反激电源以及变压器设计介绍
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正激反激式双端开关电源高频变压器设计详解高频变压器作为电源电子设备中的重要组成部分,起到了将输入电压进行变换的作用。
根据不同的使用环境和要求,电源电路中的电感元件可分为正激式、反激式和双端开关电源。
下面就分别对这三种电源的高频变压器设计进行详解。
1.正激式电源变压器设计正激式电源变压器是将输入电压通过矩形波进行激励的一种变压器。
其基本结构包括主磁线圈和副磁线圈两部分,主磁线圈用来耦合能量,副磁线圈用来提供输出电压。
正激式电源变压器的设计主要有以下几个步骤:(1)确定主磁线圈的匝数和磁芯的截面积:根据输入电压和电流来确定主磁线圈的匝数,根据输出电压和电流来确定磁芯的截面积。
(2)计算主磁线圈的电感:根据主磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。
(3)选择磁芯材料:磁芯材料的选择要考虑其导磁性能和能量损耗等因素。
(4)确定副磁线圈的匝数:根据主磁线圈的输入电压和输出电压的变换比例来计算副磁线圈的匝数。
(5)计算副磁线圈的电感:根据副磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。
(6)确定绕线方式和结构:根据磁芯的形状和结构来确定绕线方式和结构。
2.反激式电源变压器设计反激式电源变压器是通过反馈控制来实现变压的一种变压器。
其基本结构包括主磁线圈、副磁线圈和反馈元件等。
反激式电源变压器的设计主要有以下几个步骤:(1)确定主磁线圈的匝数和磁芯的截面积:根据输入电压和电流来确定主磁线圈的匝数,根据输出电压和电流来确定磁芯的截面积。
(2)计算主磁线圈的电感:根据主磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。
(3)选择磁芯材料:磁芯材料的选择要考虑其导磁性能和能量损耗等因素。
(4)确定副磁线圈的匝数:根据主磁线圈的输入电压和输出电压的变换比例来计算副磁线圈的匝数。
(5)计算副磁线圈的电感:根据副磁线圈的截面积和匝数来计算电感值。
(6)确定绕线方式和结构:根据磁芯的形状和结构来确定绕线方式和结构。
(7)选择合适的反馈元件:根据反馈控制的需要来选择合适的反馈元件,并设计合适的反馈回路。
反激式开关电源变压器设计原理首先是变比选择。
变压器的变比决定了输入电压和输出电压的比值。
通常情况下,开关电源需要将输入交流电压转换为稳定的直流电压,因此输出电压需要较低。
在选择变比时,考虑到电路的复杂性和功率转换效率,一般选择较大的输入电压和较小的输出电压。
变比的选择也需要考虑到负载的要求和功率转换效率的平衡。
其次是磁芯材料。
变压器的磁芯材料直接影响到电路的性能和效率。
一般情况下,磁芯材料需要具备较高的矫顽力和饱和磁场强度,以实现高效率的电力转换。
常用的磁芯材料有硅钢片、铁氧体和钕铁硼等。
在选择磁芯材料时需要综合考虑材料的价格、性能和可用性。
最后是工作频率。
反激式开关电源变压器工作在高频率下,一般在10kHz至1MHz之间。
高频率的工作可以减小变压器的体积和重量,提高电路的效率和响应速度。
但是,高频率也会增加电路的开关损耗和EMI(电磁干扰)噪声。
因此,在设计反激式开关电源变压器时需要对工作频率的选择进行充分的考虑。
此外,还需要注意的是反激式开关电源变压器的绝缘和散热问题。
由于反激式开关电源工作在高压和高频下,变压器绝缘需要特别注意以防止电路失效和安全事故发生。
同时,由于电路的功率转换过程中会产生大量的热量,因此需要设计合适的散热系统来保证电路的正常运行。
总结起来,反激式开关电源变压器的设计原理包括变比选择、磁芯材料和工作频率的选择。
