反激电源变压器参数设计.pdf

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1、反激电源变压器参数设计 开关电源学习 漏感：变压器初次级耦合过程中漏掉的那一部分磁通！变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈因此产生漏磁的电感称为漏感 钳位电路的作用：反激式开关电源在开关管断开的瞬间由于漏感不能通过变压器耦合到次级绕组，导致漏感的反激电动势很大，高压很容易导致开关管的损坏，所以用钳位电压到安全的范围，将漏感的能量存储在电容 C 中，再由电阻 R 消耗掉 反激式开关电源：反激电路是由-拓扑电路演变过来的 演变的过程 把和二极管 D1 放到下面，与上图等效 在 A B 之间增加一个变压器，由于初级和次级的电感上承受的伏秒积是相等的，所以用这个变压器来等效 由于电感

2、和变压器的初级电感并联，为了直观把电感合二为一，并且调整变压器的同名端得到下图；上面的电路图便是最基本的反激式开关电路图了，由于变压器在开关管导通时储存能量，断开时通过次级绕组释放能量，变压器的实质是耦合电感，耦合电感不仅承担输入与输出的电气隔离，而且实现了电压的变换，而不仅仅是通过改变占空比来实现 由于此耦合电感并非理想器件，所以存在漏感，而实际线路中也会存在杂散电感当关断时，漏感和杂散电感中的能量会在的漏极产生很高的电压尖峰，从而会导致器件的损坏故而，我们必须对漏感能量进行处理，最常见的就是增加一个吸收电路用 C 来暂存漏感能量，用 R 来耗散之 二极管的反向恢复电流 理想的二极管在承受反

3、向电压时截止，不会有反向电流通过而实际二极管正向导通时，PN 结内的电荷被积累，当二极管承受反向电压时，PN 结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源可以通过在二极管两端并联 RC 缓冲器，以抑制其反向恢复噪声碳化硅材料的肖特基二极管，恢复电流极小 形成原因 二极管在接反向电压的时候，在两边的空穴和电子是不接触的，没有电流流过，但是同时形成了一个等效电容，如果这个时候改变两边的电压方向，自然有一个充电的过程，这个时间就

4、是了 由输出整流二极管产生的干扰在输出整流二极管截止时，有一个反向电流，它恢复到零点的时间与结电容等因素有关其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管称为硬恢复特性二极管，这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下，将产生较强的高频干扰，其频率可达几十 反向恢复过程短的二极管称为快恢复二极管高频化的电力电子电路要求快恢复二极管的反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性 所有的 PN 结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式储存电荷少子注入是电导调制的机理，它导致正向压降的降低，从这个意义上讲，它是有利的但是当在导通的二极管上加反向电压后，由于导通时在基区存贮有大量少数载流子，故到截止

5、时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要 经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间 反激电源变压器的参数设计 对于反激电源而言，需要输入指标，输出指标，有些是客户直接给的，有的则要我们认为的选择参数主要包括：输入交流电压范围，输出电压，输出电流，效率，开关频率等；:含义是均方根？待验证！工作模式：:电流连续模式:电流断续模式 :和中间的过度过程，即电感的电流刚刚降到 0 时，管开通，即到的过渡的临界模式，在轻载时会进入；优点：可以避免二极管进入反向恢复问题，同时也能避免深度，防止峰流过大的缺点在模式，电感电流降到零

6、以后，电感会和的结电容谐振，给结电容放电 QR:那么，是不是可以有种工作方式是当结电容放电到最低点的时候，开通进入下一个周期，这样就可以降低开通的损耗了答案是肯定的这种方式就叫做准谐振，QR 方式也是需要变频控制的 不管是模式，模式，QR 模式，现在都有丰富的控制 IC 可以提供用来设计 一确定反馈电源 Vf:根据磁通伏秒积的平衡，有=Vf(1-)，那么：=Vf/(+Vf)这就是说 Vf 越大，也就越大 那为了得到较大的工作占空比，Vf 能不能取的很大呢？事实上是不行的，我们从前面的分析中知道，管的承受的电压应力，在理想情况下是+Vf，当输出一定时 Vf 也是一定的，而是随着输入电压的变化而变

7、化的另外，管的耐压是有限制的而且，在实际使用中，还必须预留电压裕量 的电压必须保证 10%20%的电压裕量 常用的管耐压有 V，V 的 而对于全电压输入的 85VV AC 输入电源，整流后的直流电压约为 那么对于 V 的而言，保留 20%电压裕量，耐压可以用到 V 最大电压应力出现在最大输入电压处，所以当最大输入直流电压为 V 时，Vf 取值为-=V 最大工作占空比出现在最低输入电压处为：=Vf/(+Vf)=/(+)=以此类推 V 的，耐压用到 V，Vf 取-=V，=Vf/(+Vf)=/(+)=V 的，耐压用到 V，Vf 取-=V，=Vf/(+Vf)=/(+)=V 的，耐压用到 V，Vf 取-

8、=V，=Vf/(+Vf)=/(+)=大的占空比，可以有效降低初级侧的电流有效值，降低初级侧的铜损和的导通损耗但是初级侧的占空比过大，必然导致次级的占空比偏小，那么次级的峰值电流会较大，电流有效值会偏大，那么次级线圈铜损会增加另外，次级峰值电流大，也会导致输出纹波大所以，通常建议，最大占空比取在左右 我个人的观点呢，对于的机器，在最低输入 85 电压下，可以考虑取占空比到，那么在下，占空比约在左右 而对于的模式，建议全范围内占空比不要超过 50%，否则容易出现次谐波振荡即便如此，在占空比不超过 50%的情况下，也建议增加斜坡补偿，以增加稳定性 所以，综上所述，占空比的选择，一方面要考虑的耐压，另

