反激变换器的原理与设计课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第二章 反激变换器的原理与设计,2.1,电气隔离型,DC/DC,变换器的基本类型,2.2,反激变换器的原理与设计,1,基于,Buck,变换器,：,正激式、双管正激式、推挽式、半桥,式、全桥式等,基于,Buck-boost,变换器,：,反激式、双管反激式等,基于,Boost,变换器,：,隔离,Boost,变换器等,2.1,电气隔离型,DC/DC,变换器的基本类型,2,正激变换器,3,正激变换器,电路结构简单，是中小功率场合常用,的拓扑方案,必须采取附加复位电路来实现变压器,磁芯磁复位，如,有源箝位、,RCD,箝位、,LCD,箝位、复位绕组,等,主功率管的占空比一般都不超过,0.5,4,(a),带磁复位绕组的正激式,5,(b) RCD,箝位正激式,6,(c),有源箝位正激式,7,双管正激式,8,双管正激式,电路结构简单，适用于中小功率场合,不需采取附加复位电路来实现变压器,磁芯磁复位,功率管的占空比要小于,0.5,9,推挽变换器,10,推挽变换器,电路结构简单,变压器磁芯双向磁化,电路必须有良好的对称性，否则容易引起,直流偏磁导致磁芯饱和,变压器绕组必须紧密耦合，以减小漏感,11,半桥变换器,12,半桥变换器,磁芯双向磁化，利用率高,变压器磁芯不存在直流偏磁现象,功率管承受电源电压，,输入电压利用率,低，,适合高压中功率场合,13,全桥变换器,14,磁芯双向磁化，利用率高,易采用软开关工作方式,适合大功率场合,功率器件较多，控制及驱动较复杂,变压器磁芯存在直流偏磁现象,桥臂存在直通可能,全桥变换器,15,反激变换器,16,反激变换器,电路拓扑更为简洁，易于控制,在,中小功率变换场合（,200W,以下,）,应用,广泛,适合多路输出场合,17,图,2-1,反激变换器电路,2.2,反激变换器的原理与设计,18,2.2.1,原理分析,图,2-2,电感,L,1,和,L,2,的电流波形,19,电流连续模式（,CCM,）,根据,磁通连续性原理,可得,(,2-1),设反激变换器输出功率为,P,o,，变换效率为,，,则输入电流平均值为,(,2-2),输入电流峰值为,(,2-3),20,电流断续模式（,DCM,）,输入功率和输出功率分别为,(,2-4),(,2-5),若不考虑损耗，可得,(,2-6),21,输入电流峰值为,(,2-7),22,电流临界连续模式,输出电压和输出电流同时满足式(,2-1),和(,2-6),。将式(,2-1),代入式(,2-6),得,(,2-8),当,D=0.5,时，临界连续电流达到最大值：,(2-9),将式(,2-9),代入式(,2-8),得,(,2-10),23,再将式(,2-9),代入式(,2-6),，得电流断续模式下的外特性为,(,2-11),24,反激变换器的外特性曲线,根据式(,2-1),、(,2-10),、(,2-11),，得到反激变换器外特性曲线。,A,左边的曲线（对应于式(,2-11),）为,DCM,模式时外特性，曲线,A(,对应于式(,2-10),为临界连续模式时外特性，,A,右边的曲线（对应于式(,2-1),）为,CCM,模式时外特性。,25,图,2-3,反激变换器的标幺外特性,26,反激变换器的外特性有如下特点：,类电压源特性,：当变换器工作于,CCM,模式,时，输出电压与输出电流的大小无关，,变换器的外特性类似于电压源特性；,类电流源特性,：当变换器工作于,DCM,模,式时，变换器存在很高的非线性内阻，,变换器具有类似于电流源的特性。,27,不同工作模式比较, 在输出同样功率时，,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。,28, 若变换器设计在整个工作状态电流连续，,I,g=Iomin,，,最小输出电流为临界连续电流，,由式（,2-8,），电感量,L,1,需满足,（,2-12,）,29,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,L,1,为,（,2-13,）,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。,30, 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；,如果变换器工作在,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。,31,DCM,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，没有二,极管,反向恢复问题,；,CCM,模式,时，则存在副边整流二极管的反向,恢复问题。,32,2.2.2,20,W 27VDC/+15V(1.0A)、-5V(0.2A)、+5V(0.4A),机内稳压电源设计与试验,*,设计为,DCM,模式；,*,采用电流型控制方式；,*,功率电路采用,RCD,箝位反激变换器,33,设计技术指标为：, 输入电压：1832,VDC,输出电压三组：+15,V(1.0A)、,15V(0.2A)、+5V(0.4A),输出电压纹波:,V,PP 75%,34,电路组成,图,2-4,基于电流控制,RCD,箝位反激变换器机内稳压电源电路组成,35,DCM,模式反激变换器功率电路设计,*,变压器设计,1.