设计人员需要根据具体的应用需求,综合考虑功率转换效率、体积和重量等因素,选择合适的设计方案。
同时,还需要注意绝缘和散热问题,以保证电路的安全和可靠运行。
反激式开关电源设计详解一、工作原理1.开关管控制:反激式开关电源中,开关管起到了关键的作用。
当输入电压施加在开关管上时,开关管处于导通状态,此时电流流经变压器和输出电路,能量存储在变压器核心中。
当输入电压施加在开关管上时,开关管处于截止状态,此时能量释放,通过一对二极管和电容器形成输出脉冲电流。
2.变压器作用:反激式开关电源中的变压器主要用于将输入电压转换为所需的输出电压。
在导通状态下,输入电压施加在变压器的一侧,能量存储在变压器的磁场中。
在截止状态下,变压器的磁场崩溃,能量释放到输出电路中。
3.输出电路过滤:输出电流通过一对二极管和电容器形成脉冲电流。
为了使输出电流更加稳定,需要通过电容器对输出电流进行滤波,降低脉冲幅度,使输出电压更加平稳。
二、基本结构1.输入滤波电路:由于输入电源通常含有较多的噪声和干扰,为了保障开关电源的正常工作,需要在输入端添加一个滤波电路,通过滤波电容和电感将输入电压的尖峰和噪声滤除。
2.开关控制电路:开关控制电路用于对开关管进行控制,使其在合适的时机打开和关闭。
常见的控制方式有定时控制和反馈控制两种。
3.开关管:开关管在反激式开关电源中起到了关键的作用。
常见的开关管有MOS管、IGBT管等,其特性包括导通损耗、截止损耗和开关速度等。
4.变压器:变压器用于将输入电压变换为所需的输出电压。
同时,变压器还能起到隔离输入电源和输出负载的作用,保护负载。
5.输出整流滤波电路:输出整流滤波电路用于对输出电流进行整流和滤波,使输出电压更加稳定。
三、常见设计方法1.脉冲宽度调制(PWM)控制:PWM是一种常用的反激式开关电源控制方法,通过控制开关管的导通时间来调节输出电压和电流。
PWM控制能够实现较高的效率和较低的输出波纹,但需要一定的控制电路。
2.变压器匹配设计:在设计反激式开关电源时,需要合理选择变压器的匝数比,以实现所需的输入输出电压转换。
同时,还需要考虑变压器的大小和功耗。
反激式开关电源变压器设计反激式变压器是反激式开关电源的核心,它决定了反激式变换器一系列的重要参数,如占空比D ,最大峰值电流,设计反激式变压器,就是要让反激式开关电源工作在一个合理的工作点上。
这样可以让其发热量尽量小,对器件的磨损也尽量小。
同样的芯片,同样的磁芯,若是变压器设计不合理,则整个开关电源性能会有很大的下降,如损耗会加大,最大输出功率会下降.设计变压器,就是要先选定一个工作点,在这个点就是最低的交流输入电压,对应于最大的输出功率。
第一步,选定原边感应电压V OR 。
这个值是有自己来设定的,这个值就决定了电源的占空比.可能朋友们不理解什么是原边感应电压。
我们分析一个工作原理图。
当开关管开通的时候,原边相当于一个电感,电感两端加上电压,其电流值不会突变,而线性上升:I 升=Vs*Ton/L 。
这三项分别是原边输入电压,开关开通时间和原边电感量。
在开关管关断的时候,原边电感放电,电感电流会下降,此时有下降了的电流:I 降=V OR *T OFF /L 。
这三项分别是原边感应电压(即放电电压)、开关管管段时间和电感量。
经过一个周期后,原边电感电流会回到原来的值,不可能会变,所以有:Vs *T ON /L=V OR *T OFF /L 。
即上升了的等于下降了的。
上式中用D 来代替T ON ,用(1-D )来代替T OFF .移项可得:D=V OR /(V OR +Vs)。
这就是最大占空比了.比如说我设计的这个变压器,我选定电感电压V OR =20V ,则Vs 为24V ,D=20/(20+24)=0。
455。
