反激變換器的原理與設(shè)計(jì)

1、1第二章第二章 反激變換器的原理與設(shè)計(jì)反激變換器的原理與設(shè)計(jì) 2.1 2.1 電氣隔離型電氣隔離型DC/DCDC/DC變換器的基本類型變換器的基本類型2.2 2.2 反激變換器的原理與設(shè)計(jì)反激變換器的原理與設(shè)計(jì)2 基于基于BuckBuck變換器變換器： 正激式、雙管正激式、推挽式、半橋正激式、雙管正激式、推挽式、半橋 式、全橋式等式、全橋式等 基于基于Buck-boostBuck-boost變換器變換器： 反激式、雙管反激式等反激式、雙管反激式等 基于基于BoostBoost變換器變換器： 隔離隔離BoostBoost變換器等變換器等2.1 2.1 電氣隔離型電氣隔離型DC/DCDC/DC變換

2、器的基本類型變換器的基本類型3u 正激變換器正激變換器 4u 正激變換器正激變換器 電路結(jié)構(gòu)簡單，是中小功率場合常用電路結(jié)構(gòu)簡單，是中小功率場合常用 的拓?fù)浞桨傅耐負(fù)浞桨?必須采取附加復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)變壓器必須采取附加復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)變壓器 磁芯磁復(fù)位，如磁芯磁復(fù)位，如有源箝位、有源箝位、RCDRCD箝位、箝位、 LCD LCD箝位、復(fù)位繞組箝位、復(fù)位繞組等等 主功率管的占空比一般都不超過主功率管的占空比一般都不超過0.50.55 (a) (a) 帶磁復(fù)位繞組的正激式帶磁復(fù)位繞組的正激式 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、雙管正激式雙管正激式 9u 雙管正激式雙管正激式 電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于中小功率場合電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于中小功率場合 不需采取附加復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)變壓器不需采取附加復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)變壓器 磁芯磁復(fù)位磁芯磁復(fù)位 功率管的占空比要小于功率管的占空比要小于0.50.510u 推挽變換器推挽變換器11u 推挽變換器推挽變換器 電路結(jié)構(gòu)簡單電路結(jié)構(gòu)簡單 變壓器磁芯雙向磁化變壓器磁芯雙向磁化 電路必須有良好的對(duì)稱性，否則容易引起電路必須有良好的對(duì)稱性，否則容易引起 直流偏磁導(dǎo)致磁芯飽和直流偏磁導(dǎo)致磁芯飽和 變壓器繞組必須緊密耦合，以減小漏感變壓器繞組必須緊密耦合，以減小漏感 12u 半橋變換器半橋變換器 13u

4、 半橋變換器半橋變換器 磁芯雙向磁化，利用率高磁芯雙向磁化，利用率高 變壓器磁芯不存在直流偏磁現(xiàn)象變壓器磁芯不存在直流偏磁現(xiàn)象 功率管承受電源電壓，功率管承受電源電壓，輸入電壓利用率輸入電壓利用率 低，低，適合高壓中功率場合適合高壓中功率場合14u 全橋變換器全橋變換器15 磁芯雙向磁化，利用率高磁芯雙向磁化，利用率高 易采用軟開關(guān)工作方式易采用軟開關(guān)工作方式 適合大功率場合適合大功率場合 功率器件較多，控制及驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜功率器件較多，控制及驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜 變壓器磁芯存在直流偏磁現(xiàn)象變壓器磁芯存在直流偏磁現(xiàn)象 橋臂存在直通可能橋臂存在直通可能u 全橋變換器全橋變換器16u 反激變換器反激變換器17u

5、 反激變換器反激變換器 電路拓?fù)涓鼮楹啙崳子诳刂齐娐吠負(fù)涓鼮楹啙?，易于控?在在中小功率變換場合（中小功率變換場合（200W200W以下以下）應(yīng)用應(yīng)用 廣泛廣泛 適合多路輸出場合適合多路輸出場合18圖圖2-1 反激變換器電路反激變換器電路 2.2 2.2 反激變換器的原理與設(shè)計(jì)反激變換器的原理與設(shè)計(jì)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 電流臨界連續(xù)模式圖圖2-2 電感電感L1和和L2的電流波形的電流波形 20u 電流連

6、續(xù)模式（電流連續(xù)模式（CCM） 根據(jù)根據(jù)磁通連續(xù)性原理磁通連續(xù)性原理可得可得 (2-1) 設(shè)反激變換器輸出功率為設(shè)反激變換器輸出功率為Po，變換效率為，變換效率為，則輸入電流平均值為則輸入電流平均值為 (2-2) 輸入電流峰值為輸入電流峰值為 (2-3)i12oUD1DNNUio1UPIDL2TUDUPI1Siiop121u 電流斷續(xù)模式（電流斷續(xù)模式（DCM）輸入功率和輸出功率分別為輸入功率和輸出功率分別為 (2-4) (2-5)若不考慮損耗，可得若不考慮損耗，可得 (2-6)tdtLUUT1P1iDTs0iSi1S22iL2TDUoooIUP 22iSo1oUDTU2LI22輸入電流峰值為

