1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计

正激反激式双端开关电源高频变压器设计详解

正激反激式双端开关电源高频变压器设计详解高频变压器作为电源电子设备中的重要组成部分，起到了将输入电压进行变换的作用。

根据不同的使用环境和要求，电源电路中的电感元件可分为正激式、反激式和双端开关电源。

下面就分别对这三种电源的高频变压器设计进行详解。

1.正激式电源变压器设计正激式电源变压器是将输入电压通过矩形波进行激励的一种变压器。

其基本结构包括主磁线圈和副磁线圈两部分，主磁线圈用来耦合能量，副磁线圈用来提供输出电压。

正激式电源变压器的设计主要有以下几个步骤：(1)确定主磁线圈的匝数和磁芯的截面积：根据输入电压和电流来确定主磁线圈的匝数，根据输出电压和电流来确定磁芯的截面积。

(2)计算主磁线圈的电感：根据主磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。

(3)选择磁芯材料：磁芯材料的选择要考虑其导磁性能和能量损耗等因素。

(4)确定副磁线圈的匝数：根据主磁线圈的输入电压和输出电压的变换比例来计算副磁线圈的匝数。

(5)计算副磁线圈的电感：根据副磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。

(6)确定绕线方式和结构：根据磁芯的形状和结构来确定绕线方式和结构。

2.反激式电源变压器设计反激式电源变压器是通过反馈控制来实现变压的一种变压器。

其基本结构包括主磁线圈、副磁线圈和反馈元件等。

反激式电源变压器的设计主要有以下几个步骤：(1)确定主磁线圈的匝数和磁芯的截面积：根据输入电压和电流来确定主磁线圈的匝数，根据输出电压和电流来确定磁芯的截面积。

(2)计算主磁线圈的电感：根据主磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。

(3)选择磁芯材料：磁芯材料的选择要考虑其导磁性能和能量损耗等因素。

(4)确定副磁线圈的匝数：根据主磁线圈的输入电压和输出电压的变换比例来计算副磁线圈的匝数。

(5)计算副磁线圈的电感：根据副磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。

(6)确定绕线方式和结构：根据磁芯的形状和结构来确定绕线方式和结构。

(7)选择合适的反馈元件：根据反馈控制的需要来选择合适的反馈元件，并设计合适的反馈回路。

双管正激电源课程设计

双管正激电源课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握双管正激电源的基本工作原理，理解其电路构成及各部分功能。

2. 使学生了解双管正激电源的转换效率、输出特性及其影响因素。

3. 帮助学生掌握双管正激电源的电路参数计算方法，并能进行简单电路的设计。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识分析和解决实际电路问题的能力。

2. 提高学生动手实践能力，能够搭建和调试双管正激电源电路。

3. 培养学生团队协作和沟通能力，能在小组讨论中分享观点，共同解决问题。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对电子技术学科的兴趣，激发学习热情，形成积极的学习态度。

2. 培养学生严谨、认真、负责的科学态度，注重实践操作的规范性和安全性。

3. 引导学生关注新能源和节能技术，培养环保意识和创新精神。

课程性质分析：本课程属于电子技术领域，以理论教学和实践操作相结合的方式进行。

课程内容紧密结合课本，强调知识的应用性和实践性。

学生特点分析：针对高年级学生，已具备一定的电子技术基础，具有较强的学习能力和动手能力。

此阶段学生思维活跃，善于探究，喜欢挑战。

教学要求：1. 确保学生对双管正激电源的理论知识掌握扎实，能应用于实际电路分析。

2. 注重实践操作，培养学生动手能力，提高学生对电路的实际操作技能。

3. 融入情感态度价值观教育，引导学生形成正确的科学态度和价值观。

二、教学内容1. 理论知识：- 介绍双管正激电源的基本原理，包括开关电源的工作模式、双管正激电路的构成及工作过程。

- 讲解双管正激电源的关键参数，如转换效率、输出电压纹波、频率等，分析影响这些参数的因素。

- 深入探讨电路参数的计算方法，结合实际应用场景进行案例分析。

2. 实践操作：- 指导学生搭建双管正激电源实验电路，进行电路调试和性能测试。

- 安排实验项目，让学生通过实际操作验证理论知识，观察和分析电路性能。

3. 教学大纲：- 第一周：双管正激电源原理及电路构成，进行课堂讲解和讨论。

正激变压器设计要点

首先：正激变压器由于储能装置在后面的BUCK电感上，所以没有Flyback变压器那么复杂，其作用主要是电压、电流变换，电气隔离，能量传递等所以，我们计算正激变压器的时候，一般都是首先以变压次级后端的BUCK电感为研究对象的，BUCK电感的输入电压就是正激变压器次级输出电压减去整流二极管的正向压降，所以我们又称正激电源是BUCK的隔离版本。

首先说说初次级匝数的选择：以第三绕组复位正激变压器为例，一旦匝比确定之后，接下来就是计算初次级的匝数，论坛里有个帖子里的工程师认为，正激变压器在满足满负载不饱和的情况下，匝数越小越好。

其实这是个误区，匝数的多少决定了初级的电感量（在不开气隙，或开同样的气隙情况下），而电感量的大小就决定了初级的励磁电流大小，这个励磁电流虽不参与能量的传递，但也是需要消耗能量的，所以这个励磁电流越小电源的效率越高；再说了，过少的匝数会导致del tB变大，不加气隙来平衡的话，变压器容易饱和。

无论是单管正激还是双管正激，都存在磁复位的问题。

且，都可以看成是被动方式的复位。

复位的电流很重要，太小了，复位效果会被变压器自身分布参数（主要是不可控的电容，漏感）的影响。

复位电流是因为电感电流不能突变，初级MOSFET关断之后，初级绕组的反激作用，又复位绕组跟初级绕组的相位相反，所以在复位绕组中有复位电流产生复位电流关系到磁芯能否可靠的退磁复位，其重要性不言自喻；当变压器不加气隙时，其初级电感量较大，复位电流自然就小。