第二步,确定原边电流波形的参数原边电流波形有三个参数,平均电流,有效值电流,峰值电流,首先要知道原边电流的波形,原边电流的波形如下。
这是一个梯形波横向表示时间,总想表示电流大小,这个波形有三个值,一个是平均值I 平均,二是有效值I ,三是峰值Ip 。
首先要确定平均值I 平均:I 平均=Po/(η*Vs )。
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。
RCD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RCD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buck-boost拓扑电路演变过来的。
演变的过程把MOS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MOS关断时,漏感和杂散电感中的能量会在MOS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RCD 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。
反激变压器设计
反激电源的连续与断续模式是指变压器的工作状态,在满载状态变压器工作于能量完全传递,或不完全传递的工作模式。
一般要根据工作环境进行设计,常规反激电源应该工作在连续模式,这样开关管、线路的损耗都比较小,而且可以减轻输入输出电容的工作应力,但是这也有一些例外。
需要在这里特别指出:由于反激电源的特点也比较适合设计成高压电源,而高压电源变压器一般工作在断续模式,本人理解为由于高压电源输出需要采用高耐压的整流二极管。
由于制造工艺特点,高反压二极管,反向恢复时间长,速度低,在电流连续状态,二极管是在有正向偏压时恢复,反向恢复时的能量损耗非常大,不利于变换器性能的提高,轻则降低转换效率,整流管严重发热,重则甚至烧毁整流管。
由于在断续模式下,二极管是在零偏压情况下反向偏置,损耗可以降到一个比较低的水平。
所以高压电源工作在断续模式,并且工作频率不能太高。
还有一类反激式电源工作在临界状态,一般这类电源工作在调频模式,或调频调宽双模式,一些低成本的自激电源(rcc)常采用这种形式,为保证输出稳定,变压器工作频率随着,输出电流或输入电压而改变,接近满载时变压器始终保持在连续与断续之间,这种电源只适合于小功率输出,否则电磁兼容特性的处理会很麻烦。
反激式开关电源变压器的设计方法反激式开关电源变压器是一种常用于电子设备中的高效率、高频率开关电源变压器。
其设计方法包括了选择合适的变压器参数、计算变压器工作状态、考虑磁芯损耗和温升等方面。
下面将详细介绍反激式开关电源变压器的设计步骤。
首先,确定设计目标和性能要求。
根据所需的输入和输出电压和电流,确定变压器的额定功率和输出功率。
同时,考虑变压器的体积限制以及可用的材料,进行适当的权衡。
第二步是选择磁芯材料。
磁芯的选择对于反激式开关电源变压器来说非常重要,因为磁芯的性能直接影响着变压器的效率和工作频率。
常见的磁芯材料包括铁氧体和软磁合金等,可以根据具体的应用需求和成本进行选择。
第三步是计算变压器的主要参数。
包括主磁链感应系数、匝数比、实际绕组电压和电流等。
根据设计目标和性能要求,以及选择的磁芯材料,可以通过一系列公式和计算来决定这些参数。
第四步是进行磁芯损耗和温升的估算。
反激式开关电源变压器在工作过程中会产生磁芯损耗和温升。
这些损耗会导致变压器的效率下降,甚至导致变压器无法正常工作。
因此,需要根据具体的磁芯材料和使用条件,进行损耗和温升的估算。
第五步是进行变压器的绕组设计。
根据变压器的参数和工作状态,设计变压器的绕组结构和匝数。
通过合理设计绕组,可以提高变压器的效率和性能。
第六步是进行变压器的线径选择和导线布局。
