反激變換器Flyback設計和計算步驟

1、反激變換器(Flyback)的設計和計算步驟0.設計前需要確定的參數A開關管Q的耐壓值：VmqB輸入電壓范圍：VinminVinmaxC輸出電壓VoD電源額定輸出功率：Po (或負載電流Io)E電源效率：XF電流假通密度紋波率：r (取0.5,見注釋C)G工作頻率：fH最大輸出電壓紋波：Vopp.齊納管DZ的穩(wěn)壓值VzVz = Vmq x 95% - Vinmax ,開關管 Q承受的電壓是 Vin + Vz ,在Vinmax處還應為 Vmq 保留5%裕量，因此有 Vinmax + Vz / f , ( Et = Von Mon = VinminD/f(). 一次電感LpLp = Et / (I

2、lr r) x.磁芯選擇Ve = 0.7 (2 + r)A2) / r)(Pin /f) , Ve 單位 cm”； f 單位 KHz ,根據此式確定磁芯有效體積Ve,尋找符合此要求的磁芯。(見注釋D)(2)最適合反激變壓器的磁芯是“ECores”和“UCores，“ETD1 ER RM這三種用于反激性能一般，而“Planar E、” “EFD EP P Ring型不適合反激變壓器。(3)材質選鎰鋅鐵氧體，PC40比較常用且經濟。. 一次匝數NpNp = (1 + 2/r) (Von D)/(2 Bpk Ae f),其中 Von = Vinmin - Vq , Vq 是開關管 Q 的導 通壓降；

3、Bpk不能超過0.3T, 一般反激變壓器取0.3T; Ae是磁芯的有效截面積，從所選磁芯的參數中查的。(公式推導見注釋 巳 說明見注釋F).二次匝數NsNs = Np / n ,此值小數不可忽略時向上取整，如 1.62T取2T,然后重新計算 Np = Ns n。.匝數調整后實際磁通密度變化范圍驗證Bpk = Bpk0 Np0 / Np , Bpk0、Np0是調整前的磁通密度峰值和一次匝數。(根據：Bpk與匝數成反比)dB = (2r/(r + 2) Bpk x.氣隙系數zz = (1 / Lp) (u Ae / le) Np儀，其中u是磁芯材料的相對磁導率，Ae、le分別是磁芯的有效截面積和有

4、效長度，這些參數由磁芯手冊提供，10A(-7)。(見注釋 G).氣隙長度lglg = le 億x 1) / u ,其中u是磁芯材料的相對磁導率。.繞組導線的集膚深度hh = 66.1 (1X+ 0.0042(T X20) / fA0.5 ,所得單位為最高環(huán)境溫度40攝氏度時可以有40度的溫升。.繞組導線的線徑 dd = 2h,若選用銅皮，則銅皮厚度同樣按此計算，即u0是真空磁導率，值為4 X PI X(見注釋G)mm,其中T是工作溫度，可取 80,即2h 。 TOC o 1-5 h z .繞組導線的電流承載能力ImIm = PI(d/2)人2 J,淇中J是電流密度，反激變壓器一般取典型值493

5、 A/cmA2 (400 cmil/A)。. 一次繞組導線的股數MpMp = Ilr / Im.二次繞組導線的股數MsMs = Il / Im.確定變壓器組裝結構根據上面計算的變壓器各項參數，合理安排繞組排列、絕緣安排等，繞組安排(從磁芯由近 及遠)可參考如下：一般排列是，一次，二次，反饋。(2)二次，反饋，一次，這種排法有利于一次繞組對磁芯的絕緣安排。(3) 一半一次，二次/反饋，一半一次，這種排法有利于減少漏感。.輸出二極管的額定電流 IdmIdm = 2 IO (見注釋 H).輸出二極管的額定電壓VdmVdm = (1 + 20%) (VO + Vinmax / n)(見注釋 I).開關

6、管的額定電流IqmIqm = 2 Iir (D / + rA2/12)A0.5(見注釋 J).開關管的額定耐壓 VqmVqm = (1 + 20%) (VOr + Vinmax)(見注釋 K).輸入電容值CinCin = Kcp PO / X,系數 Kcp 取經驗值 3uF/W 。.輸入電容額定電流紋波IcindIcind = Ilr (D x/ - D +-2/12)人0.5(見注釋 L).輸入電容的耐壓 VeinVein = (1 + 30%) Vinmax , 30% 為保留裕量。.輸出電容值CoCo = Io D(/ (f VOpp),(見注釋 M).輸出電容額定電流紋波IcodIco

7、d = Io (DC + rA2/12) / (1 - D)A0.5(見注釋 N).輸出電容的耐壓 VcoVco = (1 + 30%) Vo Von dt= Np A e dB - Np = (Von dt)/ (dB Ae許(VonxD/f) / (dB Ae)= (Von D) / (dB AeD) / (2r/(r + 2)Bpk 冷=(1 + 2/r)x (Von D)/(2 Bpk Ae fF Np計算完后應驗證此值是否適合磁芯的窗口面積，及骨架、隔離帶、安全膠帶、二次繞 組和套管等，通常在反激變壓器中這些都不會有問題；如果需要減少Np,可以考慮增大r,減小D,或增大磁芯面積，但磁