7、輸入電流峰值為 (2-7)DLTUDUP2I1Siiop123u 電流臨界連續(xù)模式電流臨界連續(xù)模式 輸出電壓和輸出電流同時(shí)滿足式輸出電壓和輸出電流同時(shí)滿足式(2-1)和和(2-6)。將式。將式(2-1)代入式代入式(2-6)得得 (2-8)當(dāng)當(dāng)D=0.5時(shí)，臨界連續(xù)電流達(dá)到最大值：時(shí)，臨界連續(xù)電流達(dá)到最大值： (2-9)將式將式(2-9)代入式代入式(2-8)得得 (2-10)22iSiONS1go121oU TUTFNIID(1D)2LN2LU211SimaxgNNL8TUI)D1 (DI4Imaxgg24oi212maxgoUUDNNI4I 再將式再將式(2-9)代入式代入式(2-6)，得

8、電流斷續(xù)模，得電流斷續(xù)模式下的外特性為式下的外特性為 (2-11)25u 反激變換器的外特性曲線反激變換器的外特性曲線 根據(jù)式根據(jù)式(2-1)、(2-10)、(2-11)，得到反激變換，得到反激變換器外特性曲線。器外特性曲線。A左邊的曲線（對(duì)應(yīng)于式左邊的曲線（對(duì)應(yīng)于式(2-11)）為為DCM模式時(shí)外特性，曲線模式時(shí)外特性，曲線A(對(duì)應(yīng)于式對(duì)應(yīng)于式(2-10)為為臨界連續(xù)模式時(shí)外特性，臨界連續(xù)模式時(shí)外特性，A右邊的曲線（對(duì)應(yīng)于右邊的曲線（對(duì)應(yīng)于式式(2-1)）為）為CCM模式時(shí)外特性。模式時(shí)外特性。26圖圖2-3 2-3 反激變換器的標(biāo)幺外特性反激變換器的標(biāo)幺外特性27 反激變換器的外特性有如下

9、特點(diǎn)：反激變換器的外特性有如下特點(diǎn)： 類電壓源特性類電壓源特性：當(dāng)變換器工作于：當(dāng)變換器工作于CCM模式模式 時(shí)，輸出電壓與輸出電流的大小無關(guān)，時(shí)，輸出電壓與輸出電流的大小無關(guān)， 變換器的外特性類似于電壓源特性；變換器的外特性類似于電壓源特性； 類電流源特性類電流源特性：當(dāng)變換器工作于：當(dāng)變換器工作于DCM模模 式時(shí)，變換器存在很高的非線性內(nèi)阻，式時(shí)，變換器存在很高的非線性內(nèi)阻， 變換器具有類似于電流源的特性。變換器具有類似于電流源的特性。28u 不同工作模式比較不同工作模式比較 在輸出同樣功率時(shí)，在輸出同樣功率時(shí)，CCM比比DCM模式模式峰值電峰值電 流流小得多，或者說，選用相同電流容量的功

10、率小得多，或者說，選用相同電流容量的功率 管管CCM模式能輸出更大的功率。模式能輸出更大的功率。29 若變換器設(shè)計(jì)在整個(gè)工作狀態(tài)電流連續(xù)，若變換器設(shè)計(jì)在整個(gè)工作狀態(tài)電流連續(xù)， Ig=Iomin，最小輸出電流為臨界連續(xù)電流，最小輸出電流為臨界連續(xù)電流， 由式（由式（2-8），電感量），電感量L1需滿足需滿足2222iONSiONS1ominoominUTFUTFL2IU2P （2-122-12）30若變換器完全工作于斷續(xù)模式，若變換器完全工作于斷續(xù)模式，Ig=Iomax，最大最大輸出電流為臨界連續(xù)電流，電感量輸出電流為臨界連續(xù)電流，電感量L1為為 （2-13）n相同輸出功率時(shí)，相同輸出功率時(shí)，D