根据所需的电流和损耗,选择合适的线径,并进行合理的导线布局,以提高变压器的效率和散热性能。
最后一步是进行变压器的实际制造和测试。
根据设计图纸和规格要求进行变压器的实际制造,并通过测试来验证设计的正确性和性能。
总之,反激式开关电源变压器的设计是一个复杂的过程,需要考虑多个因素的综合影响。
通过合理选择磁芯材料、计算变压器参数、评估磁芯损耗和温升等步骤,可以设计出性能良好、效率高的变压器。
反激电源变压器设计一、变压器参数的选择反激电源变压器的核心参数包括输入电压、输出电压、输出功率和工作频率。
在设计反激电源变压器时,首先要确定输入电压和输出电压的数值,通常可以根据电子设备的需求进行选择。
然后,根据输出功率计算变压器的功率大小,一般情况下可以按照变压器的负载能力来选择。
最后,确定工作频率,一般常用的工作频率有50Hz和60Hz两种,可以根据具体的应用需求来选择。
二、绕线的计算1.确定绕组的匝数比反激电源变压器通常是多绕组变压器,其中包括输入绕组、输出绕组和反馈绕组。
输入绕组的匝数Np从输入电压和功率的关系中可以计算得到,公式为Np = Vin * Iin / P,其中Vin表示输入电压,Iin表示输入电流,P表示输出功率。
输出绕组的匝数Ns可以由输出电压和功率的关系计算得到,公式为Ns = Vout * Iout / P,其中Vout表示输出电压,Iout表示输出电流,P表示输出功率。
反馈绕组的匝数Nf可以根据设计需求确定,通常取决于反馈网络的设计。
2.计算绕组的截面积绕制反激电源变压器时需要考虑绕组的电流和电阻损耗。
根据电流密度J,可以计算出绕组的截面积A,公式为A=I/J,其中I为电流密度,J为截面积。
电流密度的取值可以根据设计经验或者具体的应用需求来确定。
另外,要考虑绕组的电阻损耗,可以通过计算电阻来确定。
3.确定绕组的材料反激电源变压器的绕组通常采用铜导线,因为铜导线有较好的导电性能和热稳定性。
在选择铜导线时,要考虑导线的直径、长度和截面积等参数,同时还要根据绕组的电流来选择合适的导线规格,以保证导线能够承受相应的电流负荷。
三、设计注意事项1.绕制绕组时要注意匝数的计算和绕线的排列方式,以保证绕组的结构紧凑和电感性能的稳定。
2.反激电源变压器中会产生电磁干扰,因此在设计时要合理布局绕组,减小磁感应强度的泄漏。
3.反激电源变压器的绕组要用绝缘材料进行绝缘处理,以避免电气短路和绝缘击穿现象的发生。
反激式变压器的设计反激式变压器(Flyback Transformer)是一种常见的开关电源变压器,具有简单的结构、低成本和高效率等优点,被广泛应用于各种电子设备中。
在进行反激式变压器的设计时,需要确定变压器的参数,包括输入输出电压、功率容量、工作频率等。
本文将详细介绍反激式变压器设计的步骤和注意事项。
设计步骤如下:1.确定输入输出电压:根据电子设备的要求和规格,确定变压器的输入和输出电压。
输入电压一般为交流电压,输出电压可以是直流电压或交流电压。
2.确定功率容量:根据电子设备的功率需求,确定变压器的功率容量。
功率容量是指变压器能够输出的最大功率,它与变压器的尺寸和导线截面积有关。
3.确定工作频率:反激式变压器通常工作在几十千赫兹到数百千赫兹的频率范围内。
选择合适的工作频率可以提高变压器的效率和稳定性。
4.计算变比:根据输入输出电压的比例关系,计算变压器的变比。
变比是指变压器的一次匝数与二次匝数之间的比例关系,它决定了输入输出电压的变换比例。
5.选择磁芯材料:磁芯是变压器的重要组成部分,它决定了变压器的性能和效率。
选择合适的磁芯材料可以提高变压器的磁耦合效果和磁导率。
6.计算匝数:根据输入输出电压的变比和磁芯的尺寸,计算一次匝数和二次匝数。
匝数决定了变压器的输入输出电压和电流。
7.计算绕线参数:根据匝数和导线截面积,计算变压器的绕线电阻和电感。