但在大功率的单管正激和双管正激的实际应用中，往往需要增加一点小小的气隙，否则设计极不可靠，大功率的电源，一次侧电流很大,漏感引起的磁感应强度变化，B=I*Llik/nAe,就大，加气隙是为了减小漏感Llik.正激的占空比主要是取决于次级续流电感的输入与输出，次级则就是一个BUCK电路，而CCM的BUCK线路Vo=Vin*D，跟次级的电流无关Vo=Vin*DVo:输出电压，Vin：BUCK的输入电压，即正激变压器的输出电压减去整流管的正向压降，D：占空比在此，输出电压是已知的我们只要确定一个合适的占空比，就可以计算出BUCK 电感的Vin，也就是说变压器的输出电压基本就定下来了在这特别要提醒大家，占空比D的取值跟复位方式有很大的关系，建议D的取值不要超过0.5正激变压器加少量气隙能将电-磁转换中的剩磁清空,磁芯的实际利用率增加,同时增加的一点空载电流在大功率电流中所占比例较小,效率不会受到太大影响,这样可以让变压器不容易饱和,电源的可靠性增加,同时可以减少初级匝数,变压器内阻降低,能小体积出大功率.加气隙也相当于增大了变压器磁芯,但实际好处(特别是抗饱和能力)是胜于加大磁芯的.加气隙后,减小的电感量会被增加的磁芯利用率补回来,而且有余,是合算的不用担心.复位绕组的位置问题，是跟初级绕组近好呢，还是夹在初次级之间好？如果并绕，当然跟初级的耦合是最好的，但对漆包线的耐压是个考验！当然这不至于直接击穿。

双开关正激转换器及其应用设计

双开关正激转换器及其应用设计单开关(或称单晶体管)正激转换器是一种最基本类型的基于变压器的隔离降压转换器，广泛用于需要大降压比的应用。

这种转换器的优点包括只需单颗接地参考晶体管，及非脉冲输出电流减小输出电容的均方根纹波电流含量等。

但这种转换器的功率能力小于半桥或全桥拓扑结构，且变压器需要磁芯复位，使这种转换器的最大占空比限制在约50%。

此外，金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)开关的漏电压变化达输入电压的两倍或更多，使这种拓扑结构较难于用在较高输入电压的应用。

图1：正激转换器不带磁芯复位与带磁芯复位之对比正激转换器中，变压器的磁芯单方向磁化，在每个开关周期都需要采用相应的措施来使磁芯复位到初始值，否则励磁电流会在每个开关周期增大，经历几个周期后会使磁芯饱和，损坏开关器件。

相对而言，如果有磁芯复位，电流就不会在每个开关周期增大，电压会基于励磁电感(Lmag)反相并使磁芯复位。

图1以单开关正激转换器为例，简要对比了无磁芯复位与有磁芯复位的电路图及励磁电感电流波形。

有3种常见的标准磁芯复位技术，分别是三次绕组，电阻、电容、二极管(RCD)钳位和双开关正激。

三次绕组磁芯复位技术的电路示意图参见图1b)，这种技术能够提供大于50%的占空比，但开关Q1的峰值电压可能大于输入电压的2倍，而且变压器有三次绕组，使变压器结构更复杂。

RCD钳位磁芯复位技术也能使占空比大于50%，但需要写等式和仿真，以检验复位的正确性，让设计过程更复杂。

RCD钳位技术的成本比三次绕组技术低，但由于复位电路中的钳位电阻消耗能量，影响了电源转换效率。

图2：双开关正激转换器电路原理图与前两种磁芯复位技术相比，双开关正激更易于实现，而且开关Q1上的峰值电压等于输入电压，降低了开关所承受的电压应力。

这种技术需要额外的MOSFET (Q2)和高端驱动器，且需要2个高压低功率二极管(D3和D4)，参见图2。

双开关正激技术的每个开关周期包含3步：第1步，开关Q1、Q2及二极管D1导通，二极管D2、D3及D4关闭；第2步，开关Q1、Q2及二极管D1关闭，而二极管D2、D3及D4导通；第3步，开关Q1、Q2及二极管D1仍然关闭，二极管D2仍然导通，而二极管D3及D4则关闭。

正激变压器设计

首先：正激变压器由于储能装置在后面的BUCK电感上，所以没有Flyback变压器那么复杂，其作用主要是电压、电流变换，电气隔离，能量传递等所以，我们计算正激变压器的时候，一般都是首先以变压次级后端的BUCK电感为研究对象的，BUCK电感的输入电压就是正激变压器次级输出电压减去整流二极管的正向压降，所以我们又称正激电源是BUCK的隔离版本。

首先说说初次级匝数的选择：以第三绕组复位正激变压器为例，一旦匝比确定之后，接下来就是计算初次级的匝数，论坛里有个帖子里的工程师认为，正激变压器在满足满负载不饱和的情况下，匝数越小越好。

其实这是个误区，匝数的多少决定了初级的电感量（在不开气隙，或开同样的气隙情况下），而电感量的大小就决定了初级的励磁电流大小，这个励磁电流虽不参与能量的传递，但也是需要消耗能量的，所以这个励磁电流越小电源的效率越高；再说了，过少的匝数会导致del tB变大，不加气隙来平衡的话，变压器容易饱和。

无论是单管正激还是双管正激，都存在磁复位的问题。

且，都可以看成是被动方式的复位。

复位的电流很重要，太小了，复位效果会被变压器自身分布参数（主要是不可控的电容，漏感）的影响。

复位电流是因为电感电流不能突变，初级MOSFET关断之后，初级绕组的反激作用，又复位绕组跟初级绕组的相位相反，所以在复位绕组中有复位电流产生复位电流关系到磁芯能否可靠的退磁复位，其重要性不言自喻；当变压器不加气隙时，其初级电感量较大，复位电流自然就小。