11、CM模式比模式比CCM模式電感量模式電感量 小得多，儲(chǔ)能變壓器體積也要小得多。小得多，儲(chǔ)能變壓器體積也要小得多。2222iONSiONS1omaxoomaxUTFUTFL2IU2P31 如果變換器工作于如果變換器工作于DCM模式模式，由負(fù)載變化引，由負(fù)載變化引 起的占空比調(diào)節(jié)范圍很大，使調(diào)節(jié)困難，因起的占空比調(diào)節(jié)范圍很大，使調(diào)節(jié)困難，因 此此DCM模式一般用于模式一般用于負(fù)載變化很小負(fù)載變化很小且且輸出功輸出功 率小率小的場合；的場合； 如果變換器工作在如果變換器工作在CCM模式模式，對(duì)于輸入電網(wǎng)，對(duì)于輸入電網(wǎng) 電壓以及負(fù)載的變化只需較小的脈寬變化便電壓以及負(fù)載的變化只需較小的脈寬變化便 能維

12、持輸出電壓能維持輸出電壓Uo的恒定。的恒定。32 DCM模式模式時(shí)，變壓器副邊整流二極管在原邊時(shí)，變壓器副邊整流二極管在原邊 功率管再次開通前電流已下降到零，沒有二功率管再次開通前電流已下降到零，沒有二 極管極管反向恢復(fù)問題反向恢復(fù)問題； CCM模式模式時(shí)，則存在副邊整流二極管的反向時(shí)，則存在副邊整流二極管的反向 恢復(fù)問題?；謴?fù)問題。332.2.2 20W 27VDC/+15V(1.0A)、-5V(0.2A)、+5V(0.4A)機(jī)內(nèi)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與試驗(yàn)機(jī)內(nèi)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與試驗(yàn)* 設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)為DCM模式；模式；* 采用電流型控制方式；采用電流型控制方式；* 功率電路采用功率電路采用RCD箝位反激變換

13、器箝位反激變換器34 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為：設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)為： 輸入電壓：輸入電壓：1832VDC 輸出電壓三組：輸出電壓三組：+15V(1.0A)、 15V(0.2A)、+5V(0.4A) 輸出電壓紋波輸出電壓紋波:VPP 75%35u 電路組成電路組成圖圖2-4 基于電流控制基于電流控制RCD箝位反激變換器機(jī)內(nèi)穩(wěn)壓電源電路組成箝位反激變換器機(jī)內(nèi)穩(wěn)壓電源電路組成36u DCM模式反激變換器功率電路設(shè)計(jì)模式反激變換器功率電路設(shè)計(jì)* 變壓器設(shè)計(jì)變壓器設(shè)計(jì)1.確定磁芯材質(zhì)和型號(hào)確定磁芯材質(zhì)和型號(hào)選用軟磁鐵氧體選用軟磁鐵氧體R2KBD、罐形磁芯，罐形磁芯，Bs=5100GS。此。此時(shí)磁芯工作于第二種工作狀態(tài)

14、，取磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量時(shí)磁芯工作于第二種工作狀態(tài)，取磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量B=1/3BS=1700GS，將將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 選用選用GU18罐形磁芯，該磁芯的截面積罐形磁芯，該磁芯的截面積S和和窗口面積窗口面積Q分別為分別為 222Ccm4118. 0)9 . 28 . 7(4SS2(14.67.8) 3.60.2448Qcm440.4118 0.24480.10080.04184SQcmcm(2-1

15、5)(2-16)(2-17)382 繞組計(jì)算繞組計(jì)算(1) 計(jì)算變壓器初級(jí)電感量計(jì)算變壓器初級(jí)電感量 DCM模式，最大輸出功率時(shí)電流臨界連續(xù)模式，最大輸出功率時(shí)電流臨界連續(xù)，所以，所以 H103 . 775. 01033. 3220)102(18T2PTUL66262Smaxo2maxON2minimax1(2-18)39根據(jù)根據(jù)(2-19)、(2-20)式，可得磁芯上所開氣隙長度式，可得磁芯上所開氣隙長度 為為8C1ONi10SNTUBcm01875. 01075. 04118. 017004 . 01033. 320210SBTP28268C20Smaxo(2) 計(jì)算磁芯上所開氣隙的長度計(jì)

16、算磁芯上所開氣隙的長度8C210SmaxO2maxON2minimax110SNT2PTUL (2-19) (2-20) (2-21)40(3) 計(jì)算原邊繞組匝數(shù)計(jì)算原邊繞組匝數(shù) (2-22)6881max10CL7.3 100.01875N10105.14S0.40.4118取取N1=5匝。匝。41(4) 計(jì)算匝比，確定各副邊繞組匝數(shù)計(jì)算匝比，確定各副邊繞組匝數(shù) (2-23)* UD為輸出整流二極管壓降。為輸出整流二極管壓降。同理求得同理求得n13=1.6875，n14=1.6875，n15=1.6875，副邊繞組匝數(shù)為副邊繞組匝數(shù)為N2=N1/n12=5/4.5=1.11，取取1匝，匝，n

