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1、第六章第六章 反激变换器拓扑反激变换器拓扑 功功率率变变换换电电路路单端单端双端双端隔离型隔离型不隔离型不隔离型降压、升压、降降压、升压、降-升升压、库克变换器压、库克变换器反激、正激反激、正激推挽、半桥、推挽、半桥、全桥全桥6.1 概述（概述（Introduction）6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理(Discontinuous-Mode Flybacks Basic Operation)6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理(continuous-Mode Flybacks Basic Operation
2、)6.4 交错反激变换器交错反激变换器本章小结本章小结第六章第六章 反激变换器反激变换器 6.1 6.1 概述概述反激变换器的工作原理反激变换器的工作原理：开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电开关管导通时，变压器储存能量，负载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输容提供；开关管关断时，变压器将储存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。出滤波电容，以补偿电容单独提供负载电流时消耗的能量。优点：优点：不需要输出滤波电感（滤波电感在所有正激拓扑中是必不需要输出滤波电感（滤波电感在所有正激拓扑中是必需的），减小体积，降低成
3、本。需的），减小体积，降低成本。应用范围：应用范围：l5150W电源中应用广泛电源中应用广泛l高电压、小功率场合（电压不大于高电压、小功率场合（电压不大于5000V，功率小于，功率小于15W）l50W150W且有多组输出的变换器且有多组输出的变换器l选择合适的匝比，可用于直流输入低至选择合适的匝比，可用于直流输入低至5V的场合的场合6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理工作原理工作原理电路有一主一辅两个输出，主输电路有一主一辅两个输出，主输出出Vom接负反馈闭环。接负反馈闭环。Vom的的采样电压与参考电压相比较，产采样电压与参考电压相比较，产生
4、的误差信号控制生的误差信号控制Q1的导通时的导通时间，使输出采样电压在输入电压间，使输出采样电压在输入电压和负载变化时跟随参考电压变化。和负载变化时跟随参考电压变化。辅输出对输入电压的变化调整很辅输出对输入电压的变化调整很好，但对负载变化调整稍差。好，但对负载变化调整稍差。6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理Q1导通时，所有绕组同名端的电压相对于异名端为负；输出整流管导通时，所有绕组同名端的电压相对于异名端为负；输出整流管D1、D2反偏，反偏，C1、C0单独向负载供电。单独向负载供电。C1、C0容量的选择应保证提供负载电流容量的选择应保证提供
5、负载电流的同时能满足输出电压纹波和压降的要求。的同时能满足输出电压纹波和压降的要求。Q1导通期间，导通期间，Np的电压恒定，的电压恒定，其电流线性上升，斜率为其电流线性上升，斜率为di/dt=(Vdc-1)/Lp，其中，其中，Lp是初级励磁电感。在是初级励磁电感。在导通结束之前，初级电流上升达到导通结束之前，初级电流上升达到Ip=(Vdc-1)Ton/Lp。变压器储能为。变压器储能为Q1关断时，励磁电感的电流使各绕组反向，设此时次级只有一个主次级绕关断时，励磁电感的电流使各绕组反向，设此时次级只有一个主次级绕组组Nm，无其他辅助绕组。则由于电感电流不能突变，在，无其他辅助绕组。则由于电感电流不
