磁化磁芯，磁芯利用率高； 開關(guān)管承受的電壓為電源電壓，可在電源電壓較高的場(chǎng)合應(yīng)用； 分

39、壓電容C1和C2有助于消除變壓器的直流偏磁； 原邊存在電壓短路的可能性。2.9 全橋式變換器的基本原理半橋式變換器中的開關(guān)管，相對(duì)于推挽式變換器它的截止電壓減少了一半，但是變壓器的初級(jí)繞組電壓的振幅也隨之減少了一半。所以若要傳輸同樣的功率時(shí)，就必須使原邊的電流加倍，從而會(huì)使流經(jīng)開關(guān)管的電流同樣加倍，倍增了開關(guān)管的負(fù)擔(dān)。為了解決這個(gè)難題，可以用兩個(gè)開關(guān)管分壓來代替半橋式中的兩個(gè)電容分壓，這樣就設(shè)計(jì)出了全橋式變換器的拓?fù)?。同樣條件下，全橋式變換器的輸出功率是半橋式變換器的兩倍，所以它常被使用在大功率的開關(guān)電源中，它的輸出功率可達(dá)1000W。全橋電路是大功率電源常用的電路，由四個(gè)開關(guān)管組成兩個(gè)橋臂。

40、兩個(gè)橋臂分別導(dǎo)通激勵(lì)高頻功率變壓器，進(jìn)行能量變換，但存在開關(guān)管“直通”的危險(xiǎn)。全橋電路原理圖如圖 220所示。由四個(gè)功率開關(guān)器件Q1-Q4組成，變壓器T連接在四橋臂中間，相對(duì)的兩只功率開關(guān)器件Q1、Q4和Q2、Q3分別交替導(dǎo)通或截止，使變壓器T的次級(jí)有功率輸出。當(dāng)功率開關(guān)器件Q1、Q4導(dǎo)通時(shí)，另一對(duì)Q2、Q3則截止，這時(shí)Q2和Q3兩端承受的電壓為輸入電壓Vin。圖 220 全橋式變換器電路全橋變換器在高頻變壓器初級(jí)得到高頻交流方波電壓，經(jīng)變壓器降壓，再全波整流變換成直流方波，最后通過電感L、電容C組成的濾波器，在負(fù)載上得到平直的直流電壓。電路特點(diǎn)： 變壓器原邊一個(gè)線圈，但雙邊磁化,變壓器利用率

41、高； 變壓器原邊工作電壓為輸入電源電壓； 存在直流偏磁問題； 原邊存在電壓短路的可能性。2.10 半橋LLC諧振變換器的基本原理前面介紹的變換器，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法已經(jīng)達(dá)到了極高的水平。為了進(jìn)一步降低功耗，有兩個(gè)思路是可行的，一是提高開關(guān)頻率，二是降低開關(guān)損耗。開關(guān)管的開關(guān)頻率是有極限的，所以開關(guān)頻率的提高是有限制的。那么就需要在開關(guān)損耗方面進(jìn)行研究，軟開關(guān)技術(shù)就是減小損耗的最好方法之一，下面就開始介紹與軟開關(guān)技術(shù)相關(guān)的變換器。半橋諧振型開關(guān)變換器是在傳統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)諧振變換器的基礎(chǔ)上改良產(chǎn)生的一種軟開關(guān)變換器。它利用諧振網(wǎng)絡(luò)在諧振過程中，電壓或電流出現(xiàn)周期性的過零點(diǎn)的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零

