反击式变压器设计原理.pdf

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1、返馳式變壓器設計原理(FlybackTransformerDesignTheory)*概述*工作原理*設計方法*設計實例*小結返馳式變壓器設計原理(FlybackTransformerDesignTheory)第一節.概述.返馳式(Flyback)轉換器又稱單端反激式或"Buck-Boost"轉換器.因其輸出端在原邊繞組斷開電源時獲得能量故而得名.離線型返馳式轉換器原理圖如圖.一、返馳式轉換器的優點有:1.電路簡單,能高效提供多路直流輸出,因此適合多組輸出要求.2.轉換效率高,損失小.3.變壓器匝數比值較小.4.輸入電壓在很大的範圍內波動時,

2、仍可有較穩定的輸出,目前已可實現交流輸入在85~265V間.無需切換而達到穩定輸出的要求.二、返馳式轉換器的缺點有:1.輸出電壓中存在較大的紋波,負載調整精度不高,因此輸出功率受到限制,通常應用於150W以下.2..轉換變壓器在電流連續(CCM)模式下工作時,有較大的直流分量,易導致磁芯飽和,所以必須在磁路中加入氣隙,從而造成變壓器體積變大.3.變壓器有直流電流成份,且同時會工作於CCM/DCM兩種模式,故變壓器在設計時較困難,反復調整次數較順向式多,迭代過程較复雜.第二節.工作原理在圖1所示隔離反馳式轉換器(Theisolatedflyba

3、ckconverter)中,變壓器"T"有隔離與扼流之雙重作用.因此"T"又稱為Transformer-choke.電路的工作原理如下:當開關晶體管Trton時,變壓器初級Np有電流Ip,並將能量儲存於其中(E=LpIp/2).由於Np與Ns极性相反,此時二极管D反向偏壓而截止,無能量傳送到負載.當開關Troff時,由楞次定律:(e=-N△Φ/△T)可知,變壓器原邊繞組將產生一反向電勢,此時二極管D正向導通,負載有電流IL流通.返馳式轉換器之穩態波形如圖2.由圖可知,導通時間ton的大小將決定Ip、Vce的幅值:Vcemax=VIN/1-Dm

4、axVIN:輸入直流電壓;Dmax:最大工作周期Dmax=ton/T11241824431/12LiscOct.由此可知,想要得到低的集電极電壓,必須保持低的Dmax,也就是Dmax＜0.5,在實際應用中通常取Dmax=0.4,以限制Vcemax≦2.2VIN.開關管Tron時的集電极工作電流Ie,也就是原邊峰值電流Ip為:Ic=Ip=IL/n.因IL=Io,故當Io一定時,匝比n的大小即決定了Ic的大小,上式是按功率守恆原則,原副邊安匝數相等NpIp=NsIs而導出.Ip亦可用下列方法表示:Ic=Ip=2Po/(η*VIN*Dmax)η:轉

5、換器的效率公式導出如下:2輸出功率:Po=LIpη/2T輸入電壓:VIN=Ldi/dt設di=Ip,且1/dt=f/Dmax,則:VIN=LIpf/Dmax或Lp=VIN*Dmax/Ipf則Po又可表示為:2Po=ηVINfDmaxIp/2fIp=1/2ηVINDmaxIp∴Ip=2Po/ηVINDmax上列公式中:VIN:最小直流輸入電壓(V)Dmax:最大導通占空比圖2返馳式轉換器波形圖Lp::變壓器初級電感(mH)Ip::變壓器原邊峰值電流(A)f:轉換頻率(KHZ)由上述理論可知,轉換器的占空比與變壓器的匝數比受限於開關電晶體耐壓與最

6、大集電极電流,而此兩項是導致開關晶體成本上升的關鍵因素,因此設計時需綜合考量做取舍.反激式變換器一般工作於兩種工作方式:1.電感電流不連續模式DCM(DiscontinuousInductorCurrentMode)或稱"完全能量轉換":ton時儲存在變壓器中的所有能量在反激周期(toff)中都轉移到輸出端.2.電感電流連續模式CCM(ContinuousInductorCurrentMode)或稱"不完全能量轉換":儲存在變壓器中的一部分能量在toff末保留到下一個ton周期的開始.DCM和CCM在小信號傳遞函數方面是极不相同的,其波形如圖

7、3.實際上,當變換器輸入電壓VIN在一個較大範圍內發生變化,或是負載電流IL在較大範圍內變化時,必然跨越著兩種工作方式.因此返馳式轉換器要求在DCM/CCM都能穩定工作.但在設計上是比較困難的.通常我們可以以DCM/CCM臨界狀態作設計基準.,並配以電流模式控制PWM.此法可有效解決DCM時之各種問題,但在CCM時無消除電路固有的不穩定問題.可用調節控制環增益編離低頻段和降低瞬態響應速度來解決CCM時因傳遞函數"右半平面零點"引起的不穩定.11241824432/12LiscOct.IModeBoundaryILowVINtt(a)(a)IF

8、ullLoadIHighVINtt(b)(b)(Ⅰ)DCMWaveforms(Ⅱ)CCMWaveforms圖33DCM/CCMDCM/CCM原副邊電流波形圖在穩定狀