单端反激变换器的建模及应用仿真

单端反激变换器的建模及应用仿真

摘要：介绍一种单端反激式高压DC/DC变换器,叙述其工作原理,工作模式，波形的输出。并对两种工作模式进行了分析。通过对单端反激变换器的Matlab/Simulink建模与仿真，研究电路的输出特性，以及一些参数的选择设置方法。

关键词：单端反激变换器 Matlab/Simulink 建模与仿真

1.反激变换器概述

换电路由于具有拓扑简单，输入输出电气隔离，升/降压范围广，多路输出负载自动均衡等优点，而广泛用于多路输出机内电源中。在反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，由于变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，漏感较大。当功率管关断时，会产生很高的关断电压尖峰，导致开关管的电压应力大，有可能损坏功率管；导通时，电感电流变化率大。因此在很多情况下，必须在功率管两端加吸收电路。

反击变换器的特点：

1、电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出要求。反激变换器是输出与输入隔离的最简单的变换器。输出滤波仅需要一个滤波电容，不需要体积、重量较大的电感，较低的成本。尤其在高压输出时，避免高压电感和高压续流二极管。功率晶体管零电流开通，开通损耗小。而二极管零电流关断，可以不考虑反向恢复问题

2、输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，无需切换而达到稳定输出的要求。

3、转换效率高，损失小。

4、变压器匝数比值较小。

5.小功率多组输出特别有效;

6.变压器工作原理与其他类型的隔离变换器不同，隔离变压器还起到了存储能量的作用;

7.变压器铁芯必须加气隙,以防磁饱和；

2.反击变换器的工作原理

反激变换器的原理图如图2-1 所示。

图 2-1 反激变换器的原理图

反激变换器工作原理是：主开关管导通时，二次侧二极管关断，变压器储能；主开关管关断时，二次侧二极管导通，变压器储能向负载释放。它和正激变换器不同，正激变换器的变压器励磁电感储能一般很小，各绕组瞬时功率的代数和为零，变压器只起隔离、变压作用。而反激变换器的变压器比较特殊，它兼起储能电感的作用，称为储能变压器（或电感-变压器）。为防止负载电流较大时磁心饱和，反激变换器的变压器磁心要加气隙，降低了磁心的导磁率，这种变压器的设计是比较复杂的。

在开关管关断时，反激变换器的变压器储能向负载释放，磁心自然复位，因此反激变换器无需另加磁复位措施。磁心自然复位的条件是：开关导通和关断时间期间，变压器一次绕组所承受电压的伏秒乘积相等。

反激电路存在两种工作模式：电流连续和电流断续模式。与非隔离DC/DC变换电路不同，反激电路电流连续与否指的是变压器副边绕组的电流。当S导通时，变压器副边绕组中电流未下降到0，则电路工作于电流连续模式；当S导通时，变压器副边绕组中电流下降到0，则电路工作于电流断续模式；值得注意的是电路工作于电流连续模式时，其变压器铁心利用率显著降低，因此实际使用中通常避免电路工作于电流连续模式。

2.1电流连续模式

反激电路工作于电流连续模式时，在一个开关周期经历S导通，关断2个开关状态，如图2-2 所示。对应于1个开关周期T的2个时段：t0-t1和t1-t2，电路中主要的电压和电流波形如图2-3所示。

t0-t1时段：如图2-2(a)所示，S导通，根据绕组间同名端关系，二极管VD反向偏置而截止，变压器原边绕组w1电流线性增加，变压器储能增加。

t1-t2时段：如图2-2(b)所示，S关断，二极管VD导通，变压器原边绕组w1的电流被切断，变压器在t0-t1时段储存的能量通过变压器副边绕组w2和二极管向输出端释放。

(a）S导通

（b）S截止

图 2-2 反激电路的开关状态

图 2-3 反激电路电流连续模式下主要波形

（注：Ug开关管电压、U T开关管两端电压、U L2变压器副边电压、I L1变压器原边电流I L2变压器副边电流）当S关断后所承受的电压为：

U S=U i+K12U0

式中K12为变压器原边与副边绕组的匝数比。

当反击电路工作于电流连续模式时，输入输出电压关系为：

2.2 电流断续工作模式

反激电路工作于断续模式时，在一个开关周期内经历S 导通、关断和电感电流为0的3个开关状态，对应的3个时段分别为t0-t1、t1-t2,t2-t3，电路中主要的电压和电流波形如图2-4所示。

t0-t1时段：S 导通，二极管VD 截止，变压器原边绕组w1电流线性增加，变压器储能增加。 t1-t2时段：S 关断，二极管VD 导通，变压器原边绕组电流被切断，变压器在

t0-t1时段储存的能量通过变压器副边绕组w2和二极管向输出端释放。直到t2时刻，变压器中的能量释放完毕，绕组w2中的电流下降为0，二极管截止。

t2-t3时段：变压器原边绕组和副边绕组电流均为0，这时由电容C 向负载供电。

图 2-3 反激电路电流断续模式下主要波形

反激电路电流断续工作时，输出的电压U 0将高于电流连续时输出的电压U 0，并且随着负载的减小而升高。电流断续工作模式下， S 关断后在t1-t2时间段所承受的电压为U S =U i +K 12U 0，t2-t3时间段为U i ，这点与电流连续工作模式不同。

3. 电路的仿真建模

下面用MATLAB 软件对电路进行建模仿真。 仿真模型如图3-1所示：

i

210U 1D U D

K -=

图 3-1 反激电路仿真建模图

Simulink 仿真模型图中电压源为24V直流电压；L为滤波电感，C为滤波电容。Diode1为电力二极管，单向导通，阻止电流反向流动；电路的开关器件为 IGBT，R为负载。Scope1用于显示IGBT 的电流电压。Scope2用于显示变压器副边绕组电流、负载电压和负载电流。Pulse Generator为PWM 脉冲发生器，用于驱动IGBT，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。

图中有几个比较重要的元件的参数需要设定。元件参数如下表3-1所示：

表3-1 仿真建模中元件参数

DC Voltage 100V

C4 2e10-4F

变压器f 10000HZ V1 100V V2 20V

PWM周期0．00001sec Diode1R 0.05Ω

H 10-8

Vf 0.7

Rs 105

Cs Inf