42、電壓導(dǎo)通（）和整流二極管零電流關(guān)斷（），這時(shí)開關(guān)管在導(dǎo)通和整流二極管在關(guān)斷時(shí)功耗都為零，這樣就減少了開關(guān)損耗提高了變換器的效率。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的串聯(lián)電容起到的隔直作用，諧振槽路中的電流隨負(fù)載變化而變化，且能達(dá)到輕載時(shí)效率較高的優(yōu)點(diǎn)，所以半橋LLC諧振是一種比較理想的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖 221所示。、為半橋的兩個(gè)開關(guān)管，串聯(lián)電容、串聯(lián)電感、并聯(lián)電感構(gòu)成諧振網(wǎng)絡(luò)。、和、分別為開關(guān)管和的體二極管和寄生電容。變壓器副邊，整流二極管、組成中間抽頭的全波整流電路，整流二極管直接連接濾波電容上構(gòu)成整流濾波電路。在諧振變換器中有兩個(gè)諧振頻率：這個(gè)頻率為串聯(lián)諧振電感和電容諧振產(chǎn)生的串聯(lián)諧振頻率。這是為串聯(lián)諧振電感

43、加上并聯(lián)諧振電感和串聯(lián)諧振電容產(chǎn)生的串并聯(lián)諧振頻率。圖 221 半橋 LLC諧振變換器電路拓?fù)洚?dāng)開關(guān)管的開關(guān)頻率工作在頻率區(qū)間時(shí)才能實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管的零電壓開通（）和副邊整流二極管零電流關(guān)斷（），這樣電路損耗會(huì)大大降低，提高變換器的整體效率。下面將對(duì)諧振變換器工作在頻率段工作過程進(jìn)行詳細(xì)分析。如圖 222所示。圖 222 時(shí)的工作波形其過程可分為8個(gè)階段，各個(gè)階段的具體工作過程如下：階段1（）從圖中可以看出，在時(shí)刻諧振電流順時(shí)針流動(dòng)，諧振電流通過的體二極管流通，而不是流過。在導(dǎo)通之前半橋中點(diǎn)的點(diǎn)位已經(jīng)將為零，因此是零電壓導(dǎo)通。這個(gè)階段變壓器副邊為導(dǎo)通、截止。如圖 223所示。圖 223 工作在階

44、段1階段2（）從時(shí)刻開始諧振電流逐漸減小到零并反向增大，此時(shí)諧振電流流過。在時(shí)刻之前諧振電流始終處于勵(lì)磁電流下方，這一階段一直導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被鉗位勵(lì)磁電感不參與諧振。如圖 224所示。圖 224 工作在階段2階段3（）從時(shí)刻開始諧振電流等于勵(lì)磁電流，整流二極管截止，也處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)變壓器不再傳遞能量。勵(lì)磁電感也不再被鉗位而是參與諧振，諧振頻率為。直到時(shí)刻這一諧振過程結(jié)束。這個(gè)階段負(fù)載完全依靠輸出濾波電容來提供能量。如圖 225所示。圖 225 工作在階段3階段4（）在時(shí)刻，關(guān)斷，此時(shí)諧振電流仍然為負(fù)，的寄生電容放大并向寄生電容充電，半橋中點(diǎn)電壓為電源電壓為的零電壓導(dǎo)通提供了條件。當(dāng)漏

45、源電壓將為零時(shí)的體二極管自然導(dǎo)通并將電壓鉗位在零。此時(shí)諧振電流始終處于勵(lì)磁電流上方，變壓器副邊導(dǎo)通，這段時(shí)間諧振電流向直流源回饋能量，直到時(shí)刻導(dǎo)通，為零電壓導(dǎo)通。如圖 226所示。圖 226 工作在階段4從時(shí)刻以后下半個(gè)周期開始，下半個(gè)周期與前面四個(gè)階段基本一致，這里不再詳細(xì)描述。3 變壓器的設(shè)計(jì)開關(guān)電源的小型化、輕量化和可靠性是其發(fā)展方向之一，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)必須首先實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的高頻化，提高變壓器的功率密度、降低磁性元件的體積和重量是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一。常規(guī)開關(guān)電源變壓器還要關(guān)注變壓器的高頻特性，如集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和分布參數(shù)等。開關(guān)電源高頻化主要分為兩部分：一是電路控制部分，二是變壓

