反激變換器第六章

反激變換器第六章第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.1概述（Introduction）6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理(Discontinuous-ModeFlybacks——BasicOperation)

6.3連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理(continuous-ModeFlybacks——BasicOperation)6.4交錯反激變換器本章小結第六章反激變換器

第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.1概述反激變換器的工作原理：

開關管導通時，變壓器儲存能量，負載電流由輸出濾波電容提供；開關管關斷時，變壓器將儲存的能量傳送到負載和輸出濾波電容，以補償電容單獨提供負載電流時消耗的能量。優(yōu)點：不需要輸出濾波電感（濾波電感在所有正激拓撲中是必需的），減小體積，降低成本。應用范圍：5～150W電源中應用廣泛高電壓、小功率場合（電壓不大于5000V，功率小于15W）50W~150W且有多組輸出的變換器選擇合適的匝比，可用于直流輸入低至5V的場合第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理工作原理電路有一主一輔兩個輸出，主輸出Vom接負反饋閉環(huán)。Vom的采樣電壓與參考電壓相比較，產(chǎn)生的誤差信號控制Q1的導通時間，使輸出采樣電壓在輸入電壓和負載變化時跟隨參考電壓變化。輔輸出對輸入電壓的變化調整很好，但對負載變化調整稍差。第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理Q1導通時，所有繞組同名端的電壓相對于異名端為負；輸出整流管D1、D2反偏，C1、C0單獨向負載供電。C1、C0容量的選擇應保證提供負載電流的同時能滿足輸出電壓紋波和壓降的要求。Q1導通期間，Np的電壓恒定，其電流線性上升，斜率為di/dt=(Vdc-1)/Lp，其中，Lp是初級勵磁電感。在導通結束之前，初級電流上升達到Ip=(Vdc-1)Ton/Lp。變壓器儲能為Q1關斷時，勵磁電感的電流使各繞組反向，設此時次級只有一個主次級繞組Nm，無其他輔助繞組。則由于電感電流不能突變，在Q1關斷瞬間，變壓器次級電流幅值為幾個開關周期之后，次級直流電壓上升到Vom。Q1關斷時，Nm同名端電壓為正，電流從該端輸出并線性下降，斜率為dIs/dt=Vom/Ls。其中Ls為次級電感。若次級電流Is再次導通之前降到零，則變壓器存儲的能量在Q1再次導通之前已經(jīng)傳送到負載端，變壓器工作在不連續(xù)模式。一個周期T內直流母線電壓提供的功率為第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理Ip=(Vdc-1)Ton/Lp,則有由上式可見，只要反饋保持VdcTon恒定，即可保持輸出恒定。6.2.1輸入電壓、輸出電壓及導通時間與輸出負載的關系設變換器效率為80％從式（4.2b）可見最大導通時間Ton出現(xiàn)在輸入電壓最低的時候，即Ip=VdcTon/Lp反饋環(huán)路在Vdc或Ro上升時減小Ton

，在Vdc或Ro下降時增大Ton，從而自動調整輸出。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理6.2.2設計原則和設計步驟1、確定初/次級匝數(shù)比（匝比決定了不考慮漏感尖峰時開關管可承受的最大關斷電壓應力Vms）忽略漏感尖峰并設整流管壓降為1V，則直流輸入電壓最大時開關管的最大電壓應力為參數(shù)的選擇應使Vms盡量小，以保證即使有0.3Vdc的漏感尖峰疊加于Vms，對開關管的極限值（Vceo、Vcer或Vcev）仍有30％的裕度。2、保證磁心不飽和且電路始終工作于DCM模式假設Q1和D1的正向導通壓降均為1V，則有式中，Tr是圖中變壓器的復位時間，也是次級電流降為零的時間。即保證變壓器正負伏秒數(shù)相等。第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理為保證電路不工作于不連續(xù)模式，必須設定死區(qū)時間，即圖中的Tdt。3、初級電感與最小輸出電阻及直流輸入電壓的關系由式（4.3）可得初級電感計算公式Vdc和Vms確定后，Np/Nsm可由式(4.4)求得，聯(lián)立式(4.5)和式(4.6)可得第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理4、開關管的最大電壓應力和峰值電流若開關管為雙極晶體管，則其峰值電流Ip為其中Vdc已給定，Ton可由式（4.7）計算，Lp可由（4.8）求出。若開關管為MOSFET，則其最大額定電流為式(4.9)計算值的5～10倍，以使其導通電阻足夠小，導通壓降足夠大。5、初級電流有效值和導線尺寸初級電流為三角波，峰值為Ip，有效值為第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理6、次級電流有效值和導線尺寸次級電流為三角波，峰值為Is=Ip(Np/Ns)，持續(xù)時間為Ts。初次級匝比Np/Ns由式(4.4)給出，Tr=0.8T-Ton，因此次級電流有效值為第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理7、不連續(xù)模式下的反激變換器設計實例設計參數(shù)首先選擇開關管的額定電壓。因為額定電壓是決定變壓器匝比的主要因素。選擇額定電壓為200V的開關管。在式(4.4)中，開關管關斷時承受的最大電壓應力Vms為120V,因此即使關斷瞬間的漏感尖峰為Vms的25％（或30V），仍有50V的電壓裕度。由式(4.4)可得第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理根據(jù)式(4.7確定最大導通時間)由式(4.8)有第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理由式(4.10)有由式(4.9)有第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理根據(jù)式(4.11)，初級所需的總園密耳數(shù)為選用19號線，其園密耳數(shù)為1290根據(jù)式(4.12)，可得次級電流為復位時間Tr滿足（0.8T-Ton）=16-9.9=6.1μs第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理由式(4.12)可知，次級所需的總園密耳數(shù)為500×21＝10500。因此選用10號線，但10號線直徑太大，選用等園密耳的銅箔繞組或者并繞細線代替。輸出電容根據(jù)輸出紋波選擇。輸出電流最大時，開關管的導通時間為9.9μs，則濾波電容Co在13.9μs(包括導通時間和死區(qū)時間，此時的輸出電流完全由電容提供)里承受10A的電流，其電壓坡度為當電壓下降0.05V時，已知容量為2000μF的鋁電解電容的平均ESR值為第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三1、在開關管關斷瞬間，次級電流峰值為66A，此電流流過等效電阻，產(chǎn)生很窄的尖峰電壓66×0.03=2V。當反激變換器的匝比Np/Ns較大時，開關管關斷時這種高幅度窄尖峰電壓是很常見的問題。解決辦法：選用比上式計算值大的電容（因為Resr與Co成反比）或外接小型LC電路以吸收窄尖峰。6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理2、在反激變換器總中，當初級流過電流時，沒有流過次級繞組以抵消初級安匝，因此初級安匝趨于使磁心飽和。解決辦法：給鐵氧體磁心加氣隙或采用本身有內部氣隙的MPP（坡莫合金粉末）磁心存在問題：第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理6.2.3反激拓撲的電磁原理防止反激變換器磁心飽和的方法：給磁心加氣隙