6、能突变，在Q1关断瞬间，变压关断瞬间，变压器次级电流幅值为器次级电流幅值为几个开关周期之后，次级直流电压上升到几个开关周期之后，次级直流电压上升到Vom。Q1关断时，关断时，Nm同名端电压同名端电压为正，电流从该端输出并线性下降，斜率为为正，电流从该端输出并线性下降，斜率为dIs/dt=Vom/Ls。其中。其中Ls为次级为次级电感。若次级电流电感。若次级电流Is再次导通之前降到零，则变压器存储的能量在再次导通之前降到零，则变压器存储的能量在Q1再次导再次导通之前已经传送到负载端，变压器工作在不连续模式。一个周期通之前已经传送到负载端，变压器工作在不连续模式。一个周期T内直流母线内直流母线电压提
7、供的功率为电压提供的功率为6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理Ip=(Vdc-1)Ton/Lp,则有由上式可见，只要反馈保持由上式可见，只要反馈保持VdcTon恒定，即可保持输出恒定。恒定，即可保持输出恒定。6.2.1 输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系输入电压、输出电压及导通时间与输出负载的关系设变换器效率为设变换器效率为80从式（）可见最大导通时间从式（）可见最大导通时间Ton出现在输入电压最低的时候，即出现在输入电压最低的时候，即Ip=VdcTon/Lp反馈环路在反馈环路在Vdc或或Ro上升时减小上升时减小Ton，在，在Vdc
8、或或Ro下降时增大下降时增大Ton，从而自动调整输出。，从而自动调整输出。6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2.2 设计原则和设计步骤设计原则和设计步骤1、确定初、确定初/次级匝数比（匝比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可承受的最大次级匝数比（匝比决定了不考虑漏感尖峰时开关管可承受的最大关断电压应力关断电压应力Vms）忽略漏感尖峰并设整流管压降为忽略漏感尖峰并设整流管压降为1V，则直流输入电压最大时开关管的最大电，则直流输入电压最大时开关管的最大电压应力为压应力为参数的选择应使参数的选择应使Vms尽量小，以保证即使有的漏感尖峰叠加于尽量小，
9、以保证即使有的漏感尖峰叠加于Vms，对开关，对开关管的极限值（管的极限值（Vceo、Vcer或或Vcev）仍有）仍有30的裕度。的裕度。2、保证磁心不饱和且电路始终工作于、保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式模式假设假设Q1和和D1的正向导通压降均为的正向导通压降均为1V，则有，则有式中，式中，Tr是图中变压器的复位时间，也是次级电流降为零的时间。是图中变压器的复位时间，也是次级电流降为零的时间。即保证变压器正负伏秒数相等。即保证变压器正负伏秒数相等。6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理为保证电路不工作于不连续模式，必须设定死区时间，即图
10、中的Tdt。3、初级电感与最小输出电阻及直流输入电压的关系、初级电感与最小输出电阻及直流输入电压的关系由式（）可得初级电感计算公式Vdc和Vms确定后，Np/Nsm可由式(4.4)求得，联立式(4.5)和式(4.6)可得6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理4、开关管的最大电压应力和峰值电流若开关管为双极晶体管，则其峰值电流Ip为其中其中Vdc已给定，已给定，Ton可由式（）计算，可由式（）计算，Lp可由（）求出。若开关管为可由（）求出。若开关管为MOSFET，则其最大额定电流为式，则其最大额定电流为式(4.9)计算值的计算值的510倍，以使其
11、导通倍，以使其导通电阻足够小，导通压降足够大。电阻足够小，导通压降足够大。5、初级电流有效值和导线尺寸、初级电流有效值和导线尺寸初级电流为三角波，峰值为Ip，有效值为6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理6、次级电流有效值和导线尺寸、次级电流有效值和导线尺寸次级电流为三角波，峰值为次级电流为三角波，峰值为Is=Ip(Np/Ns)，持续时间为，持续时间为Ts。初次级匝。初次级匝比比Np/Ns由式由式(4.4)给出，给出，Tr，因此次级电流有效值为，因此次级电流有效值为6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本