17、12=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) 根據(jù)根據(jù)N1來校核原邊電感，并計(jì)算各副邊電感來校核原邊電感，并計(jì)算各副邊電感 計(jì)算值計(jì)算值7.3 (2-25) (2-26)同理，計(jì)算得同理，計(jì)算得L3max=L4max=L5max=2.48H。8C021max110SNL821001875. 04118. 04 . 05H109 . 66HH1028. 010

18、SNL68C022max243(6) 計(jì)算變壓器原副邊繞組電流有效值計(jì)算變壓器原副邊繞組電流有效值 變壓器原邊電流峰值為變壓器原邊電流峰值為 (2-27) 各副邊電流峰值為各副邊電流峰值為 (2-28)A94. 475. 06 . 018202DUP2ImaxminioP1A47. 275. 06 . 018522DUnP2Imaxmini122oP2 同理計(jì)算得，同理計(jì)算得，I3P=6.18A，I4P=1.24A，I5P=1.24A(Io5取取0.2A)。44原邊電流有效值為原邊電流有效值為 (2-29)副邊電流有效值為副邊電流有效值為 (2-30) 同理計(jì)算得同理計(jì)算得I3=2.25A，I

19、4=0.45A，取自饋電繞組取自饋電繞組N5電流電流有效值有效值I5=1A。A2 . 23ITTdt) tTI(T1I2P1SONT02ONP1S1ONA9 . 03ITTdt) tTII (T1I2P2SOFFT02OFFP2P2S2OFF45(7) 確定原副邊導(dǎo)線線徑和股數(shù)確定原副邊導(dǎo)線線徑和股數(shù) 取取j=500A/cm2，根據(jù)根據(jù)S=I/j可得，原副邊導(dǎo)線截面可得，原副邊導(dǎo)線截面積為積為S1=0.0044cm2，S2=0.0018cm2，S3=0.0045cm2，S4=0.0009cm2，S5=0.002cm2。 選用選用d=0.23mm的導(dǎo)線，其截面積為的導(dǎo)線，其截面積為0.0415m

20、m2。N1并繞根數(shù)并繞根數(shù)=0.44/0.0415=10.6根，取根，取10根；根；N2并繞并繞根數(shù)根數(shù)=0.18/0.0415=4.33根，取根，取4根；根；N3并繞根數(shù)并繞根數(shù)=0.45/0.0415=10.8根，取根，取10根；根；N4并繞根數(shù)并繞根數(shù)=0.09/0.0415=2.16根，取根，取2根；根；N5并繞根數(shù)并繞根數(shù)=0.2/0.0415=4.82根，取根，取5根。根。46(8) 校核窗口系數(shù)：校核窗口系數(shù)： (2-31)(9) 參數(shù)測試參數(shù)測試 用用RLC電橋測得原邊繞組的電感電橋測得原邊繞組的電感L1=7.2H，副邊副邊繞組電感繞組電感L2=0.29H，L3=2.48H，L

21、4=2.48H，L5=2.48H，原邊對(duì)副邊的漏感原邊對(duì)副邊的漏感Llk=2.2H。QNSNSNSNSNSK55443322113 . 0178. 047* 功率器件的選擇功率器件的選擇1. 功率開關(guān)管的選擇功率開關(guān)管的選擇 功率開關(guān)管上承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為功率開關(guān)管上承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為 (2-32) (2-33) 功率管選用功率管選用IRF530（14A/100V）。）。2o21maximaxDSUNNUUV5965 . 432A94. 475. 06 . 018202DUP2ImaxminioP1482.副邊整流二極管的選擇副邊整流二極管的選擇 整流二極管整流二極管D

22、6承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力分別為 (2-34) (2-35)2oi126DUUNNU) 15(3292V1 .13A64. 2IIP2P,6D49 同理計(jì)算得，整流二極管同理計(jì)算得，整流二極管D3、D7、D8承受的電承受的電壓和電流應(yīng)力分別為：壓和電流應(yīng)力分別為：UD3=33.78V，ID3,P=1.2A，UD7=33.78V，ID7,P=3.2A，UD8=33.78V，ID8,P=1.2A。因?yàn)殚_關(guān)頻率為因?yàn)殚_關(guān)頻率為300KHz，所以整流二極管所以整流二極管D3、D6、D8選用選用肖特基二極管肖特基二極管1N5819（1A/40V）。）。D7選用選用肖特基二極管肖特基二極管SR506（5A/60V）。）。 二極管二極管D2的作用是阻止啟動(dòng)時(shí)輸入電壓對(duì)死負(fù)的作用是阻止啟動(dòng)時(shí)輸入電壓對(duì)死負(fù)載載R4供電，使得電容供電，使得電容C2上的電壓迅速上升，從而使上的電壓迅速上升，從而使UC1843快速啟動(dòng)，快速啟動(dòng)，D2也選用也選用1N581