9、一方面还要考虑次级的电流有效值等因素同时，对于耐压比较低的情况，比如用 V 的的时候，占空比适当再取小一点，可以减轻的耐压的压力因为变压器总是有漏感的，漏感会形成一个尖峰这个尖峰和漏感以及电流峰值的大小等参数有关当我们按照百分比来留电压裕量的时候，可能不够 二电感 Lp 当占空比和反射电压 Vf 确定后，我们就可以开始着手设计变压器的初级电流波形，进而求出初级的电感量 对于如图所示的两种工作模式，图中所示，是最低输入电压时变压器初级电流波形那么可以知道平均电流为：=(Ip1+Ip2)/(2T)=(Ip1+Ip2)/2 假如输出功率是，效率为，那么/=(Ip1+Ip2)/2 Ip1+Ip2=2/

10、()对于模式而言，Ip1=0，对于模式而言，有两个未知数，Ip1、Ip2 那么该怎么办呢？这里有个经验性的选择了一般选择 Ip2=23Ip1，不要让 Ip2 与 Ip1 过于接近那样电流的斜率不够，容易产生振荡 计算出 Ip2 与 Ip1 后，我们就可以算出变压器初级电感量的值了 根据：(/Lp)=Ip2-Ip1，可以得到：Lp=()/(fs(Ip2-Ip1)，其中，fs 是开关频率 三选择磁芯 磁芯的选择方式有很多种，有些公司会给出一些图表用于选择合适的磁芯但大多数公司的数据和图表并不完整所以，很多时候，我们需要先选择一个合适的磁芯，然后在这个基础上进行优化 AP 法是最常用的用来选择磁芯的

11、一个公式，其中，L 单位为 H，Ip 为峰值电流，单位为 A，B 是磁感应强度变化量，单位为 T，K0 是窗口利用率，取，具体要看绕组结构等比如挡墙胶带会占去一部分空间，而如果磁芯是矮型的，那么挡墙所占部分肯可能就占很大比例了，这时候，磁 芯的窗口利用率就要取的低而如果，采用了三重绝缘线，那么窗口利用率高，K0 就可以取的大一点对于铁氧体磁芯来说，考虑到温度升高后，饱和点下移，一般 B 应该取值小于 B 过大，磁芯损耗大，也容易饱和 B 过小，磁芯体积会很大功率小的电源，B 可以大一点，因为变压器表面积与体积之比大，散热条件好而功率大的电源，B 则应该小一些，因为变压器的表面积与体积之比小，散

12、热条件变差了开关频率高的，B 也要小一点，因为频率高了，磁芯损耗也会变大 根据计算出来的 AP 值，我们可以选择到合适的磁芯 四初级侧绕组匝数 其中，L 是初级电感量，单位 H，Ip 是初级峰值电流，单位 A，B 是磁感应强度变化量，单位为 T，Ae 是磁芯截面积，单位 cm2 因为我们已经确定了反射电压，Vf，已经有了初级匝数，那么次级的匝数就可以计算出来了不过，计算次级匝数的时候，要考虑到次级输出整流二极管的压降，特别是输出电压很低的时候，二极管的压降要占很大的比例对于肖特基整流管，我们可以考虑取正向压降为左右，对于快恢复整流管，可以考虑取正向压降为 五次级绕组的匝数 那么，对于常用的次级

13、输出绕组匝数可以按下面的公式计算：Ns=(+VD)Np/Vf 是次级某绕组输出电压 VD 是输出整流二极管压降肖特基管取，快恢复管取 六次级整流二极管的电压应力=Ns/Np+实际上的二极管耐压要高于这个数值具体见元件降额使用的那个帖子里的阐述对于模式的电路，还必须在这个 七绕组线径的选取 首先我们要计算出每个绕组的电流的值，关于计算电流值，我记得有个小软件的可以很方便计算然后根据每平方毫米 5A 的电流密度选择导线同时，要注意高频下的趋肤效应，趋肤深度可以按照 来计算，f 是频率，单位 Hz 也就是说，单根导线的直径不要大于两倍趋肤深度如果单根导线不够满足电流密度的要求那么就用多线并绕或采用丝

14、包束线或线二极管上并联 RC 吸收回路，来降低反向恢复造成的电压尖峰和振荡 八 C 的功率 当关断后，的漏极电压迅速上升，当漏极电压达到+Vf 时，次级二极管导通，把变压器初级电压箝位在 Vf 上而由于漏感是不受次级箝位的，所以，管漏极电压继续上升，直到+Vc 电压，Vc 是箝位电容上的电压这时候，箝位二极管 D 导通，漏感给电容 C 充电由于电容容量足够大，箝位电压 Vc 基本保持不变的漏极电压也就被箝位在+Vc 当箝位二极管 D 导通后，漏感电流在箝位电压的作用下线性下降到零有公式：(Vc-Vf)t/=Ip，那么可以计算出这段时间 t 为：t=Ip/(Vc-Vf)由于吸收二极管的电流波形是个峰值为 Ip 三角波，所以，每周期吸收电路中耗散的能量为：VcIpt/2 那么漏感输入到中的功率为：P=fsVcIpt/2 代入上面 t 的表达式，得到：