12、工作原理7、不连续模式下的反激变换器设计实例、不连续模式下的反激变换器设计实例设计参数设计参数首先选择开关管的额定电压。因为额定电压是决定变压器匝比的主要因素。选择首先选择开关管的额定电压。因为额定电压是决定变压器匝比的主要因素。选择额定电压为额定电压为200V的开关管。在式的开关管。在式(4.4)中，开关管关断时承受的最大电压应力中，开关管关断时承受的最大电压应力Vms为为120V,因此即使关断瞬间的漏感尖峰为因此即使关断瞬间的漏感尖峰为Vms的的25（或（或30V），仍有），仍有50V的电压裕度。由式的电压裕度。由式(4.4)可得可得6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连
13、续模式下反激变换器的基本工作原理根据式确定最大导通时间根据式确定最大导通时间)由式由式(4.8)有有6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理由式由式(4.10)有有由式由式(4.9)有有6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理根据式根据式(4.11)，初级所需的总园密耳数为，初级所需的总园密耳数为选用选用19号线，其园密耳数为号线，其园密耳数为1290根据式根据式(4.12)，可得次级电流为，可得次级电流为复位时间复位时间Tr满足（）满足（）s6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连
14、续模式下反激变换器的基本工作原理由式由式(4.12)可知，次级所需的总园密耳数为可知，次级所需的总园密耳数为5002110500。因此选用因此选用10号线，但号线，但10号线直径太大，选用等园密耳的铜箔绕组或者号线直径太大，选用等园密耳的铜箔绕组或者并绕细线代替。并绕细线代替。输出电容根据输出纹波选择。输出电流最大时，开关管的导通时间为输出电容根据输出纹波选择。输出电流最大时，开关管的导通时间为ss，则，则滤波电容滤波电容CoCo在在s(包括导通时间和死区时间，此时的输出电流完全由电容提供包括导通时间和死区时间，此时的输出电流完全由电容提供)里承受里承受10A的电流，其电压坡度为的电流，其电压
15、坡度为当电压下降时，已知容量为2000F的铝电解电容的平均ESR值为1、在开关管关断瞬间，次级电流峰值为、在开关管关断瞬间，次级电流峰值为66A，此电流流过等效电阻，产生，此电流流过等效电阻，产生很窄的尖峰电压很窄的尖峰电压660.03=2V。当反激变换器的匝比。当反激变换器的匝比Np/Ns较大时，开关管较大时，开关管关断时这种高幅度窄尖峰电压是很常见的问题。关断时这种高幅度窄尖峰电压是很常见的问题。解决办法：选用比上式计算值大的电容（因为解决办法：选用比上式计算值大的电容（因为Resr与与Co成反比）或外接小成反比）或外接小型型LC电路以吸收窄尖峰。电路以吸收窄尖峰。6.2 6.2 不连续模
16、式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理2、在反激变换器总中，当初级流过电流时，没有流过次级绕组以抵消初级、在反激变换器总中，当初级流过电流时，没有流过次级绕组以抵消初级安匝，因此初级安匝趋于使磁心饱和。安匝，因此初级安匝趋于使磁心饱和。解决办法：给铁氧体磁心加气隙或采用本身有内部气隙的解决办法：给铁氧体磁心加气隙或采用本身有内部气隙的MPP（坡莫合金粉（坡莫合金粉末）磁心末）磁心存在问题：存在问题：6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2.3 反激拓扑的电磁原理反激拓扑的电磁原理防止反激变换器磁心饱和的方法：给磁心