但在大功率的单管正激和双管正激的实际应用中，往往需要增加一点小小的气隙，否则设计极不可靠，大功率的电源，一次侧电流很大,漏感引起的磁感应强度变化，B=I*Llik/nAe,就大，加气隙是为了减小漏感Llik.正激的占空比主要是取决于次级续流电感的输入与输出，次级则就是一个BUCK电路，而CCM的BUCK线路Vo=Vin*D，跟次级的电流无关Vo=Vin*DVo:输出电压，Vin：BUCK的输入电压，即正激变压器的输出电压减去整流管的正向压降，D：占空比在此，输出电压是已知的我们只要确定一个合适的占空比，就可以计算出BUCK 电感的Vin，也就是说变压器的输出电压基本就定下来了在这特别要提醒大家，占空比D的取值跟复位方式有很大的关系，建议D的取值不要超过0.5正激变压器加少量气隙能将电-磁转换中的剩磁清空,磁芯的实际利用率增加,同时增加的一点空载电流在大功率电流中所占比例较小,效率不会受到太大影响,这样可以让变压器不容易饱和,电源的可靠性增加,同时可以减少初级匝数,变压器内阻降低,能小体积出大功率.加气隙也相当于增大了变压器磁芯,但实际好处(特别是抗饱和能力)是胜于加大磁芯的.加气隙后,减小的电感量会被增加的磁芯利用率补回来,而且有余,是合算的不用担心.复位绕组的位置问题，是跟初级绕组近好呢，还是夹在初次级之间好？如果并绕，当然跟初级的耦合是最好的，但对漆包线的耐压是个考验！当然这不至于直接击穿。

高效率双管正激变换器的研究

华中科技大学硕士学位论文高效率双管正激变换器的研究姓名：吴琼申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：熊蕊20070210摘要高功率密度、高可靠性和高稳定性是现代电力电子功率变换器不断追求的目标。

双管正激变换器作为一种主要的电力电子功率变换器，由于其开关电压应力低，具有内在抗桥臂直通的能力可靠性高等优点，使得它在通信电源、焊接电源、计算机电源等很多领域都得到了广泛的应用。

本文旨在不增加原主电路和控制电路复杂性的基础上，从变压器原边主开关管驱动方式和副边整流电路两个方面，对传统双管正激电路做出改进，提高电路的效率。

文章对改进后电路的工作过程及具体应用时遇到的问题做出了分析，给出了解决方案。

与传统电路相比，改进后的电路控制电路得到了简化，两个主开关管中的一个能够工作在零电流开通和零电流关断状态，同步整流电路克服了死区和轻载环路电流的影响，电路的整体性能得到了提高。

实验过程中利用峰值电流型PWM控制芯片UC2845，制作了一台15V/300W的样机，实验证明样机工作稳定，各种保护功能完备，改进后的双管正激电路较传统电路效率提高3～4个百分点，整机满载效率最高可达88％。

关键字：双管正激电压自驱动同步整流门极电荷保持环路电流AbstractHigh power density as well as high reliability has always been the goal to pursue in the field of modern electric power converters. As one kind of the modern electric power converters, two transistor forward converter has many attractive characteristics, such as low switch voltage stress, inherent anti-break-through capability, and high reliability. It becomes one of the most widely used topology in the industrial application, especially in the telecommunication energy systems, welding machines and computer power supply.Based on driven approach of main power switch in the primary side of the transformer and rectifier circuit, this paper aims at not increasing the complexity of the main circuit and control circuit of origin, to improve the traditional two transistor forward converter and enhance the efficiency of circuit. The paper made analysis of the process of improved circuit and the specific problems encountered by the application and gave the solutions of the pared with the traditional circuit, the control circuit of the improved converter has been modified to streamline, one of the two main switches can work in a ZCS state, synchronous rectifier circuit can overcome the dead zone and light load loop current, and the circuit's overall performance has been enhanced.Using the current mode PWM controller, a 15V/300W power system was developed during the experiment by the author. The experiment proved stable jobs of the system and simplifying control circuit (similar with the Forward circuit).The circuit improved 3-4 percentage points more efficient than traditional circuit, with the maximum efficiency of 88% of full load.Keywords: t wo transistor forward converter self voltage drivensynchronous rectification gate charge retentioncirculating current独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

《正激变换器的设计》课件

总结词
正激变换器的特点是电路简单、可靠性高、成本低等，广泛应用于开关电源、适配器、充电器等领域。
详细描述
正激变换器具有电路简单、可靠性高、成本低等优点，因此在开关电源、适配器、充电器等领域得到广泛应用。它能够实现输入和输出电压的隔离和变压，同时具有较高的效率和较低的损耗。
02 正激变换器的设计步骤
通过对电路参数和元件的优化选择，可以进一步提高正激变换器的效率。
损耗
正激变换器的损耗主要包括开关损耗、磁性元件损耗和导通损耗。这些损耗应尽可能降低，以提高整体效率。
温升分析
温度
正激变换器在工作过程中会产生热量，导致温升。过高的温度会影响变换器的性能和可靠性。
散热
为了控制温升，需要采取有效的散热措施，如自然散热、强制风冷或液冷等。
选择合适的磁芯和绕组
磁芯材料
01
选择合适的磁芯材料，如铁氧体、硅钢等，以满足工作频率和
磁通密度的要求。
磁芯形状
02
根据实际需求选择合适的磁芯形状，如E型、EE型、罐型等。
绕组线径和匝数
03
根据输入输出电压和电流的大小，计算绕组的匝数和线径，以
确保变压器的电气性能。
计算变压器匝数和线径
匝数计算
根据输入输出电压和磁芯的磁通密度，计算绕组的匝数。
、安全认证的要求等方面的内容。
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电路组成
总结词
正激变换器的电路组成包括输入滤波器、开关管、变压器、输出整流器和输出滤波器等部分。
详细描述
正激变换器的电路组成包括输入滤波器用于抑制电磁干扰，开关管用于控制能量传输，变压器用于实现电压隔离和变压，输出整流器用于将交流电压转换为直流电压，以及输出滤波器用于平滑输出电压。