绕线电阻决定了变压器的功率损耗和温升,电感决定了变压器的高频特性和耦合效果。
8.确定绝缘等级:根据输入输出电压的大小和工作环境的要求,确定变压器的绝缘等级。
绝缘等级决定了变压器的安全性和可靠性。
9.进行结构设计:根据变压器的参数和要求,进行变压器的结构设计。
包括磁芯的形状、绕线的布局和绝缘的设计等。
10.进行实验验证:根据设计的参数和要求,制作样品变压器进行实验验证。
通过实验数据的分析和比较,优化设计参数和结构,最终得到满足要求的变压器。
设计反激式变压器时需要注意以下几点:1.磁芯损耗:磁芯材料有磁滞损耗和涡流损耗,在高频工作下会产生较大的损耗。
对于探讨反激电源以及变压器这个话题,我犹豫了很久。
因为关于反激的话题大家讨论了很多很多,这个话题已经被讨论的非常透彻了。
关于反激电源的参数设计也有多篇文章总结。
还有热心的网友,根据计算过程,自己编写了软件或电子表格把计算做的傻瓜化。
但我也注意到,几乎每天都会出现关于反激设计过程出现问题而求助的帖子,所以,思量再三,我决定还是再一次提出这个话题!我不知道我是否能写出一些有新意的东西,但我会尽力去写好。
不期望能入高手的法眼,但愿能给入门者一些帮助。
纵观电源市场,没有哪一个拓扑能像反激电路那么普及,可见反激电源在电源设计中具有不可替代的地位。
说句不算夸张的话,把反激电源设计彻底搞透了,哪怕其他的拓扑一点不懂,在职场上找个月薪10K的工作也不是什么难事。
提纲1、反激电路是由buck-boost拓扑演变而来,先分析一下buck-boost电路的工作过程。
工作时序说明:t0时刻,Q1开通,那么D1承受反向电压截止,电感电流在输入电压作用下线性上升。
t1时刻,Q1关断,由于电感电流不能突变,所以,电感电流通过D1,向C1充电。
并在C1两端电压作用下,电流下降。
t2时刻,Q1开通,开始一个新的周期。
从上面的波形图中,我们可以看到,在整个工作周期中,电感L1的电流都没有到零。
所以,这个工作模式是电流连续的CCM模式,又叫做能量不完全转移模式。
因为电感中的储能没有完全释放。
从工作过程我们也可以知道,这个拓扑能量传递的方式是,在MOS管开通时,向电感中储存能量,MOS管关断时,电感向输出电容释放能量。
MOS管不直接向负载传递能量。
整个能量传递过程是先储存再释放的过程。
整个电路的输出能力,取决于电感的储存能力。
我们还要注意到,根据电流流动的方向,可以判断出,在输入输出共地的情况下,输出的电压是负电压。
MOS管开通时,电感L1承受的是输入电压,MOS关断时,电感L1承受的是输出电压。
那么,在稳态时,电路要保证电感不进入饱和,必定要保证电感承受的正向和反向的伏秒积的平衡。
那么:Vin×(t1-t0)=Vout×(t2-t1),假如整个工作周期为T,占空比为D,那么就是:Vin×D=Vout×(1-D)那么输出电压和占空比的关系就是:Vout=Vin×D/(1-D)同时,我们注意看MOS管和二极管D1的电压应力,都是Vin+Vout另外,因为是CCM模式,所以从电流波形上可以看出来,二极管存在反向恢复问题。
MOS开通时有电流尖峰。
上面的工作模式是电流连续的CCM模式。
在原图的基础上,把电感量降低为80uH,其他参数不变,仿真看稳态的波形如下:t0时刻,Q1开通,那么D1承受反向电压截止,电感电流在输入电压作用下从0开始线性上升。
t1时刻,Q1关断,由于电感电流不能突变,所以,电感电流通过D1,向C1充电。
并在C1两端电压作用下,电流下降。
t2时刻,电感电流和二极管电流降到零。
D1截止,MOS的结电容和电感开始发生谐振。
所以可以看见MOS的Vds电压出现周期性的振荡。
t3时刻,Q1再次开通,进入一个新的周期。
在这个工作模式中,因为电感电流会到零,所以是电流不连续的DCM模式。
