反激变换器的原理与设计讲稿.ppt

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1、反激变换器的原理与设计1第一页，讲稿共五十二页哦 基于基于BuckBuck变换器变换器：正激式、双管正激式、推挽式、半桥正激式、双管正激式、推挽式、半桥 式、全桥式等式、全桥式等 基于基于Buck-boostBuck-boost变换器变换器：反激式、双管反激式等反激式、双管反激式等 基于基于BoostBoost变换器变换器：隔离隔离BoostBoost变换器等变换器等2.1 2.1 电气隔离型电气隔离型DC/DCDC/DC变换器的基本类型变换器的基本类型2第二页，讲稿共五十二页哦u 正激变换器正激变换器 3第三页，讲稿共五十二页哦u 正激变换器正激变换器 电路结构简单，是中小功率场合常用电路结

2、构简单，是中小功率场合常用 的拓扑方案的拓扑方案 必须采取附加复位电路来实现变压器必须采取附加复位电路来实现变压器 磁芯磁复位，如磁芯磁复位，如有源箝位、有源箝位、RCDRCD箝位、箝位、LCD LCD箝位、复位绕组箝位、复位绕组等等 主功率管的占空比一般都不超过主功率管的占空比一般都不超过0.50.54第四页，讲稿共五十二页哦 (a)(a)带磁复位绕组的正激式带磁复位绕组的正激式 5第五页，讲稿共五十二页哦 (b)RCD(b)RCD箝位正激式箝位正激式 6第六页，讲稿共五十二页哦 (c)(c)有源箝位正激式有源箝位正激式 7第七页，讲稿共五十二页哦u 双管正激式双管正激式 8第八页，讲稿共五

3、十二页哦u 双管正激式双管正激式 电路结构简单，适用于中小功率场合电路结构简单，适用于中小功率场合 不需采取附加复位电路来实现变压器不需采取附加复位电路来实现变压器 磁芯磁复位磁芯磁复位 功率管的占空比要小于功率管的占空比要小于0.50.59第九页，讲稿共五十二页哦u 推挽变换器推挽变换器10第十页，讲稿共五十二页哦u 推挽变换器推挽变换器 电路结构简单电路结构简单 变压器磁芯双向磁化变压器磁芯双向磁化 电路必须有良好的对称性，否则容易引起电路必须有良好的对称性，否则容易引起 直流偏磁导致磁芯饱和直流偏磁导致磁芯饱和 变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感 11第

4、十一页，讲稿共五十二页哦u 半桥变换器半桥变换器 12第十二页，讲稿共五十二页哦u 半桥变换器半桥变换器 磁芯双向磁化，利用率高磁芯双向磁化，利用率高 变压器磁芯不存在直流偏磁现象变压器磁芯不存在直流偏磁现象 功率管承受电源电压，输入电压利用率功率管承受电源电压，输入电压利用率 低，适合高压中功率场合低，适合高压中功率场合13第十三页，讲稿共五十二页哦u 全桥变换器全桥变换器14第十四页，讲稿共五十二页哦 磁芯双向磁化，利用率高磁芯双向磁化，利用率高 易采用软开关工作方式易采用软开关工作方式 适合大功率场合适合大功率场合 功率器件较多，控制及驱动较复杂功率器件较多，控制及驱动较复杂 变压器磁芯

5、存在直流偏磁现象变压器磁芯存在直流偏磁现象 桥臂存在直通可能桥臂存在直通可能u 全桥变换器全桥变换器15第十五页，讲稿共五十二页哦u 反激变换器反激变换器16第十六页，讲稿共五十二页哦u 反激变换器反激变换器 电路拓扑更为简洁，易于控制电路拓扑更为简洁，易于控制 在中小功率变换场合（在中小功率变换场合（200W200W以下以下）应用）应用 广泛广泛 适合多路输出场合适合多路输出场合17第十七页，讲稿共五十二页哦图图2-1反激变换器电路反激变换器电路 2.2 2.2 反激变换器的原理与设计反激变换器的原理与设计18第十八页，讲稿共五十二页哦2.2.1 2.2.1 原理分析原理分析图图2-2电感电