1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计

1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计1200W双管正激变换器设计之一——变压器设计正激变换器通常使用无气隙的磁芯，电感值较高，初次级绕组峰值电流较小，因而铜损较小，开关管峰值电流较低，开关损耗较小，其高可靠高稳定性使得其在很多领域和苛刻环境得到应用. 下面举例给大家分享下对正激变换器的设计方法: 规格:输入电压Vin=400V(一般在输入端会有CCM APFC将输入电压升压在稳定的DC400V左右) 输出电压Vout=12V输出功率Pout=1200W效率η=85%开关频率Fs=68KHz最大占空比Dmax=0.35第一，第一，选择磁芯的材质选择高μ低损，高Bs材质，一般常采用TDK PC40或同等材，其相关参数如下:因为正激电路的磁芯单向磁化，要让磁芯不饱和，磁芯中的磁通密度最大变化量需满足ΔB<Bs-Br,得ΔB=390-55=335mT,但实际应用中由于温度效应和瞬变情况会引起Bs和Bs的变化，导致ΔB的动态范围变小而出现饱和，因此，设计时需保留一定裕量，通常取60%~80%(Bs-Br), ΔBc选得过高磁芯损耗会增加，易饱和，选得过小会使匝数增加，铜损增大，产品体积增大，通常选择60%(Bs-Br)，则最大磁通变化量ΔB=(390-55)*0.6=201mT,即0.201T第二，确定磁芯规格根据公式AP=Aw*Ae=(Ps*104)/(2ΔB*Fs*J*Ku)其中:Aw为磁芯的铜窗口截面积(cm2)，Ae为磁芯的有效截面积(cm2)，Ps为变压器的视在功率(W)，J为电流密度(A)，Ku为铜窗口占用系数对正激变换器，视在功率Ps=Pout/η+Pout电流密度J根据不同的散热方式取值不同，一般采用300~600A/cm2,此处考虑到趋肤效应采用多股纱包线，取600A/cm2铜窗口占用系数Ku取0.2J=600A/cm2,Ku=0.2 ΔB=0.20T，代入公式得AP=[(1200/0.85+1200)*104]/(2*0.201*68*103*600*0.2)=7.962cm4查磁芯规格书，选用磁芯ETD49,其相关参数如下:第三，计算匝比、匝数1. 根据公式N=Np/Ns=Vin/Vout=(Vin*Dmax)/(Vo+Vf)其中Vf为输出二极管正向压降，取0.8V得匝比N=(400*0.35)/(12+0.8)=10.9375,取匝比N=11验算最大占空比Dmax，最大占空比Dmax=N(Vout+Vf)/Vin=11*(12+0.8)/400=0.3522. 根据公式Np=Vin*Ton/(ΔB*Ae)导通时间Ton=Dmax*Ts,周期Ts=1/Fs*106得初级匝数NP=[Vin*Dmax*(1/Fs*106)]/(ΔB*Ae)={400*0.352*[1/(68*103)*106]}/(0.201*213)=48.36Ts,取49Ts3. 次级匝数Ns=Np/N=49/11=4.45Ts4. 取次级匝数Ns=5Ts验算初级匝数Np,初级匝数Np=Ns*N=5*11=55Ts考虑到输入电压较高，采用双管正激比采用单管正激可以大幅减小MOS的电压应力，无需消磁绕组。

正激变压器设计

单端正激变压器的设计开关电源变压器是高频开关电源的核心元件。

其作用为：磁能转换、电压变换和绝缘隔离。

开关变压器性能的好坏不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。

高频开关变压器的设计主要包括两部分：绕组设计及磁芯设计。

本文将对应用在高频下的单端正激变压器的设计方法及磁芯的选择给出较为详细的论述。

1 单端正激变压器原理单端正激变压器的原理图如图1所示。

单端正激变压器又称"buck"转换器。

因其在原边绕组接通电源Vi的同时把能量传递到输出端而得名。

正激式变压器的转换功率通常在50～500 W之间。

输出电压Vo由匝比n、占空比D和输入电压Vi确定。

当PWM控制器输出正脉冲，功率开关导通，变压器的初级绕组通过电流，此电流由两部分组成，一部分为磁化电流即流经等效开环电感上的电流，另一部分足与输出电流等效的初级电流，他和初次级匝比成正比，和输出电流成正比。

储存在电感上的能量必须在功率开关关断后下一次开启前泄放掉，以便使磁通复位。

N3为去磁绕组2 变压器磁芯的选用原则高频开关电源中的变压器从性能价格比考虑，MnZn功率铁氧体材料是最佳的选择。

应用于高频开关电源变压器中的铁氧体应具有以下磁特性：高饱和磁通密度或高的振幅磁导率，在工作频率范围有低的磁芯总损耗，较低的温度系数，较高的居里温度。

磁芯损耗Pc主要由磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe(包括剩余损耗Pr)组成，即：磁滞损耗Ph正比于直流磁滞回线的面积，并与频率成正比关系。

即：对于工作频率在100kHz以下的功率铁氧体磁芯，降低磁滞损耗是最重要的，为降低损耗，即要降低矫顽力Hc、剩余磁感应强度。

要达到此目的，须从两方面着手，一是从配方成分方面，尽量使磁晶各项异性常数k→0，磁滞伸缩常数→0；二是在工艺上要做到高密度、大晶粒、均匀完整、另相少、内应力小、气孔少。

3 单端正激变压器的设计步骤(1)了解变压器的各项指标要求；(2)选取磁芯材质确定△B值；(3)计算磁芯的AP值，确定磁芯型号规格；(4)计算初次级绕线匝数；(5)计算线径dw。

