反激式开关电源介绍

VD
= Vo
+ Vi n
n=6
Vi
=
n ⋅Vo
1− D D
n
Vo=12V, Vimax=265, Vi_min=90, P, fs
反激变压器基本电气设计– 电感量
ip Vi
is n:1
Vo
Vds
CCM DCMB DCM
Ipk
=
Vi _ min Lp
⋅ Dmax ⋅f
Ptotal
=
1 2
⋅ Lp
⋅
I pk 2
有屏蔽变压器原、副边绕组电场分布
LISN
x
V(x)
Vp Qps
Cps
w. shielding
变压器的电磁场近场辐射
A-A’
50 100
150
A-A’
EE磁粉芯
10
Magnetics and Power Conversion Lab
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11
Lk Cp Lm
Vds Cds
ip
Lk
Cp Lm
Cds
ip
Lk
n:1
Cp Lm
Cds
6
反激变压器的漏感参数及其效应
Lkp’ n’:1 Lm’
Lpo = Lkp' + Lm'
Lso =Lm' / n'2 Lps = Lkp'
对EMI的效应 Æ 振荡频率
fr = 2π ⋅
1 Lkp' ⋅ (C p // Cds )
反激变换器实际工作波形
CCM
ON OFF
DCM
电压
Vi+Vo*n Vi
ON OFF DCM
电流
实际波形 理想波形
5
Vi+Vo*n Vi
DCM工作下波形与变压器参数
Lk Cp Lm
Vds Cds
Lk Cp Lm
ip
Lk
Cp Lm
Vds Cds
ip
Lk
n:1
Cp Lm
Cds
Cds
Vi+Vo*n
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CCM工作下波形与变压器参数
磁性元件对功率变换器发展的重要性 反激式变压器的设计考虑 反激式变压器杂散参数的效应 反激式变压器的磁(场)特性-感性效应 反激式变压器的电(场)特性-容性效应
1
绿色电源要求
环境保护要求
(IEEE519－1992) i(t)
谐波电流要求
电网环境
电磁兼容要求
生态环境
环境友好
电磁环境
CCM
ON OFF
Vds
DCM
ON OFF
Vi+Vo*n
Vi
Vds
ip
is
ip Vi
is n:1
Vo
Vds
3
反激变压器基本电气设计-- 匝比
Vi Vi_min
ip Vds
is n:1
最大占空比限制 Dmax=0.45
Vo
二极管反向耐压限制 开关管承受电压限制
VDS = n ⋅Vo + Vi
对损耗的效应 Æ
PLk
=
(
1 2
⋅
Lkp
'
⋅
I
pk
2
)
⋅
f
对反激变压器漏感的一些认识
漏感与气隙的大小关系不大。 耦合系数随着气隙的增大而下降。 k = Lm
Lm + Lk 气隙增大会引起效率降低是因为Ipk的增大，漏感能量增大。
气隙增大会引起绕组损耗增大是因为气隙扩散损耗的增大。
漏感能量分布 漏感磁场分布
⋅
f
Lp
=
(Vi _ min ⋅ Dmax 2 ⋅ Ptotal ⋅ f
)2
4
反激变压器优化设计– 铁芯面积/匝数
绕组损耗模型 Æ 匝数，匝长(磁芯面积)，绕组结构，线规(线径/股数)，频率 磁芯损耗模型 Æ 匝数，磁芯面积，材质，体积，频率
损耗
Pt
Pw Pe
匝数 or 磁芯面积
损耗
匝数
铁芯面积 Ae 损耗 vs. 匝数、铁芯面积
负载效率要求
效率 80%
25 50 75 100
负载（%）
自然环境 空载损耗要求
Rated Power 0 to <10W >10W to <250W
No-Load Power consumption
Tier 1 Tier 2 Jan. 05 Jul 06
0.5W 0.3W
0.75W 0.5W
影响全负载范围效率的因素
(Cp0 3
)V p 2
Cp
=
Cp0 3
Cp=Cp0/3
Cp
V(x) Vp
Cp=(Cp0/3)串(Cp0/3)=Cp0/6
原、副边绕组间等效共模噪音电流
LISN
x
V(x)
Cps ips
Vp
∫ Qps =
A
0 dq ps
=
Cp0 2⋅ A
V
p
C ps
=
C ps0 2
Cps0: 原副边绕组间的结构电容
9
Effi.
Load 磁性元件的损耗和设计对全负载范围效率有重要影响
2
磁性元件的设计考虑
结构设计 电气设计 杂散参数 损耗设计 热设计 EMI设计
L = μ ⋅ N 2 Ae le
ΔT = ( P )0.833 S
1 8 6 4 2 0
2 .10 4 4 .10 4 6 .10 4 8 .10 4
反激变换器理想工作波形
对CM-EMI的效应 Æ 共模噪音
对损耗的效应 Æ
PCp
=
(1 2
⋅Cp
⋅U
p2)⋅
f
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x ΔV(x)
绕组并联等效电容Cp
V(x)
x
0
ΔV (x)
= Vp
x A
Cp0: 绕组层间的结构电容
∫ ∫ A
E=
A
dE
=
1
Cp0
⋅
0
2A
A 0
ΔV
(x)2
dx
=
1 2
Cp0 A
(VAp22
⋅
A3 3
)
=
1 2
Magnetics and Power Conversion Lab
反激变换器的变压器
陈 为 博士 chw@fzu.edu.cn
福州大学电气工程与自动化学院 教授, 博士生导师 中国电源学会理事, 变压器与电感器专委会 主任委员
Magnetics and Power Conversion Lab
主要内容
7
变压器绕组的磁场分布分析
负载电流激励
激磁电流激励
总电流激励
Lkp’ Lm’
变压器漏感
激磁电感
变压器+电感
变压器绕组的电场分布分析
0
原
副
边
边
Cp Cps ips
Vp
Qps Æ 原、副边绕组间的感应电荷 Æ ips Qp Æ 原边绕组储存的电场能量 Æ Cp
对DM-EMI的效应 Æ 振荡频率和宽频范围的差模噪音