17、加气隙防止反激变换器磁心饱和的方法：给磁心加气隙 采用实心铁氧体磁心，研磨掉采用实心铁氧体磁心，研磨掉EE型或罐型磁心中型或罐型磁心中心柱的一部分形成气隙；在心柱的一部分形成气隙；在U型或型或UU型磁心的两型磁心的两半间插入塑料薄片形成气隙。半间插入塑料薄片形成气隙。采用采用MPP(坡莫合金粉末坡莫合金粉末)磁心磁心6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理1、铁氧体磁心加气隙防止饱和、铁氧体磁心加气隙防止饱和铁氧体磁心加气隙作用：铁氧体磁心加气隙作用：磁滞回线倾斜，磁导率降低磁滞回线倾斜，磁导率降低 提高饱和安匝数提高饱和安匝数磁芯制造商通常给出
18、计算对应电感所需匝数的曲线图和安磁芯制造商通常给出计算对应电感所需匝数的曲线图和安匝数匝数6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理2、采用、采用MPP磁芯防止饱和磁芯防止饱和6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理不连续模式下反激变换器的基本工作原理6.2.4 反激变换器的缺点反激变换器的缺点1、较大的输出电压尖峰、较大的输出电压尖峰开关管开始关断时刻，从Co看
19、进去的阻抗远低于Ro，所有次级大电流都流入Co及其等效串联电阻（Resr）。这将产生窄而高的输出的电压尖峰Ip(Np/Ns)Resr。尖峰的宽度通常小于s。解决办法：窄反激变换器主储能电容后加小型解决办法：窄反激变换器主储能电容后加小型LCLC滤波器滤波器,用于滤掉宽度小于用于滤掉宽度小于s的尖的尖峰。峰。注意：误差放大器应在注意：误差放大器应在LC滤波器之前对输出电压进行采样。滤波器之前对输出电压进行采样。2、需要大容量且能耐高纹波电流的输出滤波电容、需要大容量且能耐高纹波电流的输出滤波电容输出纹波电压要求并不能最终决定滤波电容的选择，而是由根据纹波电压要求初选的电容的纹波电流额定值决定的。
20、若根据输出纹波电压初选的电容不能达到额定电流的要求，则应选择更大容量的电容，或使用多个电容并联工作。反激变换器的两种工作模式：反激变换器的两种工作模式：不连续模式和连续模式不连续模式和连续模式6.3 6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理决定电路工作模式的参数是：决定电路工作模式的参数是：变压器的励磁电感和电路的输变压器的励磁电感和电路的输出负载电流出负载电流如图如图(a)所示，不连续模式所示，不连续模式的初级电流前端没有阶梯，的初级电流前端没有阶梯，而在关断瞬间（而在关断瞬间（b）次级电）次级电流是衰减的三角波，在下流是衰减的三角波，在下一个周期开始之前
21、已衰减一个周期开始之前已衰减到零。到零。表明下个周期开始表明下个周期开始之前开关导通时间存储于之前开关导通时间存储于初级的能量以完全传递到初级的能量以完全传递到次级负载。次级负载。6.3 6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式如图连续模式如图(c)所示。初级电所示。初级电流有前沿阶梯且沿斜坡上升流有前沿阶梯且沿斜坡上升;在在开关管关断期间（图（开关管关断期间（图（d），），次级电路为阶梯上叠加衰减的次级电路为阶梯上叠加衰减的三角波。开关管再次导通时，三角波。开关管再次导通时，次级仍然维持有电流。次级仍然维持有电流。6.3 6.3 连续模式下反激变换
22、器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理两种工作模式的比较：两种工作模式的比较：l不连续模式电路的响应更快且负载电流或输入电压突变引起的输出电压不连续模式电路的响应更快且负载电流或输入电压突变引起的输出电压尖峰更低。尖峰更低。l不连续模式下次级电流峰值大，将在关断瞬间产生较大的输出电压尖峰，不连续模式下次级电流峰值大，将在关断瞬间产生较大的输出电压尖峰，从而需要较大的从而需要较大的LC滤波器；大的峰值电流会产生严重的滤波器；大的峰值电流会产生严重的RFI问题。问题。l不连续模式下次级电流可以达到连续模式的两倍，整流二极管的温升也不连续模式下次级电流可以达到连续模式的两倍，整流二极管的