8、導率和氣隙不會解決問題。G電感與磁導率的相關方程：L = (1/z) (u x U0 Ae / le) W2K,其中氣隙系數 z = (le + u xlg) / le 。對于鐵氧體材料的氣隙變壓器，z取值1020是較好的折中選擇。H反激(buck-boost)中二極管平均電流等于負載電流Io,損耗是Pd = Io Vd ,而二極管正向壓降Vd隨其額定電流上升而下降，故折中考慮，選取其額定電流為2 Mo。I Buck-boost中二極管最大承壓是Vinmax + Vo,在反激中 Vinmax折算到二次側為 Vinmax/ n,同時給額定值留出 20%的裕量，所以最終選擇二極管的額定耐壓定位Vd

9、m = Vdm = (1+ 20%) (Vo + Vinmax / n)。J對所有拓撲，開關管有效值電流在Dmax處最大，且Iqrms = Il_dmax x (Dmax x (1 +r_dmaxA2/12)A0.5 ,開關管的損耗 Pq = IqrmsA2Rds,其中Rds是開關管的正向壓降，此壓降隨開關管的額定電流增大而減小，所以折中選擇開關管的額定電流為2 Mqrms。K Buck-boost中開關管最大承壓是 Vinmax + Vo,在反激變換器中 Vo折算到一次側為 Vor, 同時給額定值預留 20%的裕量，所以最終選擇開關管的耐壓為Vqm = (1 + 20%) x (Vor +V

10、inmax)L Buck-boost中輸入電容最惡劣電流有效值發(fā)生在Dmax,其值為 Irms_cin = Il_dmax x(Dmax X(1 - Dmax + r_dmaxA2/12)A0.5, 一般選擇電容時其額定紋波電流應等于或大于此值。M根據如下：Co實際上需要維持t_on時的電荷流失，此電荷量為dQ = Io t_on,而此時電容電壓的變化是dUco = dQ / Co = V opp,由此得 Co = lo t_on / Vopp 。N Buck-boost中輸出電容最惡劣有效值發(fā)生在Dmax, 其值為Irms_co = Io x (Dmax +r_dmaxA2/12) / (1

11、 - Dmax)F0.5, 一般選擇電容是器額定紋波電流應等于或大于此值。O考慮漏感電流不超過一次繞組電流的20%,僅為估計，無計算根據。P RCD電路的分析和計算如下：(1)工作過程：開關管截止后，漏感電流通過D對C迅速充電，然后 C通過R放電，消耗漏感能量于R上。(2)充電過程時間很短，相對整個周期可以忽略。C不能太大，否則吸收能量過多，影響變壓器能量傳遞，同時R成為變換器的死負載。R不能太小，否則放電太快，C電壓降到反射電壓(Vor)時R開始消耗二次傳過來的能量，所以R要使C的放電電壓在開關導通時不小于反射電壓。根據以上分析，計算推導如下：Vcmax Vor,把Vc線性化，可得 Vcma

12、x / V or = T / t_ON , T為開關周期，t_ON為開關導通時間，由此得Vcmax = Vor / D (式 1)當開關導通時 C上電壓剛好等于反射電壓有：Vcmax x eA(-(1 - D) T X(R C) = Vor,由T=1 / f整理得R XC = (D - 1) / (fl的)(式 2)Vc 的最小值 Vcmin = VcmaxeA(-T / (R C) x (式 3)此時漏感能量全部被RC電路吸收，有如下方程：0.5 Llk 幽kA2 = 0.5 C $(VcmaxA2 - VcminA2)(式 4)整理式3和式4可以得到C = IpkA2 Lk / (Vcma

13、xA2 (1 次人化 in(D) / (1 - D) 由上式和式2可以得R = (D - 1) / (C f 陽)電阻R消耗的功率是Pr = 0.5 兇k IpkA2 fQ LCD無損吸收網絡的分析和計算：(1)開關管截止時，一方面變壓器漏感和一次繞組通過D1對Cr充電，把漏感能量儲存于Cr；另一方面，Lr的電流儲能通過 D1、D2反饋給電源輸入電容C_IN 。(2)開關管導通時，Cr通過D2、Lr進行放電，把能量傳遞給Lr,能量由電容電壓轉換為電感的電流能量。(3)穩(wěn)態(tài)下，設 Cr開始充電(Q截止)時電壓是 Vcr0,充電結束時電壓是 Vcr1 ,則為了 不吸收便壓器正常工彳的能量傳遞有 Vcr0 = Vor；考慮能量的傳遞過程則有0.5 x Llk XIpkA2 = 0.5Crx (Vcr1A2 - Vcr0A2)，令 k = Vcr1 / Vcr0 ,同時設 Vcr0 = Vor,整理得 Cr = Llkx 班人2 / (Vor(kA2X 1)。(4)穩(wěn)態(tài)下，Cr的放電過程(Q導通)也就是 Cr、Lr的諧振過程，所以 Cr的電壓方程是 uc = Vcr1cOS(wt), Lr 的電流方程是il = (Cr / Lr40.5Vcr1 xsin(wt