确定磁芯材质和型号,选用软磁铁氧体,R2KBD、,罐形磁芯，,B,s=5100GS,。此时磁芯工作于第二种工作状态，取磁芯磁感应强度的变化量,B=1/3B,S,=1700GS，,将,T,ONmax,=D,max,T,S,=2S、P,Omax,=20W、=75%、K,C,=1、K,=0.3、j=500A/cm,2,代入得,(,2-14),36,选用,GU18,罐形磁芯，该磁芯的截面积,S,和窗口面积,Q,分别为,(,2-15),(,2-16),(,2-17),37,2 绕组计算,(1) 计算变压器初级电感量,DCM,模式，最大输出功率时电流临界连续，所以,(,2-18),38,根据(,2-19),、(,2-20),式，可得磁芯上所开气隙长度 为,(2) 计算磁芯上所开气隙的长度,(2-19),(,2-20),(,2-21),39,(3) 计算原边绕组匝数,(,2-22),取,N,1,=5,匝。,40,(4) 计算匝比，确定各副边绕组匝数,(,2-23),*,U,D,为输出整流二极管压降。,同理求得,n,13,=1.6875，n,14,=1.6875，n,15,=1.6875，,副边绕组匝数为,N,2,=N,1,/n,12,=5/4.5=1.11，,取1匝，,n,12,=5；N,3,=N,1,/n,13,=5/1.6875=2.96，,取3匝，,n,13,=1.67；N,4,取3匝，,n,14,=1.67；N,5,取3匝，,n,15,=1.67。,41,(5) 根据,N,1,来校核原边电感，并计算各副边电感,计算值7.3,(,2-25),(,2-26),同理，计算得,L,3max,=L,4max,=L,5max,=2.48H。,42,(6) 计算变压器原副边绕组电流有效值,变压器原边电流峰值为,(,2-27),各副边电流峰值为,(,2-28),同理计算得，,I,3P=6.18A，I4P=1.24A，I5P=1.24A(Io5,取0.2,A)。,43,原边电流有效值为,(,2-29),副边电流有效值为,(,2-30),同理计算得,I,3,=2.25A，I,4,=0.45A，,取自馈电绕组,N,5,电流有效值,I,5,=1A。,44,(7) 确定原副边导线线径和股数,取,j=500A/cm,2,，,根据,S=I/j,可得，原副边导线截面积为,S,1,=0.0044cm,2,，S,2,=0.0018cm,2,，S,3,=0.0045cm,2,，S,4,=0.0009cm,2,，S,5,=0.002cm,2,。,选用,d=0.23mm,的导线，其截面积为0.0415,mm,2,。N,1,并绕根数=0.44/0.0415=10.6根，取10根；,N,2,并绕根数=0.18/0.0415=4.33根，取4根；,N,3,并绕根数=0.45/0.0415=10.8根，取10根；,N,4,并绕根数=0.09/0.0415=2.16根，取2根；,N,5,并绕根数=0.2/0.0415=4.82根，取5根。,45,(8) 校核窗口系数：,(,2-31),(9) 参数测试,用,RLC,电桥测得原边绕组的电感,L,1,=7.2H，,副边绕组电感,L,2,=0.29H，L,3,=2.48H，L,4,=2.48H，L,5,=2.48H，,原边对副边的漏感,L,lk,=2.2H。,46,*,功率器件的选择,1. 功率开关管的选择,功率开关管上承受的电压应力和电流应力分别为,(,2-32),(2-33),功率管选用,IRF530（14A/100V）。,47,2.副边整流二极管的选择,整流二极管,D,6,承受的电压应力和电流应力分别为,(,2-34),(,2-35),48,同理计算得，整流二极管,D3、D7、D8,承受的电压和电流应力分别为：,U,D3,=33.78V，I,D3,P,=1.2A，U,D7,=33.78V，I,D7,P,=3.2A，U,D8,=33.78V，I,D8,P,=1.2A。,因为开关频率为300,KHz，,所以整流二极管,D3、D6、D8,选用,肖特基二极管,1,N5819（1A/40V）。D7,选用,肖特基二极管,SR506（5A/60V）。,二极管,D2,的作用是阻止启动时输入电压对死负载,R4,供电，使得电容,C2,上的电压迅速上升，从而使,UC1843,快速启动，,D2,也选用1,N5819。,49,*,输出滤波电容的选取,输出滤波电容为,(,2-36),式中， 、,R,为负载电阻。所以,、,、,、,。,50,理论计算值与实际值存在一定差别，工程实际中往往选取比理论值大一些的电容值。因为开关频率达300,KHz，,输出滤波电容,C4、C10,选用47,F/25V,钽电容,，,C11、C12、C13,则选用100,F/25V,钽电容,。,51,*,滤波电感的选取,对于,负载较大（+15,V,输出）,的那一路，电压纹波较大，须在该路输出中再加一个由,L1,和,C12,组成的,LC,噪声滤波器。,取导线电流密度,j=500A/cm2，L1,导线截面积为,I3/j=1.6/500=0.0032cm2，,选取线径,d=0.67mm,的漆包铜线，用小工字型铁芯绕制，电感值为20,H,左右。,52,(,a),功率管,S,驱动电压与漏源电压,* 实验波形,53,(,b),变压器原边,N1,电流波形,54,(,c),变压器副边,N3,电流波形,图,2-5 RCD,箝位、,DCM,模式反激变换器机内稳压电源试验波形,55,