23、温升也更高更高l不连续模式下初级电流峰值约为连续模式的两倍，要求使用更大电流且不连续模式下初级电流峰值约为连续模式的两倍，要求使用更大电流且可能更昂贵的开关管，而且也会导致更大的可能更昂贵的开关管，而且也会导致更大的EMI问题。问题。不连续模式比连续模式应用更广泛的原因：不连续模式比连续模式应用更广泛的原因：1、不连续模式本身的变压器励磁电感小而响应快，且输出负载电流和输入、不连续模式本身的变压器励磁电感小而响应快，且输出负载电流和输入电压突变时，输出电压瞬态尖峰小。电压突变时，输出电压瞬态尖峰小。2、由于连续模式本身的特性（其传递函数具有右半平面零点），必须大幅、由于连续模式本身的特性（其传
24、递函数具有右半平面零点），必须大幅减小误差放大器带宽才能使反馈环稳定。减小误差放大器带宽才能使反馈环稳定。6.3 6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式反激变换器的设计原则连续模式反激变换器的设计原则1、输出电压和导通时间的关系、输出电压和导通时间的关系稳态时，初级开关管导通时的伏秒数等于其关断时的伏秒数稳态时，初级开关管导通时的伏秒数等于其关断时的伏秒数反馈环在反馈环在Vdc增大时降低增大时降低Ton，在，在Vdc减小时升高减小时升高Ton，以保持输出电，以保持输出电压的稳定。压的稳定。连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本
25、工作原理2、输入、输出电流与功率的关系、输入、输出电流与功率的关系6.3 6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理在图中，输出功率等于输出电压与次级电流脉冲乘积的平均值。因为在图中，输出功率等于输出电压与次级电流脉冲乘积的平均值。因为Icsr等于等于次级电流上升斜坡的中间值。所以有次级电流上升斜坡的中间值。所以有式式(4.18)和式和式(4.19)中的中的 由式由式(4.17)中的中的Vom、Vdc和匝比和匝比Ns/Np 确定，此匝比由式（）得到。确定，此匝比由式（）得到。假设效率为假设效率为80，即，即，Icpr等于初级电流上升斜坡的中间值，则有等于初级电
26、流上升斜坡的中间值，则有6.3 6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理3、最小电流输入时连续模式下的电流斜波幅值、最小电流输入时连续模式下的电流斜波幅值连续模式的起始点是初级电流出现前端阶跃的时刻，此阶跃在初级平均电流值连续模式的起始点是初级电流出现前端阶跃的时刻，此阶跃在初级平均电流值等于斜坡幅度等于斜坡幅度dIp的一半时出现，这个值是使电路仍处于连续模式的最小值。的一半时出现，这个值是使电路仍处于连续模式的最小值。从式从式(4.20)可得，对应最小输入功率的初级电流上升斜坡的中间值为可得，对应最小输入功率的初级电流上升斜坡的中间值为上式中，上式中，由式
27、由式(4.17)得到，对应于最小直流电压得到，对应于最小直流电压Vdc，斜坡斜率，斜坡斜率dIp的值为的值为dIp=(Vdc-1)ton/Lp式中，式中，Lp是初级的励磁电感，有是初级的励磁电感，有式中，Po是最小额定输出功率6.3 6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理连续模式下反激变换器的基本工作原理4、不连续与连续模式反激变换器的设计实例、不连续与连续模式反激变换器的设计实例假设输出功率为假设输出功率为50W，输出电压为，输出电压为5V，开关频率为，开关频率为50kHz，初级最小输入，初级最小输入为为38V，最大值为，最大值为60V，假设最小输出功率是额定值的，假设最小输出功率是额定值的10，即，即5W。初初/次级电路小，尤其是次级电流小，是连续模式的优点。但是因次级电路小，尤其是次级电流小，是连续模式的优点。但是因为电流连续需要带宽很窄的误差放大器来稳定反馈环，所以初级电为电流连续需要带宽很窄的误差放大器来稳定反馈环，所以初级电感过大会影响响应速度和右半平面零点特性。感过大会影响响应速度和右半平面零点特性。6.4 6.4 交错反激变换器交错反激变换器工作原理：工作原理：由两个不连续模式反激变换由两个不连续模式反激变换器组成，两个开关管交替导器组成，两个开关管交替导通，它们的次级电路通过整通，它们的次级电路通过整流管互相叠加。流管互相叠加。