采用實心鐵氧體磁心，研磨掉EE型或罐型磁心中心柱的一部分形成氣隙；在U型或UU型磁心的兩半間插入塑料薄片形成氣隙。采用MPP(坡莫合金粉末)磁心第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理1、鐵氧體磁心加氣隙防止飽和鐵氧體磁心加氣隙作用：磁滯回線傾斜，磁導率降低提高飽和安匝數(shù)磁芯制造商通常給出計算對應電感所需匝數(shù)的曲線圖和安匝數(shù)第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理2、采用MPP磁芯防止飽和第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.2不連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理6.2.4反激變換器的缺點1、較大的輸出電壓尖峰開關管開始關斷時刻，從Co看進去的阻抗遠低于Ro，所有次級大電流都流入Co及其等效串聯(lián)電阻（Resr）。這將產(chǎn)生窄而高的輸出的電壓尖峰Ip(Np/Ns)Resr。尖峰的寬度通常小于0.5μs。解決辦法：窄反激變換器主儲能電容后加小型LC濾波器,用于濾掉寬度小于0.5μs的尖峰。注意：誤差放大器應在LC濾波器之前對輸出電壓進行采樣。2、需要大容量且能耐高紋波電流的輸出濾波電容輸出紋波電壓要求并不能最終決定濾波電容的選擇，而是由根據(jù)紋波電壓要求初選的電容的紋波電流額定值決定的。若根據(jù)輸出紋波電壓初選的電容不能達到額定電流的要求，則應選擇更大容量的電容，或使用多個電容并聯(lián)工作。第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三反激變換器的兩種工作模式：不連續(xù)模式和連續(xù)模式6.3連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理決定電路工作模式的參數(shù)是：變壓器的勵磁電感和電路的輸出負載電流如圖(a)所示，不連續(xù)模式的初級電流前端沒有階梯，而在關斷瞬間（b）次級電流是衰減的三角波，在下一個周期開始之前已衰減到零。表明下個周期開始之前開關導通時間存儲于初級的能量以完全傳遞到次級負載。第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.3連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理連續(xù)模式如圖(c)所示。初級電流有前沿階梯且沿斜坡上升;在開關管關斷期間（圖（d）），次級電路為階梯上疊加衰減的三角波。開關管再次導通時，次級仍然維持有電流。第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.3連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理兩種工作模式的比較：不連續(xù)模式電路的響應更快且負載電流或輸入電壓突變引起的輸出電壓尖峰更低。不連續(xù)模式下次級電流峰值大，將在關斷瞬間產(chǎn)生較大的輸出電壓尖峰，從而需要較大的LC濾波器；大的峰值電流會產(chǎn)生嚴重的RFI問題。不連續(xù)模式下次級電流可以達到連續(xù)模式的兩倍，整流二極管的溫升也更高不連續(xù)模式下初級電流峰值約為連續(xù)模式的兩倍，要求使用更大電流且可能更昂貴的開關管，而且也會導致更大的EMI問題。不連續(xù)模式比連續(xù)模式應用更廣泛的原因：1、不連續(xù)模式本身的變壓器勵磁電感小而響應快，且輸出負載電流和輸入電壓突變時，輸出電壓瞬態(tài)尖峰小。2、由于連續(xù)模式本身的特性（其傳遞函數(shù)具有右半平面零點），必須大幅減小誤差放大器帶寬才能使反饋環(huán)穩(wěn)定。第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.3連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理連續(xù)模式反激變換器的設計原則1、輸出電壓和導通時間的關系穩(wěn)態(tài)時，初級開關管導通時的伏秒數(shù)等于其關斷時的伏秒數(shù)反饋環(huán)在Vdc增大時降低Ton，在Vdc減小時升高Ton，以保持輸出電壓的穩(wěn)定。第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期三6.3連續(xù)模式下反激變換器的基本工作原理2、輸入、