正激变压器的设计流程

順向式變壓器設計原理(Forward Transformer Design Theory)第一節. 概述.順向式(Forward)轉換器又稱單端正激式或"buck"式轉換器.因其在原邊繞組接通電源V IN的同時繞組把能量傳遞到輸出端故而得名. Forward變換器中的變壓器是一個純粹的隔離變壓器. 因此,在副邊輸出端須附加儲能電感器L,用以儲存及傳送能量.Forward變壓器之轉換功率通常在50~500W之間.其優點有:1. 正激式變壓器通常使用無氣隙的CORE,電感值L較高,原副邊繞組之峰值電流較小( Φ=LI).因而銅損較小.2. 開關管Tr的峰值電流較低.開關損耗小.3. 适用于低壓.大電流.功率較大的場合.第二節. 工作原理正激變換器的主回路如圖 1.當開關管Tr導通時原邊繞組N p有電流I p流過.,因副邊繞組N s与N p有相同的同銘端.故副邊繞組通過D2把能量傳遞到輸出端.當Tr關斷時續流二极管D3導通釋放電感L中的能量給負載.在T r t on時,變壓器原邊電流I p=I m+I load.其中磁化電流I m是無法傳送到副邊的能量. 在T r t off期間此磁能無法被泄放,磁化能量將引起較高的反壓加在Tr之C . E极間而損壞Tr.另一方面磁化能量的存在將使變壓器CORE趨于飽和, 產生很大的集電极電流I c, 使T r損壞.為解決上述問題,通常在變壓器中設置一消磁繞組N R, 將磁化能量反饋到電源輸入端.當Tr t on時,儲能電感L內的電流將直線增加,如下式所示:d iL / d t=V s-V o / L而Tr集電极電流I c=I p可用下式表示:I c = I p= I load+I m = I L / n+[(T S* D max*V IN) / L]式中 n: 初級與次級之匝數比(N p/N s)I L: 輸出電感電流,即輸出負載電流.(A)I m: 磁化電流.(A)T s: 工作周期. T s=1/f s (μs)D max: 最大導通占空比 (D max = t on/T s)L: 輸出電感器之電感值 (uH)V IN: 輸入直流電壓 (V)變壓器磁化電流可由下式求得:I m = V IN*t on / L m = V IN*T S*D max / L m因為 V out = D max*V IN / n ( ∵U=－e=N*dψ/dt= N*Ae dB / dt=dφ/dt=Ldi/dt)而 V IN = n*V out / D max所以 I m = ∫0→t V IN*d t / L = n*T S*V out / L m則Ic之關系式可改寫為:I c= I p = I L / n+n*Ts*V out / L m若忽略磁化電流部分,原邊峰值電流Ic為:I c = I p = I L / n = 2P out / (η*V IN*D max)式中 I L=I o :負截電流 (A) ; P out: 輸出功率 P out=V o*I o (W)設η= 80%. D max=0.4. 則 I c = 6.2P out / V IN當Tr導通時間結束時,副邊峰值電流 Is 為:Is = I L+〔ton*(Vs-Vo+Vf) / 2L〕 V f: 二极管正向壓降.在能量轉換過程中,次級電流對磁芯起去磁作用,初級電流僅有很小一部分用來磁化磁芯.依據變壓器原理,次級在初級有反射電流I's.I's = Ns*Is / N p = Is/ n則 N p* I's= -Ns*Is如果激磁電感L m為常數,激磁電流I m線性增長,并等于原邊電流與反射電流之差:I m = V IN*ton / L m = I p-I's = (I p-Is*Ns) / N p磁化電流在導通時間結束時達到最大,當T r t off時,副邊感應電勢反向,二級體D2截止.Is=0, ton期間存儲在磁場中的激磁能量E R=(LI2m/ 2)在t off時應有釋放通路,且須保持與儲能時間相同.因為當正.負伏秒值相同時I m方才等于零,如此,复位時間t r為t r ≧ V IN*t on / E R ≒ N R*t on / N p式中N R為消磁繞組圈數.因為 N R=N p. 則 t r≒t on, 所以D max需低于50%第三節. Forward 變壓器設計方法.一. Forward Transfotmer 設計時之考慮因素:1. 鐵芯飽和問題.選用飽和磁通密度B s盡量高,剩余磁通B r盡量低的CORE,使其能承受大的磁場也就是大的電流,實現小體積大功率.2. 電壓的準位性.在多路輸出變壓器中,各繞組的伏特秒盡量保證一致,各繞組之電流密度應保持一致,使損耗有相同值.3. 傳輸功率.應考量在額定輸出功率下應留有一定余量,通常功率余量不應小于10%.4. 電流容量.有足夠的電流容量,以減小耗損.5. 工作頻率.將決定CORE的△B和導線直徑.6. 磁化電流Im .應使磁化電流盡可能低,激磁電感盡量大.所以需用高磁導率的CORE.7. 損耗PΣ . (PΣ=P fe+P cu)a. 銅損P cu包括低頻損耗和高頻損耗,低頻損耗很容易計算,也比較容易解決,通過增大導體截面積減小R DC即可降低損耗.線圈的高頻損耗因涉及渦流損耗.趨膚效應,鄰近效應等問題很難精確確定. P cu=I2rms*R HF (R HF: 高頻時導體的有效阻抗)從上式可見有效電流I rms正比于P cu,而I rms=I pp√D.即P cu正比于D,反比于V IN .在V IN最低時P cu最大.b. 鐵損P Fe 又包括磁滯損和渦流損.磁滯損正比于頻率和磁感應擺幅△B.渦流損與每匝伏特數和占空度D有關,而与頻率無關.V IN=Np dΦ / d t 即 V IN/Np=dΦ/d t .可見渦流損耗与磁通變化率成正比.8. 溫升. 變壓器損耗使得線圈與磁芯溫度升高,溫升又使損耗盡一步增加,.如此惡性循環將導致變壓器損壞.因此,設計時必須限制溫升在一個可接受的範圍.變壓器溫升循環圖如圖 2.溫升對CORE之功率損失特性圖參照各廠商之DATA BOOK.9. 漏電感.在實際變壓器中.因磁通的不完全耦合而產生漏磁通.轉換成漏電感形式存在變壓器中,漏電感Lk之關係式L K= u o*u r*A*N2 /ι*10-2上式中: L K:漏電感 ι:銅窗之排線寬度(cm)A: 兩繞組間之剖面積(cm)u r=1相對磁導率. u o= 4π*10-7 N: 匝數因漏感是一個限制電流Ip通過的阻抗.所以它將影響變壓器的電壓準位特性.同時漏電感所存能量在Tr off時將釋放,產生尖峰電壓,造成元件損壞和電磁干擾,采用吸收電路後將使效率降低,因此在設計變壓器時,應於CORE選擇.繞組結構,工藝工法上設法減小漏感.10. 分布電容.或稱雜散電容.分布電容的存在在電源轉換過程中,會傳輸繞組間的共模雜訊,增加原副邊的漏電流.在通信變壓器中,雜散電容影響信號的頻率響應.高頻變壓器中的雜散電容包括a. C W to CORE.b. C W to W.c. C Laye to Layed. C匝間等.因降低雜散電容与減小漏感相互矛盾.故設計時須根據用途權衡利弊做取舍.22484875.xls 10 / 10Lisc Oct.。