46、器設(shè)計(jì)部分，本節(jié)介紹第二部分。隔離式開關(guān)電源離不開變壓器，不管是低頻變壓器還是高頻變壓器。由于低頻變壓器體積大、效率低，在開關(guān)電源的初期應(yīng)用較多，隨著技術(shù)的發(fā)展目前已經(jīng)很少使用了。而高頻變壓器由于其體積小、效率高，在開關(guān)電源中得到了廣泛使用。為此本節(jié)主要介紹高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法。3.1 變壓器的工作原理變壓器是一種使用互感耦合原理進(jìn)行能量傳遞的電感器件。它主要由磁芯和繞組組成，磁芯主要功能是起導(dǎo)磁作用，即把繞組線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)加強(qiáng)，并且良好的磁芯材料可使變壓器的效率大大提升。初級(jí)繞組是接在變壓器的輸入端，起著激磁和從輸入端獲得電能量的作用，而且通過初級(jí)繞組可以把輸入電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能。次級(jí)繞組接在

47、輸出端，它把初級(jí)繞組轉(zhuǎn)換的磁場(chǎng)能重新轉(zhuǎn)換成電能并供給負(fù)載。其結(jié)構(gòu)和等效原理圖示于圖 31中。(a) 變壓器(b) 理想變壓器的電路模型圖 31 變壓器結(jié)構(gòu)示意圖變壓器的工作過程，主要分成空載、負(fù)載兩種不同的工作狀態(tài)，三個(gè)不同的物理過程。當(dāng)負(fù)載無窮大即無負(fù)載時(shí)，交流電源u1施加在匝數(shù)為n1的初級(jí)繞組上，而此時(shí)變壓器處于空載的狀態(tài)。此時(shí)，變壓器的初級(jí)繞組產(chǎn)生出了以下參數(shù)：激磁電流、磁勢(shì)、磁場(chǎng)，其中為磁芯的有效長(zhǎng)度。由磁感應(yīng)強(qiáng)度、鐵氧體磁芯的磁導(dǎo)率，可知由磁芯中的交變磁通量與、存在如下的關(guān)系由電磁感應(yīng)定律可知，變壓器磁芯中的交變磁通量，會(huì)在繞組的原邊和副邊分別產(chǎn)生出感應(yīng)電勢(shì)、。在空載運(yùn)行時(shí)，原邊繞組

48、產(chǎn)生的自感應(yīng)電勢(shì)的瞬態(tài)值為令，可得知電壓的有效值為其中：為波形系數(shù)，為電源頻率。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可知次級(jí)繞組的互感電勢(shì)的瞬態(tài)值為由引可得若變壓器為理想變壓器，其初級(jí)和次級(jí)的電阻值為零，那么、，且。若負(fù)載電阻不為無窮大，在次級(jí)繞組中產(chǎn)生的互感電勢(shì)會(huì)使負(fù)載電路產(chǎn)生負(fù)載電流，則存在。3.2 變壓器的模型在高頻變壓器的設(shè)計(jì)中，由于存在寄生參數(shù)，這些相互作用的寄生參數(shù)對(duì)變壓器的工作會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。為了更加精準(zhǔn)地描述變壓器的工作過程，必須建立實(shí)際高頻變壓器的精準(zhǔn)等效電路模型。實(shí)際的變壓器鐵芯磁導(dǎo)率是一個(gè)固定值，并不能無窮大，而且鐵芯磁性阻抗不為零，勵(lì)磁電感也不能達(dá)到無窮大。勵(lì)磁電流的主要作用就是要使鐵

49、芯磁化，所以要在Error! Reference source not found.中的理想變壓器電路模型上加上一個(gè)并聯(lián)的勵(lì)磁電感。勵(lì)磁電感產(chǎn)生勵(lì)磁電流，因?yàn)閯?lì)磁電感是有限的，那么產(chǎn)生的勵(lì)磁電流就會(huì)使變壓器原邊和副邊的繞組電流之比和其匝比不相等。另外，在實(shí)際變壓器中，并不是所有的磁通都會(huì)匝鏈所有繞組，會(huì)有一部分磁通“漏”到空氣中或者變壓器其他部分，這一部分磁通就被稱之為漏磁通。在原邊繞組中原邊電流產(chǎn)生的漏磁通為，在副邊繞組中副邊電流產(chǎn)生的漏磁通為。那么漏磁通和就會(huì)分別在變壓器原、副邊繞組產(chǎn)生漏感和。變壓器在工作過程中還會(huì)產(chǎn)生鐵損和銅損。設(shè)鐵芯損耗的等效電阻為，變壓器原邊和副邊繞組的等效交流電阻