6、感L1和和L2的电流波形的电流波形 19第十九页，讲稿共五十二页哦u电流连续模式（电流连续模式（CCM）根据根据磁通连续性原理磁通连续性原理可得可得(2-1)设设反反激激变变换换器器输输出出功功率率为为Po，变变换换效效率率为为，则则输入电流平均值为输入电流平均值为(2-2)输入电流峰值为输入电流峰值为(2-3)20第二十页，讲稿共五十二页哦u电流断续模式（电流断续模式（DCM）输入功率和输出功率分别为输入功率和输出功率分别为(2-4)(2-5)若不考虑损耗，可得若不考虑损耗，可得(2-6)21第二十一页，讲稿共五十二页哦输入电流峰值为输入电流峰值为(2-7)22第二十二页，讲稿共五十二页哦u

7、电流临界连续模式电流临界连续模式输输出出电电压压和和输输出出电电流流同同时时满满足足式式(2-1)和和(2-6)。将将式式(2-1)代代入式入式(2-6)得得(2-8)当当D=0.5时，临界连续电流达到最大值：时，临界连续电流达到最大值：(2-9)将式将式(2-9)代入式代入式(2-8)得得(2-10)23第二十三页，讲稿共五十二页哦 再将式再将式(2-9)代入式代入式(2-6)，得电流断续模式下，得电流断续模式下的外特性为的外特性为(2-11)24第二十四页，讲稿共五十二页哦u反激变换器的外特性曲线反激变换器的外特性曲线根根据据式式(2-1)、(2-10)、(2-11)，得得到到反反激激变变

8、换换器器外外特特性性曲曲线线。A左左边边的的曲曲线线（对对应应于于式式(2-11)）为为DCM模模式式时时外外特特性性，曲曲线线A(对对应应于于式式(2-10)为为临临界界连连续续模模式式时时外外特特性性，A右右边边的的曲曲线线（对对应应于于式式(2-1)）为为CCM模模式式时时外特性。外特性。25第二十五页，讲稿共五十二页哦图图2-3 2-3 反激变换器的标幺外特性反激变换器的标幺外特性26第二十六页，讲稿共五十二页哦反激变换器的外特性有如下特点：反激变换器的外特性有如下特点：类电压源特性类电压源特性：当变换器工作于：当变换器工作于CCM模式模式时，输出电压与输出电流的大小无关，时，输出电压

9、与输出电流的大小无关，变换器的外特性类似于电压源特性；变换器的外特性类似于电压源特性；类电流源特性类电流源特性：当变换器工作于：当变换器工作于DCM模模式时，变换器存在很高的非线性内阻，式时，变换器存在很高的非线性内阻，变换器具有类似于电流源的特性。变换器具有类似于电流源的特性。27第二十七页，讲稿共五十二页哦u不同工作模式比较不同工作模式比较在输出同样功率时，在输出同样功率时，CCM比比DCM模式模式峰值电峰值电流流小得多，或者说，选用相同电流容量的功率小得多，或者说，选用相同电流容量的功率管管CCM模式能输出更大的功率。模式能输出更大的功率。28第二十八页，讲稿共五十二页哦 若变换器设计在

10、整个工作状态电流连续，若变换器设计在整个工作状态电流连续，Ig=Iomin，最小输出电流为临界连续电流，最小输出电流为临界连续电流，由式（由式（2-8），电感量），电感量L1需满足需满足（2-122-12）29第二十九页，讲稿共五十二页哦若若变变换换器器完完全全工工作作于于断断续续模模式式，Ig=Iomax，最最大大输输出出电电流流为临界连续电流，电感量为临界连续电流，电感量L1为为（2-13）n相同输出功率时，相同输出功率时，DCM模式比模式比CCM模式电感量模式电感量小得多，储能变压器体积也要小得多。小得多，储能变压器体积也要小得多。30第三十页，讲稿共五十二页哦如果变换器工作于如果变换器

11、工作于DCM模式模式，由负载变化引，由负载变化引起的占空比调节范围很大，使调节困难，因起的占空比调节范围很大，使调节困难，因此此DCM模式一般用于模式一般用于负载变化很小负载变化很小且且输出功输出功率小率小的场合；的场合；如果变换器工作在如果变换器工作在CCM模式模式，对于输入电网，对于输入电网电压以及负载的变化只需较小的脉宽变化便电压以及负载的变化只需较小的脉宽变化便能维持输出电压能维持输出电压Uo的恒定。的恒定。31第三十一页，讲稿共五十二页哦DCM模式模式时，变压器副边整流二极管在原边时，变压器副边整流二极管在原边功率管再次开通前电流已下降到零，没有二功率管再次开通前电流已下降到零，没有

