反激变换器——第六章

6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理
(continuous-Mode Flybacks ——Basic Operation)
6.4 交错反激变换器
本章小结
6.1 概述
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 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。
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 择额定电压为200V的开关管。在式(4.4)中，开关管关断时承受的最大电压应力 Vms为120V,因此即使关断瞬间的漏感尖峰为Vms的25％（或30V），仍有50V 的电压裕度。由式(4.4)可得
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
第六章 反激变换器拓扑
功 率 变 换 电 路
不隔离型
降压、升压、降-升 压、库克变换器
单端 隔离型 双端
反激、正激 推挽、半桥、 全桥
第六章 反激变换器
6.1 概述（Introduction） 6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
(Discontinuous-Mode Flybacks ——Basic Operation)
式(4.18)和式(4.19)中的 由式(4.17)中的Vom、Vdc和匝比Ns/Np 确 定，此匝比由式（4.4）得到。 假设效率为80％，即Po=0.8Pin，Icpr等于初级电流上升斜坡的中间值，则有
6.3 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
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。 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
上式中， 由式(4.17)得到，对应于最小直流电压Vdc，斜坡斜率dIp的值为 dIp=(Vdc-1)ton/Lp 式中，Lp是初级的励磁电感，有
式中，Po是最小额定输出功率
6.3 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
假设输出功率为50W，输出电压为5V，开关频率为50kHz，初级最小输入 为38V，最大值为60V，假设最小输出功率是额定值的10％，即5W。
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 需的），减小体积，降低成本。
应用范围：
5～150W电源中应用广泛 高电压、小功率场合（电压不大于5000V，功率小于15W） 50W~150W且有多组输出的变换器 选择合适的匝比，可用于直流输入低至5V的场合
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
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 组Nm，无其他辅助绕组。则由于电感电流不能突变，在Q1关断瞬间，变压 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Vom。Q1关断时，Nm同名端电压 为正，电流从该端输出并线性下降，斜率为dIs/dt=Vom/Ls。其中Ls为次级 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Q1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T内直流母线 电压提供的功率为
解决办法：选用比上式计算值大的电容（因为Resr与Co成反比）或外接 小型LC电路以吸收窄尖峰。 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 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MPP（坡莫合金粉 末）磁心
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
根据式(4.7确定最大导通时间)
由式(4.8)有
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
由式(4.9)有
由式(4.10)有
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
根据式(4.11)，初级所需的总园密耳数为
选用19号线，其园密耳数为1290
根据式(4.12)，可得次级电流为
复位时间Tr满足（0.8T-Ton）=16-9.9=6.1μ s
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 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 减小误差放大器带宽才能使反馈环稳定。
6.3 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
6.2 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，即图中的Tdt。
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
3、初级电感与最小输出电阻及直流输入电压的关系
由式（4.3）可得初级电感计算公式
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
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 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。
6.4 交错反激变换器
工作原理：
由两个不连续模式反激变换 器组成，两个开关管交替导 通，它们的次级电路通过整 流管互相叠加。
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Vdc已给定，Ton可由式（4.7）计算，Lp可由（4.8）求出。若开关 管为MOSFET，则其最大额定电流为式(4.9)计算值的5～10倍，以使其导 通电阻足够小，导通压降足够大。
5、初级电流有效值和导线尺寸
初级电流为三角波，峰值为Ip，有效值为
6.2.4 反激变换器的缺点
1、较大的输出电压尖峰 开关管开始关断时刻，从Co看进去的阻抗远低于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0.5μ s。 解决办法：窄反激变换器主储能电容后加小型LC滤波器,用于滤掉宽度小于0.5μs 的尖峰。 注意：误差放大器应在LC滤波器之前对输出电压进行采样。
已知容量为2000μ F的铝电解电容的平均ESR值为
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
存在问题：
1、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 生很窄的尖峰电压66×0.03=2V。当反激变换器的匝比Np/Ns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。
6.2 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
次级电流为三角波，峰值为Is=Ip(Np/Ns)，持续时间为Ts。初次级匝 比Np/Ns由式(4.4)给出，Tr=0.8T-Ton，因此次级电流有效值为
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
7、不连续模式下的反激变换器设计实例
反馈环路在Vdc或Ro上升时减小Ton ，在Vdc或Ro下降时增大Ton，从而自动调整输出。
6.2 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
1、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 关断电压应力Vms） 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 压应力为
工作原理
电路有一主一辅两个输出，主输 出Vom接负反馈闭环。Vom的 采样电压与参考电压相比较，产 生的误差信号控制Q1的导通时 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。 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。
6.2 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D1、 D2反偏，C1、C0单独向负载供电。C1、C0容量的选择应保证提供负载电 流的同时能满足输出电压纹波和压降的要求。Q1导通期间，Np的电压恒定， 其电流线性上升，斜率为di/dt=(Vdc-1)/Lp，其中，Lp是初级励磁电感。 在导通结束之前，初级电流上升达到Ip=(Vdc-1)Ton/Lp。变压器储能为
2、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。
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。
6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理
反激变换器的两种工作模式： 不连续模式和连续模式 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 出负载电流 如图(a)所示，不连续模式 的初级电流前端没有阶梯， 而在关断瞬间（b）次级 电流是衰减的三角波，在 下一个周期开始之前已衰 减到零。表明下个周期开 始之前开关导通时间存储 于初级的能量以完全传递 到次级负载。
参数的选择应使Vms尽量小，以保证即使有0.3Vdc的漏感尖峰叠加于Vms， 对开关管的极限值（Vceo、Vcer或Vcev）仍有30％的裕度。
2、保证磁心不饱和且电路始终工作于DCM模式 即保证变压器正负伏秒数相等。 假设Q1和D1的正向导通压降均为1V，则有
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。
• 磁滞回线倾斜，磁导率降低
• 提高饱和安匝数 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
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
2、采用MPPห้องสมุดไป่ตู้芯防止饱和
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
6.2 不连续模式下反激变换器的基本工作原理
由式(4.12)可知，次级所需的总园密耳数为500×21＝10500。 因此选用10号线，但10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。 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9.9μ s， 则滤波电容Co在13.9μs(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10A的电流，其电压坡度为 当电压下降0.05V时，
6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理
连续模式如图(c)所示。初级电 流有前沿阶梯且沿斜坡上升;在 开关管关断期间（图（d））， 次级电路为阶梯上叠加衰减的 三角波。开关管再次导通时， 次级仍然维持有电流。
6.3 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：
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。 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LC滤波器；大的峰值电流会产生严重的RFI问题。 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 更高 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EMI问题。
6.2 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VdcTon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
设变换器效率为80％
从式（4.2b）可见最大导通时间Ton出现在输入电压最低的时候，即 Ip=VdcTon/Lp
1、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
反馈环在Vdc增大时降低Ton，在Vdc减小时升高Ton，以保持输出电 压的稳定。
6.3连续模式下反激变换器的基本工作原理
2、输入、输出电流与功率的关系
6.3 连续模式下反激变换器的基本工作原理
在图4.6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 等于次级电流上升斜坡的中间值。所以有
6.2.3 反激拓扑的电磁原理
防止反激变换器磁心饱和的方法：给磁心加气隙 • 采用实心铁氧体磁心，研磨掉EE型或罐型磁心中 心柱的一部分形成气隙；在U型或UU型磁心的两 半间插入塑料薄片形成气隙。
• 采用MPP(坡莫合金粉末)磁心
6.2 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 铁氧体磁心加气隙作用：