有叫做能量完全转移模式,因为电感中储存的能量完全转移到了输出端。
而二极管因为也工作在DCM状态,所以没有反向恢复的问题。
但是我们应该注意到,DCM模式的二极管、电感和MOS漏极的峰值电流是大于上面的CCM模式的。
需要注意的是在DCM下的伏秒积的平衡是:Vin×(t1-t0)=Vout(t2-t1)只是个波形的正反问题。
就好象示波器的探头和夹子如果反过来,那么波形就倒过来。
你注意看图的右边,看波形具体的定义是什么。
有的波形是两个点相减出来的。
看波形图也要配合这原理图来看的。
当MOS开通的时候,二极管D1承受着反压,是一个负的电压。
MOS关断的时候,二极管导通,正向压降很低二极管的反向恢复,和其工作时PN结的载流子的运动有关系。
DCM时,因为二极管已经没有电流流过了,内部载流子已经完成了复合过程。
所以不存在反向回复问题。
会有一点点反向电流,不过那是结电容造成的。
在CCM和DCM模式有个过渡的状态,叫CRM,就是临界模式。
这个模式就是电感电流刚好降到零的时候,MOS开通。
这个方式就是DCM向CCM过渡的临界模式。
CCM在轻载的时候,会进入DCM模式的。
CRM模式可以避免二极管的反向恢复问题。
同时也能避免深度DCM时,电流峰值很大的缺点。
要保持电路一直工作在CRM模式,需要用变频的控制方式。
我还注意到,在DCM模式,电感电流降到零以后,电感会和MOS的结电容谐振,给MOS结电容放电。
那么,是不是可以有种工作方式是当MOS结电容放电到最低点的时候,MOS开通进入下一个周期,这样就可以降低MOS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PWM模式,CRM模式,QR模式,现在都有丰富的控制IC可以提供用来设计。
2、那么我们常说,反激flyback电路是从buck-boost电路演变而来,究竟是如何从buck-boost拓扑演变出反激flyback拓扑的呢?请看下面的图:这是基本的buck-boost拓扑结构。
下面我们把MOS管和二极管的位置改变一下,都挪到下面来。
变成如下的电路结构。
这个电路和上面的电路是完全等效的。
接下来,我们把这个电路,从A、B两点断开,然后在断开的地方接入一个变压器,得到下图:为什么变压器要接在这个地方?因为buck-boost电路中,电感上承受的双向伏秒积是相等的,不会导致变压器累积偏磁。
我们注意到,变压器的初级和基本拓扑中的电感是并联关系,那么可以将变压器的励磁电感和这个电感合二为一。
另外,把变压器次级输出调整一下,以适应阅读习惯。
得到下图:这就是最典型的隔离flyback电路了。
由于变压器的工作过程是先储存能量后释放,而不是仅仅担负传递能量的角色。
故而这个变压器的本质是个耦合电感。
采用这个耦合电感来传递能量,不仅可以实现输入与输出的隔离,同时也实现了电压的变换,而不是仅仅靠占空比来调节电压。
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MOS关断时,漏感和杂散电感中的能量会在MOS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RCD吸收电路。
用C来暂存漏感能量,用R来耗散之。
下面先让我们仿真一下反激flyback电路的工作过程。
在使用耦合电感仿真的时候,我们需要知道saber中,耦合电感怎么用。
简单的办法,就是选择一个理想的线性变压器,然后设置其电感量来仿真。
还有一个办法,就是利用耦合电感K这个模型来仿真。
下图是我们用来仿真的电路图,为了让大家能看到元件参数的设置,我把所有元件的关键参数都显示出来了。
还有,因为仿真的需要,我把输入和输出共地,实际电路当然是隔离的。