双管正激同步整流变换器

本科毕业设计（论文）双管正激同步整流变换器***燕山大学2012年6月本科毕业设计（论文）双管正激同步整流变换器学院（系）：里仁学院专业：08应电2班学生姓名：***学号：***指导教师：***答辩日期：2012/6/17燕山大学毕业设计（论文）任务书Abstract摘要随着电力电子变换器在通讯系统的广泛应用，低压大电流功率变换器成为一个重要的研究方向。

文章详细介绍了双管正激变换器的拓扑结构及工作原理，阐述了其拓扑结构的特点。

利用状态空间平均法推导出该变换器的小信号模型，以此为基础设计出电压控制模式的闭环设计思想，并指出了如何进行反馈补偿器的设计。

本文采用电压型控制，对该控制方案做了详细的分析和设计。

对于高频整流环节，由于传统的二极管整流电路正向压降大而导致损耗大，极大地影响整个变换器的工作效率，而无法满足低电压大电流开关电源高效率、小体积的需要。

新一代的功率MOSFET由于具有导通电阻极低的特点而成为低电压大限流功率变换器的首选整流器件。

本文介绍了利用功率MOSFET构成同步整流电路的工作原理、驱动方式，并对整流MOSFET的双向导电特性进行了说明。

关键词双管正激；电压型控制；同步整流II摘要With the power electronic converters in communication systems widely used, low-voltage high-current power converters to become an important research direction. The article describes in detail a two-transistor forward converter topology structure and working principle, the characteristics of its topology. State space averaging method to derive the small-signal model of the converter, as the basis for the closed-loop voltage control mode design ideas, and pointed out how the design of feedback compensators. In this paper, voltage control, the control program to do a detailed analysis and design.The link for the high-frequency rectifier, the forward voltage drop of the diode rectifier circuit big lead to loss, which greatly affect the efficiency of the converter, unable to meet the needs of low-voltage high-current switching power supply high efficiency, small volume. A new generation of power MOSFET with low-resistance characteristics to become the preferred deadline flow of low-voltage power converter rectifiers. This article describes the use of power MOSFET synchronous rectifier circuit works, drive way, two-way electrical properties and rectifier MOSFET are described.Keywords tow-transistor forward converter；V oltage mode controlSynchronous rectificationI目录摘要 (VII)Abstract ............................................................................................................. V III 第1章绪论.. (11)1.1开关电源的发展 (11)1.2低电压、大电流的开关电源的开发 (11)1.3本章小结 (13)第2章双管正激的拓扑结构及原理分析 (14)2.1主电路构成 (14)2.2工作原理 (14)2.3电容C的作用 (15)2.4正激变换器的小信号模型的推导与分析 (15)2.5电压型控制 (21)2.6开关电源的频域建模 (22)2.6.1 电气系统建模 (22)2.6.2 系统的稳定性和稳定裕度 (23)2.6.3电压型控制正激变换器 (24)2.6.4 普通误差放大补偿器的设计 (26)2.6.5 极点——零点补偿器 (26)2.7本章小结 (29)第3章同步整流管双向导电特性及整流损耗分析 (30)3.1同步整流技术介绍 (30)3.2肖特基整流管的损耗分析 (30)3.3同步整流的工作原理和特性 (31)3.3.1 同步整流的基本工作原理 (31)3.3.2同步整流管的主要参数 (33)3.4同步整流的驱动方式 (34)3.4.1 外驱动与自驱动同步整流 (34)3.4.2电压型自驱动同步整流 (35)3.4.3 电流型自驱动同步整流 (38)3.5SR的控制时序与同步整流电路 (39)3.6本章小结 (41)第4章主电路及控制电路参数的设计 (42)4.1主电路参数设计 (42)4.2控制电路参数设计 (44)4.3补偿网络(误差放大器) (48)4.4本章小结 (49)第5章实验结果及分析 (50)结论 (53)参考文献 (54)致谢 (55)附录1 (56)附录2 (59)附录3 (62)附录4 (69)附录5 (85)第1章绪论1.1 开关电源的发展按电力电子的习惯称谓，AC-AC称为整流，DC-DC称为逆变，AC-AC 称为交流-交流直接变频，DC-DC称为直流-直流变换器。

正激变压器设计(内容清晰)

首先：正激变压器由于储能装置在后面的BUCK电感上，所以没有Flyback变压器那么复杂，其作用主要是电压、电流变换，电气隔离，能量传递等所以，我们计算正激变压器的时候，一般都是首先以变压次级后端的BUCK电感为研究对象的，BUCK电感的输入电压就是正激变压器次级输出电压减去整流二极管的正向压降，所以我们又称正激电源是BUCK的隔离版本。

首先说说初次级匝数的选择：以第三绕组复位正激变压器为例，一旦匝比确定之后，接下来就是计算初次级的匝数，论坛里有个帖子里的工程师认为，正激变压器在满足满负载不饱和的情况下，匝数越小越好。

其实这是个误区，匝数的多少决定了初级的电感量（在不开气隙，或开同样的气隙情况下），而电感量的大小就决定了初级的励磁电流大小，这个励磁电流虽不参与能量的传递，但也是需要消耗能量的，所以这个励磁电流越小电源的效率越高；再说了，过少的匝数会导致del tB变大，不加气隙来平衡的话，变压器容易饱和。

无论是单管正激还是双管正激，都存在磁复位的问题。

且，都可以看成是被动方式的复位。

复位的电流很重要，太小了，复位效果会被变压器自身分布参数（主要是不可控的电容，漏感）的影响。

复位电流是因为电感电流不能突变，初级MOSFET关断之后，初级绕组的反激作用，又复位绕组跟初级绕组的相位相反，所以在复位绕组中有复位电流产生复位电流关系到磁芯能否可靠的退磁复位，其重要性不言自喻；当变压器不加气隙时，其初级电感量较大，复位电流自然就小。

