反激變換器的原理與設計

1、1第二章第二章 反激變換器的原理與設計反激變換器的原理與設計 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計反激變換器的原理與設計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 電路結構簡單，是中小功率場合常用電路結構簡單，是中小功率場合常用 的拓撲方案的拓撲方案 必須采取附加復位電路來實現(xiàn)變壓器必須采取附加復位電路來實現(xiàn)變壓器 磁芯磁復位，如磁芯磁復位，如有源箝位、有源箝位、RCDRCD箝位、箝位、 LCD LCD箝位、復位繞組箝位、復位繞組等等 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) 帶磁復位繞組的正激式帶磁復位繞組的正激式 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 電路結構簡單，適用于中小功率場合電路結構簡單，適用于中小功率場合 不需采取附加復位電路來實現(xiàn)變壓器不需采取附加復位電路來實現(xiàn)變壓器 磁芯磁復位磁芯磁復位 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 電路結構簡單電路結構簡單 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稱性，否則容易引起電路必須有良好的對稱性，否則容易引起 直流偏磁導致磁芯飽和直流偏磁導致磁芯飽和 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，輸入電壓利用率功率管承受電源電壓，輸入電壓利用率 低，適合高壓中功率場合低，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 易采用軟開關工作方式易采用軟開關工作方式 適合大功率場合適合大功率場合 功率器件較多，控制及驅動較復雜功率器件較多，控制及驅動較復雜 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 電路拓撲更為簡潔，易于控制電路拓撲更為簡潔，易于控制 在中小功率變換場合（在中小功率變換場合（200W200W以下以下）應用）應用 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計反激變換器的原理與設計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

6、連續(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) 設反激變換器輸出功率為設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

7、為輸入電流峰值為 (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滿足式輸出電壓和輸出電流同時滿足式(2-1)和和(2-6)。將式。將式(2-1)代入式代入式(2-6)得得 (2-8)當當D=0.5時，臨界連續(xù)電流達到最大值：時，臨界連續(xù)電流達到最大值： (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)，

8、得電流斷續(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（對應于式左邊的曲線（對應于式(2-11)）為為DCM模式時外特性，曲線模式時外特性，曲線A(對應于式對應于式(2-10)為為臨界連續(xù)模式時外特性，臨界連續(xù)模式時外特性，A右邊的曲線（對應于右邊的曲線（對應于式式(2-1)）為）為CCM模式時外特性。模式時外特性。26圖圖2-3 2-3 反激變換器的標幺外特性反激變換器的標幺外特性27 反激變換器的外特性有如

9、下特點：反激變換器的外特性有如下特點： 類電壓源特性類電壓源特性：當變換器工作于：當變換器工作于CCM模式模式 時，輸出電壓與輸出電流的大小無關，時，輸出電壓與輸出電流的大小無關， 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：當變換器工作于：當變換器工作于DCM模模 式時，變換器存在很高的非線性內(nèi)阻，式時，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，在輸出同樣功率時，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

10、功率小得多，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 若變換器設計在整個工作狀態(tài)電流連續(xù)，若變換器設計在整個工作狀態(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，相同輸出功率時，

11、DCM模式比模式比CCM模式電感量模式電感量 小得多，儲能變壓器體積也要小得多。小得多，儲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，由負載變化引，由負載變化引 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載變化很小負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，對于輸入電網(wǎng)，對于輸入電網(wǎng) 電壓以及負載的變化只需較小的脈寬變化便電壓以及負載的變化只需較小的脈寬變化便 能

12、維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，變壓器副邊整流二極管在原邊時，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 極管極管反向恢復問題反向恢復問題； CCM模式模式時，則存在副邊整流二極管的反向時，則存在副邊整流二極管的反向 恢復問題?；謴蛦栴}。332.2.2 20W 27VDC/+15V(1.0A)、-5V(0.2A)、+5V(0.4A)機內(nèi)穩(wěn)壓電源設計與試驗機內(nèi)穩(wěn)壓電源設計與試驗* 設計為設計為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

13、換器箝位反激變換器34 設計技術指標為：設計技術指標為： 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箝位反激變換器機內(nèi)穩(wěn)壓電源電路組成箝位反激變換器機內(nèi)穩(wěn)壓電源電路組成36u DCM模式反激變換器功率電路設計模式反激變換器功率電路設計* 變壓器設計變壓器設計1.確定磁芯材質(zhì)和型號確定磁芯材質(zhì)和型號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。此時磁芯工作于第二種工作狀

14、態(tài)，取磁芯磁感應強度的變化量時磁芯工作于第二種工作狀態(tài)，取磁芯磁感應強度的變化量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-

15、15)(2-16)(2-17)382 繞組計算繞組計算(1) 計算變壓器初級電感量計算變壓器初級電感量 DCM模式，最大輸出功率時電流臨界連續(xù)模式，最大輸出功率時電流臨界連續(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) 計算磁芯上所開氣隙的長度

16、計算磁芯上所開氣隙的長度8C210SmaxO2maxON2minimax110SNT2PTUL (2-19) (2-20) (2-21)40(3) 計算原邊繞組匝數(shù)計算原邊繞組匝數(shù) (2-22)6881max10CL7.3 100.01875N10105.14S0.40.4118取取N1=5匝。匝。41(4) 計算匝比，確定各副邊繞組匝數(shù)計算匝比，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，

17、n12=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，并計算各副邊電感來校核原邊電感，并計算各副邊電感 計算值計算值7.3 (2-25) (2-26)同理，計算得同理，計算得L3max=L4max=L5max=2.48H。8C021max110SNL821001875. 04118. 04 . 05H109 . 66HH1028. 01

18、0SNL68C022max243(6) 計算變壓器原副邊繞組電流有效值計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 同理計算得，同理計算得，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) 同理計算得同理計算得I3=2.25A，

19、I4=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) 確定原副邊導線線徑和股數(shù)確定原副邊導線線徑和股數(shù) 取取j=500A/cm2，根據(jù)根據(jù)S=I/j可得，原副邊導線截面可得，原副邊導線截面積為積為S1=0.0044cm2，S2=0.0018cm2，S3=0.0045cm2，S4=0.0009cm2，S5=0.002cm2。 選用選用d=0.23mm的導線，其截面積為的導線，其截面積為0.0415

20、mm2。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，

21、L4=2.48H，L5=2.48H，原邊對副邊的漏感原邊對副邊的漏感Llk=2.2H。QNSNSNSNSNSK55443322113 . 0178. 047* 功率器件的選擇功率器件的選擇1. 功率開關管的選擇功率開關管的選擇 功率開關管上承受的電壓應力和電流應力分別為功率開關管上承受的電壓應力和電流應力分別為 (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

22、D6承受的電壓應力和電流應力分別為承受的電壓應力和電流應力分別為 (2-34) (2-35)2oi126DUUNNU) 15(3292V1 .13A64. 2IIP2P,6D49 同理計算得，整流二極管同理計算得，整流二極管D3、D7、D8承受的電承受的電壓和電流應力分別為：壓和電流應力分別為：UD3=33.78V，ID3,P=1.2A，UD7=33.78V，ID7,P=3.2A，UD8=33.78V，ID8,P=1.2A。因為開關頻率為因為開關頻率為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的作用是阻止啟動時輸入電壓對死負的作用是阻止啟動時輸入電壓對死負載載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，快速啟動，D2也選用也選用1N581