50、分為和。由于高頻化所產(chǎn)生的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使繞組中的交流電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直流電阻，所以在變壓器的等效電路中使用繞組的交流電阻來代替直流電阻更加合理。在高頻平面變壓器的設(shè)計(jì)過程中，還需考慮到分布電容的影響，在變壓器中分布電容主要有以下三個(gè)部分：原邊和副邊繞組的分布電容和，原、副邊之間的分布電容。綜和上所述，變壓器的原邊和副邊的等效銅損為和，原副邊的漏感為和，變壓器鐵芯的損耗電阻為，原邊繞組的電感（勵(lì)磁電感）為，由此得出實(shí)際的變壓器等效電路如圖 32所示。圖 32 考慮寄生參數(shù)影響時(shí)的變壓器等效電路3.3 高頻變壓器對(duì)磁芯材料的要求輸出功率和溫升等決定了變壓器的鐵芯大小。變壓器的設(shè)計(jì)公式如下 其中

51、，為輸出功率，為與波形有關(guān)的系數(shù)，為頻率，為變壓器的匝數(shù)，為磁芯面積，為磁感應(yīng)強(qiáng)度，為電流，為溫度，為鐵損，為銅損，、為由實(shí)驗(yàn)得到的系數(shù)。由式可以看出：增加磁感應(yīng)強(qiáng)度能夠提高輸出功率或降低變壓器體積重量，但值的增加受到材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度值的限制。提高工作頻率也可以提高輸出功率或降低變壓器體積重量，但頻率的提高受到開關(guān)管性能的限制。一般來說，高頻開關(guān)電源變壓器用磁芯材料應(yīng)滿足以下要求：1、具有較大的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與較小的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：從理論上講，較大的和較小的能夠允許變壓器通過較大電流而不出現(xiàn)磁飽和，實(shí)現(xiàn)傳輸功率的提高。2、在高頻下具有較低的功率損耗：磁芯材料的功率損耗，不僅影響電源輸出功率，

52、同時(shí)會(huì)導(dǎo)致磁芯發(fā)熱、波形畸變等不良后果。在實(shí)際應(yīng)用中，發(fā)熱問題十分普遍，主要是由變壓器的銅損和磁損產(chǎn)生的。如果在變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，選擇過小的功率損耗和過多的繞組匝數(shù)，就會(huì)致使繞組發(fā)熱，且同時(shí)向磁芯傳遞熱量，磁芯便會(huì)發(fā)熱。磁芯的發(fā)熱也會(huì)導(dǎo)致繞組的發(fā)熱。選擇磁性材料時(shí)，要求功率損耗隨溫度的變化呈負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系，這也是電源用磁性材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)。3、較高的居里溫度：表示磁性材料喪失磁特性時(shí)的臨界溫度稱為居里溫度，一般材料的居里溫度都會(huì)高于200，所以變壓器的實(shí)際工作溫度應(yīng)小于100。因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到100以上時(shí)，其飽和磁通密度會(huì)跌至常溫時(shí)的70%，倘若溫度繼續(xù)升高，磁芯的飽和磁通密度就會(huì)跌落得更厲害，容