12、二极管极管反向恢复问题反向恢复问题；CCM模式模式时，则存在副边整流二极管的反向时，则存在副边整流二极管的反向恢复问题。恢复问题。32第三十二页，讲稿共五十二页哦2.2.220W27VDC/+15V(1.0A)、-5V(0.2A)、+5V(0.4A)机内稳压电源设计与试验机内稳压电源设计与试验*设计为设计为DCM模式；模式；*采用电流型控制方式；采用电流型控制方式；*功率电路采用功率电路采用RCD箝位反激变换器箝位反激变换器33第三十三页，讲稿共五十二页哦设计技术指标为：设计技术指标为：输入电压：输入电压：1832VDC输出电压三组：输出电压三组：+15V(1.0A)、15V(0.2A)、+5

13、V(0.4A)输出电压纹波输出电压纹波:VPP75%34第三十四页，讲稿共五十二页哦u电路组成电路组成图图2-4基于电流控制基于电流控制RCD箝位反激变换器机内稳压电源电路组成箝位反激变换器机内稳压电源电路组成35第三十五页，讲稿共五十二页哦uDCM模式反激变换器功率电路设计模式反激变换器功率电路设计*变压器设计变压器设计1.确定磁芯材质和型号确定磁芯材质和型号选用软磁铁氧体选用软磁铁氧体R2KBD、罐形磁芯，罐形磁芯，Bs=5100GS。此时。此时磁芯工作于第二种工作状态，取磁芯磁感应强度的变化量磁芯工作于第二种工作状态，取磁芯磁感应强度的变化量B=1/3BS=1700GS，将将TONmax

14、=DmaxTS=2S、POmax=20W、=75%、KC=1、K=0.3、j=500A/cm2代入得代入得(2-14)36第三十六页，讲稿共五十二页哦 选用选用GU18罐形磁芯，该磁芯的截面积罐形磁芯，该磁芯的截面积S和窗和窗口面积口面积Q分别为分别为 (2-15)(2-16)(2-17)37第三十七页，讲稿共五十二页哦2绕组计算绕组计算(1)计算变压器初级电感量计算变压器初级电感量DCM模式，最大输出功率时电流临界连续，所以模式，最大输出功率时电流临界连续，所以(2-18)38第三十八页，讲稿共五十二页哦根据根据(2-19)、(2-20)式，可得磁芯上所开气隙长度式，可得磁芯上所开气隙长度为

15、为(2)计算磁芯上所开气隙的长度计算磁芯上所开气隙的长度(2-19)(2-20)(2-21)39第三十九页，讲稿共五十二页哦(3)计算原边绕组匝数计算原边绕组匝数(2-22)取取N1=5匝。匝。40第四十页，讲稿共五十二页哦(4)计算匝比，确定各副边绕组匝数计算匝比，确定各副边绕组匝数(2-23)*UD为输出整流二极管压降。为输出整流二极管压降。同理求得同理求得n13=1.6875，n14=1.6875，n15=1.6875，副副边边绕绕组组匝匝数数为为N2=N1/n12=5/4.5=1.11，取取1匝匝，n12=5；N3=N1/n13=5/1.6875=2.96，取取 3匝匝，n13=1.6

16、7；N4取取 3匝匝，n14=1.67；N5取取3匝，匝，n15=1.67。41第四十一页，讲稿共五十二页哦(5)根据根据N1来校核原边电感，并计算各副边电感来校核原边电感，并计算各副边电感计算值计算值7.3(2-25)(2-26)同理，计算得同理，计算得L3max=L4max=L5max=2.48H。42第四十二页，讲稿共五十二页哦(6)计算变压器原副边绕组电流有效值计算变压器原副边绕组电流有效值变压器原边电流峰值为变压器原边电流峰值为(2-27)各副边电流峰值为各副边电流峰值为(2-28)同理计算得，同理计算得，I3P=6.18A，I4P=1.24A，I5P=1.24A(Io5取取0.2A

