基于反激变换器拓扑结构的电源设计

基于反激变换器拓扑结构的辅助电源设计

摘要：介绍了反激变换器的基本原理、拓扑结构、应用范围。重点阐述了反激变换器的三种工作模式及在不同模式下的电流、电压变化情况，随后提出了RCD 吸收电路，最后设计出了一种基于反激变换器原理输出 12V和9V直流电源拓扑，重点介绍了TOPSwitch开关控制芯片并详细介绍了辅助电源设计步骤，论证了设计的合理性。

关键词：反激变换器；RCD吸收电路；TOPSwitch；辅助电源

0 引言

反激变换器的拓扑在输出功率为5~150W电源中应用非常广泛。它最大的优点是不需要接输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减小。这种拓扑广泛应用于高电压、小功率场合（电压不大于5000V，功率小于15W）。当直流输入电压较高（不小于160V）、初级电流适当时，该拓扑也可以用在输出功率达到150W的电源中。由于输出端可不接滤波电感，该拓扑在高压不是很高的场合下很有优势，相反，正激变换器由于输出滤波电感必须承受高压而带来了很多问题。此外，反激变换器不需要高压续流二极管，使它在高电压场合下应用更有利。

输出功率为50~150W且有多组输出的变换器也常常采用这种拓扑。由于不需要输出电感，输入电压和负载变化时反激变换器的各输出端都能很好地跟随调整。

只要变压器匝比取得合适，直流输入从低至5V到常用的有115V交流整流得到的160V的场合，都可采用反激拓扑。若选择合适的匝比，则这种拓扑也可用于由220V交流整流得到的320V的场合。

1反激变换器稳态分析

1.1 反激变换器稳态原理

反激变换器电路拓扑，如图1所示，变压

器兼起储能电感作用。根据电感电流是否连续

将反激变换器分成电感电流连续模式（CCM）、

电流临界连续模式、电流断续模式（DCM）。不

同模式时电感电流波形，如图2所示，图中

i 1，i

2

分别为反激变换器变压器原副边电感电

流，D为开关S的占空图1反激变换器电路拓扑比，Ts为变换器开关周期。

Ts DTs (1+D)Ts

1

i 1

i 1

i 2

i 2

i i )a ()b ()c (CCM 模式DCM 模式

电流临界连续模式

图2 电感L 1和L 2的电流波形

1.2 电流连续模式

电流连续模式表示副边电感电流i 2在开关S 截止期间没有下降到零。根据磁通连续性原理可得

i 12o U D

1D

N N U -=

(1-1)

式(1-1)表明，输出电压的大小与负载无关。设反激变换器输出功率为P o ,变换效率为η，则输入电流平均值为

η

=

i o

1U P I (1-2)

输入电流峰值为

D L 2T

U D U P I 1

S i i o p 1+η=

(1-3) 1.3电流断续模式

电流断续模式表示副边电感电流i 2在开关S 截止期间已下降到零，反激变换器的输入功率和输出功率分别为

tdt L U U T 1

P 1i DTs

i S

i ⎰=

1

S 22i L 2T D U = (1-4) o o o I U P =

(1-5)

设变换效率η=100%，由式(1-4)、(1-5)可得

o

1S 22i o I L 2T D U U =

(1-6)

变换器工作于电流断续模式时，输出电压与负载有关，负载减轻时，输出电压升

高。

输入电流峰值为

D L T

U D U P 2I 1

S i i o p 1=η=

(1-7)

1.4电流临界连续模式

电流临界连续模式介于电流连续模式和电流断续模式之间，这种模式下，输出电压和输出电流同时满足式(1-1)和(1-6)。将式(1-1)代入式(1-6)得

o

1S

2

ON 2i 211S i o g U L 2F T U )D 1(D N N L 2T U I I =

-== (1-8)

式中I g 为临界连续电感电流。

当占空比D=0.5时临界连续电流达到最大值I gmax

2

1

1S i max g N N L 8T U I =

(1-9)

将式(1-9)代入式(1-8)得

)D 1(D I 4I max g g -=

(1-10)

再将式(1-9)代入式(1-6)，得电流断续模式下的外特性为

o

i

212max

g o U U D N N I 4I = (1-11)

1.5不同工作模式比较

反激变换器工作于CCM 和DCM 模式时，工作情况比较如下：

① 由式(1-3)和(1-7)可知，在同样输出功率时，CCM 比DCM 模式峰值电流小得多，或者说选用相同电流容量的功率管CCM 模式能输出更大的功率。

② 由式(1-8)可知，若变换器设计在整个工作状态电流连续，I g =I omin ，最小输出电流为临界连续电流，电感量

m in

o S

2

ON 2i o m in o S 2ON 2i 1P 2F T U U I 2F T U L =

≥ （1-12）

若变换器完全工作于断续模式，I g =I omax ，最大输出电流为临界连续电流，电感量

m ax

o S

2ON 2i o m ax o S 2ON 2i 1P 2F T U U I 2F T U L =

≤ （1-13）

由此可知，相同输出功率时，DCM 模式比CCM 模式电感量小得多，储能变压器体积也要小得多。

③ 由外特性曲线可知，如果变换器工作于DCM 模式，由负载变化引起的占空比调节范围很大，使调节困难，因此DCM 模式一般用于负载变化很小且输出功率小的场合；变换器工作在CCM 模式，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能维持输出电压U o 的恒定。

④ 由图2（b ）可知，D CM 模式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，没有由于二极管反向恢复引起的振玲现象和由此引起的无线