细心的朋友可能会注意到,变压器的初级电感量是202uH,参与耦合的却只有200uH,那么有2uH是漏感。
次级是50uH,没有漏感。
变压器的电感比是200:50,那么意味着变压器的匝比NP/NS=2:1设定瞬态扫描,时间10ms,步长10ns,看看稳态时的波形吧:下面先简单叙述其工作原理:t0时刻,MOS开通。
变压器初级电流在输入电压的作用下,线性上升,上升速率为Vin/l1。
变压器初级电压感应到次级,整流二极管反向截止。
二极管承受反压为Vin/(NP/NS)+Vout。
t1时刻,MOS关断。
变压器初级电流被强制关断。
我们知道电感电流是不能突变的,而现在MOS要强制关断初级电流,那么初级电感就会在MOS关断过程中,在初级侧产生一个感应电动势。
根据电磁感应定律,我们知道,这个感应电动势在原理图中是下正上负的。
这个感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级,由于次级的同名端和初级是反的。
所以次级的感应电动势是上正下负。
当次级的感应电动势达到输出电压时,次级整流二极管导通。
初级电感在MOS开通时储存的能量,通过磁芯耦合到次级电感,然后通过次级线圈释放到次级输出电容中。
在向输出电容中转移能量的过程中,由于次级输出电容容量很大,电压基本不变,所以次级电压被箝位在输出电压Vout,那么因为磁芯绕组电压是按匝数的比例关系,所以此时初级侧的电压也被箝位在Vout/(NS/NP),这里为了简化分析,我们忽略了二极管的正向导通压降。
现在我们引入一个非常重要的概念,反射电压Vf。
反射电压Vf就是次级绕组在向次级整流后的输出电容转移能量时,把次级输出电压按照初次级绕组的匝数比关系反射到初级侧绕组的电压,数值为:Vf=(Vout+Vd)/(NS/NP),式中,Vd是二极管的正向导通压降。
在本例中,Vout约为20V,Vd约为1V,NP/NS=2,那么反射电压约为42V。
从波形图上可以证实这一点。
那么我们从原理图上可以知道,此时MOS的承受的电压为Vin+Vf。
也有朋友注意到了,在MOS关断的时候,Vds的波形显示,MOS上的电压远超过Vin+Vf!这是怎么回事呢?这是因为,我们的这个例子中,变压器的初级有漏感。
漏感的能量是不会通过磁芯耦合到次级的。
那么MOS关断过程中,漏感电流也是不能突变的。
漏感的电流变化也会产生感应电动势,这个感应电动势因为无法被次级耦合而箝位,电压会冲的很高。
那么为了避免MOS被电压击穿而损坏,所以我们在初级侧加了一个RCD吸收缓冲电路,把漏感能量先储存在电容里,然后通过R消耗掉。
当然,这个R不仅消耗漏感能量。
因为在MOS关断时,所有绕组都共享磁芯中储存的能量。
其实,留意看看,初级配上RCD吸收电路,和次级整流滤波后带一个电阻负载,电路结构完全是相同的。
故而初级侧这时候也像一个输出绕组似的,只不过输出的电压是Vf,那么Vf也会在RCD吸收回路的R上产生功率。
因此,初级侧的RCD吸收回路的R不要取值太小,以避免Vf在其上消耗过多的能量而降低效率。
t3时刻,MOS再次开通,开始下一个周期。
那么现在有一个问题。
在一个工组周期中,我们看到,初级电感电流随着MOS的关断是被强制关断的。
在MOS 关断期间,初级电感电流为0,电流是不连续的。
那么,是不是我们的这个电路是工作在DCM状态的呢?在flyback电路中,CCM和DCM的判断,不是按照初级电流是否连续来判断的。
而是根据初、次级的电流合成来判断的。
只要初、次级电流不同是为零,就是CCM模式。
而如果存在初、次级电流同时为零的状态,就是DCM模式。
介于二者之间的就是CRM过渡模式。
所以根据这个我们从波形图中可以看到,当MOS开通时,次级电流还没有降到零。
而MOS开通时,初级电流并不是从零开始上升,故而,这个例子中的电路是工作在CCM 模式的。