17、)。43第四十三页，讲稿共五十二页哦原边电流有效值为原边电流有效值为(2-29)副边电流有效值为副边电流有效值为(2-30)同同理理计计算算得得I3=2.25A，I4=0.45A，取取自自馈馈电电绕绕组组N5电电流流有有效效值值I5=1A。44第四十四页，讲稿共五十二页哦(7)确定原副边导线线径和股数确定原副边导线线径和股数取取j=500A/cm2，根根据据S=I/j可可得得，原原副副边边导导线线截截面面积积为为S1=0.0044cm2，S2=0.0018cm2，S3=0.0045cm2，S4=0.0009cm2，S5=0.002cm2。选选用用d=0.23mm的的导导线线，其其截截面面积积为

18、为0.0415mm2。N1并并绕绕根根 数数=0.44/0.0415=10.6根根，取取 10根根；N2并并 绕绕 根根 数数=0.18/0.0415=4.33根根，取取4根根；N3并并绕绕根根数数=0.45/0.0415=10.8根根，取取10根根；N4并并绕绕根根数数=0.09/0.0415=2.16根根，取取2根根；N5并并绕根数绕根数=0.2/0.0415=4.82根，取根，取5根。根。45第四十五页，讲稿共五十二页哦(8)校核窗口系数：校核窗口系数：(2-31)(9)参数测试参数测试用用RLC电电桥桥测测得得原原边边绕绕组组的的电电感感L1=7.2H，副副边边绕绕组组电电感感L2=0

19、.29H，L3=2.48H，L4=2.48H，L5=2.48H，原原边边对对副边的漏感副边的漏感Llk=2.2H。46第四十六页，讲稿共五十二页哦*功率器件的选择功率器件的选择1.功率开关管的选择功率开关管的选择功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为(2-32)(2-33)功率管选用功率管选用IRF530（14A/100V）。）。47第四十七页，讲稿共五十二页哦2.副边整流二极管的选择副边整流二极管的选择整流二极管整流二极管D6承受的电压应力和电流应力分别为承受的电压应力和电流应力分别为(2-34)(2-35)48第四十八页，讲稿共五十二页哦同同理

20、理计计算算得得，整整流流二二极极管管D3、D7、D8承承受受的的电电压压和和电电流流应应力力分分别别为为：UD3=33.78V，ID3,P=1.2A，UD7=33.78V，ID7,P=3.2A，UD8=33.78V，ID8,P=1.2A。因因为为开开关关频频率率为为300KHz，所所以以整整流流二二极极管管D3、D6、D8选选用用肖肖特特基基二二极极管管1N5819（1A/40V）。D7选选 用用肖肖 特特 基基 二二 极极 管管SR506（5A/60V）。）。二二极极管管D2的的作作用用是是阻阻止止启启动动时时输输入入电电压压对对死死负负载载R4供供电电，使使得得电电容容C2上上的的电电压压

21、迅迅速速上上升升，从从而而使使UC1843快快速速启动，启动，D2也选用也选用1N5819。49第四十九页，讲稿共五十二页哦*输出滤波电容的选取输出滤波电容的选取输出滤波电容为输出滤波电容为(2-36)式中，式中，、R为负载电阻。所以为负载电阻。所以、。50第五十页，讲稿共五十二页哦 理理论论计计算算值值与与实实际际值值存存在在一一定定差差别别，工工程程实实际际中中往往往往选选取取比比理理论论值值大大一一些些的的电电容容值值。因因为为开开关关频频率率达达300KHz，输输出出滤滤波波电电容容C4、C10选选用用47F/25V钽钽 电电 容容，C11、C12、C13则则 选选 用用100F/25V钽电容钽电容。51第五十一页，讲稿共五十二页哦*滤波电感的选取滤波电感的选取对于对于负载较大（负载较大（+15V输出）输出）的那一路，电压纹波的那一路，电压纹波较大，须在该路输出中再加一个由较大，须在该路输出中再加一个由L1和和C12组成的组成的LC噪声滤波器。噪声滤波器。取导线电流密度取导线电流密度j=500A/cm2，L1导线截面积为导线截面积为I3/j=1.6/500=0.0032cm2，选取线径选取线径d=0.67mm的漆包的漆包铜线，用小工字型铁芯绕制，电感值为铜线，用小工字型铁芯绕制，电感值为20H左右。左右。52第五十二页，讲稿共五十二页哦