但在大功率的单管正激和双管正激的实际应用中，往往需要增加一点小小的气隙，否则设计极不可靠，大功率的电源，一次侧电流很大,漏感引起的磁感应强度变化，B=I*Llik/nAe,就大，加气隙是为了减小漏感Llik.正激的占空比主要是取决于次级续流电感的输入与输出，次级则就是一个BUCK电路，而CCM的BUCK线路Vo=Vin*D，跟次级的电流无关Vo=Vin*DVo:输出电压，Vin：BUCK的输入电压，即正激变压器的输出电压减去整流管的正向压降，D：占空比在此，输出电压是已知的我们只要确定一个合适的占空比，就可以计算出BUCK 电感的Vin，也就是说变压器的输出电压基本就定下来了在这特别要提醒大家，占空比D的取值跟复位方式有很大的关系，建议D的取值不要超过0.5正激变压器加少量气隙能将电-磁转换中的剩磁清空,磁芯的实际利用率增加,同时增加的一点空载电流在大功率电流中所占比例较小,效率不会受到太大影响,这样可以让变压器不容易饱和,电源的可靠性增加,同时可以减少初级匝数,变压器内阻降低,能小体积出大功率.加气隙也相当于增大了变压器磁芯,但实际好处(特别是抗饱和能力)是胜于加大磁芯的.加气隙后,减小的电感量会被增加的磁芯利用率补回来,而且有余,是合算的不用担心.复位绕组的位置问题，是跟初级绕组近好呢，还是夹在初次级之间好？如果并绕，当然跟初级的耦合是最好的，但对漆包线的耐压是个考验！当然这不至于直接击穿。

组合式双管正激直流变压器研究

组合式双管正激直流变压器研究随着大功率电力电子元器件的发展，通过电力电子变换技术实现电压变换和能量传递的新型变压器——直流变压器得到了越来越多的关注。

直流变压器在接近l00％的占空比下工作，输出省去了滤波电感，结构简单；采用开环控制，易于实现软开关，提高功率密度。

有些学者将其应用在频率、电压相同或不同的两个或多个交流系统之间，实现隔离和能量传输[1]-[4]。

也有学者将其应用在需要隔离而不需要调压的直流应用场合[5]-[8]，以提高多级结构的电压调整模块供电系统的效率和功率密度。

本文提出了一种组合式双管正激直流变压器。

该电路利用箝位二极管将开关管的电压应力箝位在输入电压，并利用变压器原边串联电感（包括变压器漏感）和开关管的结电容谐振实现了开关管的零电压开关（ZVS）。

同时，利用输出滤波电容的箝位作用，限制了副边整流二极管的电压尖峰。

文中详细分析了变压器的工作原理，并讨论了变压器的输出特性、零电压开通条件。

最后在原理样机上进行实验验证。

2 电路拓扑与工作原理组合式双管正激直流变压器主电路拓扑如图1所示，包括输入电源Uin、功率开关管（S1、S2、S3、S4）、两个原边箝位二极管D1和D2、串联电感Lr1和Lr2（包括变压器漏感）、功率变压器T（Np1、Np2、Ns1、Ns2组成）、副边整流电路（D3和D4）和输出滤波电容（Cout）组成。

其电路结构有如下特点：(1)由两路双管正激变换器原边并联而成，并且两路双管正激变换器在原边共用两个箝位二极管D1和D2；(2)变压器T采用磁集成技术，由Np1、Np2、Ns1、Ns2组成；(3)输出不含滤波电感。

图1 新型直流变压器原理图图2 主要波形图为了分析其工作状态，作如下假设：(1)变换器工作已经达到稳态；(2)S1、S2、S3和S4由理想开关、寄生二极管和电容构成，容值C1=C2=C3=C4=Cs；Cd3、Cd4分别为D3、D4的寄生电容，且有Cd3=Cd4=Cd ；(3)Lr1、Lr2为变压器原边串联电感，包含变压器两个原边的漏感，且有Lr1=Lr2=Lr ；(4)变压器T满足：Np1=Np2，Ns1=Ns2，且有匝比Np1/Ns1=n 。

DC-DC方案-1200W

一：DC-DC拓扑结构以及初级介绍本方案采用LLC谐振方式DC-DC变换的框架，这种变换器使用的集成电路应用广泛，容易采购，同时器件成本低，还具有输出功率高、转换效率高等显著特点，该方案采用PWM变频方式的驱动波形，使整个DC-DC变换器在空载到额定负载下都能有高的效率，其主电路结构如下图图1所示。

LLC谐振变换器一般包括三部分：方波产生电路、谐振网络和输出电路。

半桥LLC谐振变换器的主电路结构图1 半桥LLC谐振变换器的主电路结构对于这个最大1200W的DC-DC变换器，方波产生电路采用半桥结构就可以达到需要的功率，这样在高压侧使用的MOS管成本得到降低。

通过高低端开关管的交替导通，将直流输入转换为方波。

当然，为防止它们同时导通，LLC谐振控制器普遍会在高低端开关管的驱动信号之间插入固定或可调的死区时间。

LLC谐振DC-DC变换器的谐振网络由三个谐振原件构成，分别为谐振电容Cs，谐振电感Ls和激磁电感Lm。

从图1所给出的半桥LLC谐振DC-DC变换器的主电路结构图中可以看出，该电路系统由以下元件构成：两个功率MOSFETQ1、Q2，Q1和Q2的占空比都是0.5，采用固定死区的互补调频控制方式来进行控制。

图1还中分别给出了Q1和Q2的半导体二极管和寄生电容、谐振电容Cs、理想变压器、并联谐振电感Lm、串联谐振电感Ls、整流MOS管（Q3、Q4）、输出电容C0和负载R0。

半桥式LLC谐振DC-DC变换器在实际的应用过程中，本身所具备的软开关特性（所以开关频率可以做得很高，而输入的MOS发热量还低）。

二：输出级介绍变压器次级输出波形如图2所示，由图二可以看出，经过变换后，次级输出波形非常干净，为MOS的输出和输出级的滤波提供了良好的基础。

从而是输出级的MOS发热量大大降低，提高了整体的效率。

输出级的整流MOS，采用同步整流的方式进行整流，每一路的整流MOS都使用专用的同步整流芯片进行驱动，同时对每个MOS的电流进行检测，并加以控制，从而使这个DC-DC变换器可以使用并联扩容的功能。