53、易形成磁芯磁化飽和。而且，當(dāng)溫度在100以上時(shí)，其磁芯功耗已與溫度成正比，會(huì)導(dǎo)致熱擊穿的嚴(yán)重后果。3.4 高頻變壓器設(shè)計(jì)考慮的幾個(gè)問題1、鐵芯結(jié)構(gòu)鐵芯構(gòu)成變壓器的磁路，是變壓器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。變壓器鐵芯基本的結(jié)構(gòu)型式為：殼式鐵芯、心式鐵芯及環(huán)型鐵芯。殼式鐵芯通常用于小功率變壓器，心式鐵芯一般用于較大功率變壓器，環(huán)型鐵芯通常用于中高頻變壓器。2、線圈結(jié)構(gòu)線圈構(gòu)成變壓器的電路部分，也是變壓器的基本組成部分，其由若干個(gè)繞組繞制而成，一個(gè)變壓器至少有兩個(gè)繞組。變壓器繞組間必須是絕緣的，繞組所連接的兩個(gè)電路間也是絕緣的。不論哪種形式，都是由導(dǎo)線在骨架或底筒上連續(xù)纏繞而成。3.5 寄生參數(shù)和影響隨著應(yīng)用場(chǎng)所中

54、輸入、輸出電壓等級(jí)的不斷提升，以及為滿足小型化要求而采取更高工作頻率的發(fā)展趨勢(shì)，開關(guān)電源核心諧振變換器的可靠運(yùn)行及性能優(yōu)化越來越受到其變壓器寄生參數(shù)的限制。在實(shí)際的變壓器中，由于一次、二次側(cè)繞組之間，繞組匝線之間及同一繞組上下層之間的磁通不能夠完全耦合，因此會(huì)產(chǎn)生漏感現(xiàn)象。漏感中的能量為繞組之間不耦合磁通穿過的空間所儲(chǔ)存的能量，因?yàn)閮蓪?dǎo)體之間分布寄生的電氣耦合，使繞組的匝與匝之間、層與層之間、不同繞組之間及繞組對(duì)屏蔽層之間的電位分布是沿著某一線長(zhǎng)度方向變化的，就形成了分布電容。高頻變壓器的寄生參數(shù)主要為漏感(或稱漏抗)與分布電容。高頻變壓器傳遞的是高頻脈沖方波，在變化瞬間，漏感和分布電容便會(huì)形

55、成浪涌電流、尖峰電壓和脈沖震蕩，增加了損耗，嚴(yán)重的會(huì)造成開關(guān)管損壞，所以必須加以控制。1、高頻變壓器的漏感通常變壓器的一次繞組間和二次繞組間都會(huì)存在漏感。影響變壓器的漏感因素一般為：1)變壓器的結(jié)構(gòu)形式、尺寸(如鐵芯形狀、一次和二次側(cè)繞組數(shù)，繞組纏繞方式，導(dǎo)線橫截面積，絕緣間距等)；2)磁芯的磁導(dǎo)率，通常情況漏感與磁芯的磁導(dǎo)率關(guān)聯(lián)很小，但當(dāng)1時(shí)，就會(huì)引起漏感的增加。高頻變壓器傳遞的是高頻方波電壓，其漏感主要會(huì)對(duì)電路運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。晶體管斷開瞬間極高的di/dt將在漏感兩端形成尖峰狀電壓，使晶體管處于過電壓狀態(tài)，雖然可以利用吸收電路降低過電壓，但會(huì)產(chǎn)生過大的損耗，過高的漏感也會(huì)帶來占空比的損失。而且漏感的大小必然會(huì)干擾到開關(guān)管的工作狀態(tài)，如軟開關(guān)的控制。漏感的大小與變壓器的制造工藝有關(guān)，減小漏感主要有以下措施：(1)減少繞組匝數(shù)；(2)減少繞組厚度；(3)盡可能降低繞組之間的絕緣厚度；(4)初、次級(jí)繞組交叉繞制。2、高頻變壓器的分布電容高頻情況下，變壓器的分布電容成了不可忽視的問題。分布電容嚴(yán)重干擾了電磁器件的性能，勵(lì)磁電流會(huì)因其產(chǎn)生崎變，整個(gè)系統(tǒng)的效率降低，系統(tǒng)的控制問題變得困難。并且，從變壓器初級(jí)分析，分布電容的存在會(huì)影響系統(tǒng)的諧振頻率，甚至