双管正激拓扑的工作原理和设计举例

双管正激拓扑一．概述双管正激拓扑电路是一种在单端正激拓扑上衍生出来的一种拓扑电路。

经过实践证明，这种拓扑的电路具有电路简单，可靠性高，元器件较单端电路容易选取等特点。

是一种非常优秀的拓扑电路。

二．简介双管正激变换器拓扑结构由两个功率开关管和两个二极管构成，当两个开关管和同时关断时，磁通复位电路的两个二极管和同时导通，输入的电流母线电压Vin反向加在变压器的初级的励磁电感上，初级的励磁电感在Vin的作用下励磁电流从最大值线性的减小到0，从而完成变压器磁通的复位，并将储存在电感中的能量返回到输入端，没有功率损耗，从而提高电源的效率；此外，每个功率开关管理论的电压应力为直流母线电压，这样就可以选取相对较低耐压的功率MOSFET管，成本低，而且较低耐压的功率MOSFET的导通电阻小，可以进一步提高效率。

三．应用范围双管正激变换器广泛的应用于台式计算机的主电源，中等功率的通信电源及大功率通信电源、变频器等三相电路的辅助电源中。

四．基本工作原理和关键点的波形双管正激变换器的拓扑结构如图1所示，其中Cin为输入直流滤波电解电容，Q1和Q2为主功率开关管，D1、D2和C1、C2分别为Q1和Q2的内部寄生的反并联二极管和电容，D3、C3和D4、C4分别为变压器磁通复位二极管及其寄生的并联电容，不考虑Q2的漏极与散热片间的寄生电容，T为主变压器，DR和DF为输出整流及续流二极管，Lf和Co输出滤波电感和电容。

图1 双管正激变换器的拓朴结构首先，下面分几个工作模式来讨论其磁通复位的工作过程：（1）模式1：t0~t1在t0 时刻Q1 和Q2 关断，此时D3 也是关断的。

初级的励磁电感电流和漏感的电流不能突变，必须维持原方向流动，因此C1，Ch （散热片寄生电容）和C2充电，其电压从0 逐渐上升， C3 和 C4 放电，其电压由Vin 逐渐下降。

4231C C Lp C C i i i i i -==-in c C V u u =+31in C C V u u =+4223C C Lpu u dt di Lp -=333C C i dtdu C = 111C C i dtdu C = 222C C i dtdu C = 444C C i dt du C = 初始值：()001=C u ，()002=C u ，()in C V u =03，()in C V u =04，()00M Lp I i =由上面公式可得：423132C C C C u u C C ++=∆∆ (1) 在理想的模型下，21C C =，43C C =，4231C C C C +=+所以在t1时刻C3和C4的电压下降到0，同时 C1 和C1 的电压上升到Vin ，D3和D4 将导通，系统进入下一个过程。

正激式变压器设计

正激式高频变压器的设计成都立新由于高频变压器在开关电源中已被广泛的使用，所以，高频变压器的设计是一重要课题。

按照高频变压器的工作方式，可分为正激式和反激式两种。

高频变压器工作时是利用一电子开关的高速通断，从而使变压器进行能量传输。

当电子开关导通时，变压器进行能量传输，称为正激式；反之，即电子开关截止时，变压器进行能量传输，称为反激式。

这里，笔者介绍正激式高频变压器的设计方法．如图1所示。

该变压器一般设计的使用功率为50～500W。

图1中已标明变压器T各绕组安装时规定的同名端，以便以下分析。

当功率开关管M1接通时(给M1栅极上外加脉冲开关信号。

在变压器T的主绕组N1中有电流通过)，其自感电动势a点为+，b点为－，这样在变压器的Nl中就储存了磁能。

该能量传输到次级绕组N2上(e点为+，f点为－)，使二极管D2正向偏置，有电流通过D2、电感L和负载RL。

而此时D3是处于反向偏置，所以无电流通过D3。

当功率开关M1截止时(M1栅极开关信号为"0"电平)，变压器T所有绕组以及L的感应电压都反向。

D2也处于反向偏置状态。

由于电感器L的电流不能突变，D3(是续流管)导通，负载RL仍有电流通过。

此时。

次级绕组中无电流通过。

由此可见，变压器T 从初级到次级的能量传输是在开关M1导通时完成的．这一过程通常称为正激式变换(反之，若上述的能量传输是在M1截止时完成，称为反激式变换，这里不讨论)。

在上述的变压器T正激式变换中，为了避免变压器T或电感器L产生饱和，要求开关管M1导通时的电压与时间的乘积(UxT)应等于Ml截止时的反向电压与时间的乘积。

为此，设定Ml时间为Ton，T初级绕组电压设为Uin(初级绕组电流由N1的a流到b)，由此时的电压×时间：UinxTon……(1)。

然而，当电子开关M1截止时，没有电流流过变压器T，结果是电压与时间的乘积就会不平衡，这种不平衡将导致变压器T饱和。

为了解决变压器可能饱和的问题，在变压器T中增加了第三绕组N3和一只快恢复二极管D1。

1200W双管正激变换器计算公式

1200W双管正激变换器计算公式
要计算一个1200W双管正激变换器的相关参数，我们需要使用以下公式：
1.交流输入电流（Ii）=输出功率（Po）/交流输入电压（Vi）
2.直流输出电流（Io）=输出功率（Po）/直流输出电压（Vo）
3.效率（η）=输出功率（Po）/交流输入功率（Pi）*100%
4. 线性负载调整范围（LLR）= 最大输出功率（Po_max）- 最小输出功率（Po_min）/ 最大输出功率（Po_max）* 100%
5.输出纹波（Vr）=输出电压纹波峰峰值（ΔV）/2
6. 开关频率（fs）= 工作周期（Ts）的倒数
7. 工作周期（Ts）= 1 / 开关频率（fs）
8. 开关频率（fs）= 输出功率（Po）/ （Vi * (1-η））
9. 输入电感（Li）= (Vi * (1-η）) / (2 * fs * ΔIi)
10. 输出电感（Lo）= (Vo * (1-η）) / (2 * fs * ΔIo)
11. 输入电容（Ci）= 输入电流纹波峰值（ΔIi）/ (fs * ΔVi)
12. 输出电容（Co）= 输出电流纹波峰值（ΔIo）/ (fs * ΔVo)
其中，Vi为交流输入电压，Vo为直流输出电压，Po为输出功率，η为效率，ΔV为输出电压纹波峰峰值，fs为开关频率，Ts为工作周期，ΔIi为输入电流纹波峰峰值，Li为输入电感，Lo为输出电感，Ci为输入电容，Co为输出电容。