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反激变换器不同工作模式时的稳态分析与设计

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标签: 电源

电源

反激变换器不同工作模式时的稳态分析与设计

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反激变换器不同工½模式时的稳态分析与设计
!
张兰红
!
陈道炼
"
(盐城工学院 电气工程系,
江苏 盐城
江苏 南京
""#$$%
&
南京航空航天大学 自动化学院,
"
"!$$!’
要:
分析了反激变换器在电感电流连续模式
(()
) 临界连续模式、
断续模式
*()
时的
稳态原理,
得出
*()
(()
模式反激变换器分别具有类似于电流源和电压源外特性的结论。
比较了
(()
*()
模式反激变换器的工½情况,
指出根据负½½选择工½模式的方法。详细
地介绍了反激变换器中储½式变压器的设计方法,
进行了反激变换器原理样机的设计与试
验,
试验结果与理论分析一致。
关键词:
反激变换器;工½模式;外特性;稳态分析
中图分类号:
+)#"%
文献标识码:
,
文章编号:
!’-! . /%"" "$$"
. $$$/ . $#
$#
$
"
%
"
$
!
! .
%
8
&
:
"
8
%
;
#
!9
7
"
!
"
(
!
8
%
式中
$
!
—变压器原边绕组匝数;
"
5
7
$
"
—变压器副边绕组匝数;
—变换器开关周期;
%
—开关管
3
的占空比,
7
5<
) ’
%
&
:
—输出功率;
反激变换器具有电路拓扑简洁,
输出与输入
电气隔离,
输入电压范围½,
可多组输出,
成本½,
可靠性高等优点,
广泛应用于中小功率变换场合。
反激变换器具有电感电流连续
(()
) 临界连续
与断续
*()
) 种工½模式。反激变换器中隔离
%
变压器兼½储½电感用,
设计较为困难。本文在
对反激变换器不同工½模式原理进行分析的基础
上比较了它们的工½情况,
总结出反激变换器中
电路参数的设计方法,
详细地介绍了储½式变压
器的设计方法,
设计并研制了开关频率为
%$$ 012
的反激变换器原理样机。
!
"
!
—变换效率。
此时
*()
模式,
"
3
截止期间已下降到零,
!
"
8"
%
"
!
%
"
:
7
"
(
!
#
:
"
8
"
&
:
#
7
%
#
!9
7
"
!
(
!
8
%
临界连续模式介于电流连续模式和电流断续模式
之间,
输出电压和输出电流同时满足式
!
) (
%
( 和
因此临界连续输出电流
#
=
"
!
’ $
!
$
!
"
8"
"
!
5<
!
%
! .
%
7
#
=
7
"
(
!
$
"
"
(
!
"
:
式中
5<
—开关
3
导通时间。
#
=>?@
/
!
反激变换器稳态原理特性
反激变换器电路拓扑,
如图
!
所示。它由储
½式变压器
+
开关管
3
整流二极管
*
和滤波电
(
4
组成。根据电感电流是否连续可将反激变
换器分成电感电流连续模式
(()
) 临界连续模
式与断续模式
*()
。不同模式时电感电流波
½,
如图
"
所示。
副边电感电流
!
"
在开关管
3
截止
(()
模式,
期间未下降到零,
输出电压
"
5
及输入电流峰值
#
!6
!
½
½占空比
%
7 $
*
/
时临界连续电流达到最大值
!
收稿日期:
"$$" . $# . !"
½者简介:
张兰红
!O’PQ
)女,
, 江苏盐城人,
盐城工学院讲师,
南京航空航天大学在职博士研究生,
研究方向为功率
变换技术、
微机应用等。
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" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ""
"
式中
)
5*-7
—临界连续时输出功率;
(
—开关频率。
输出功率最大时处于临界连续状态,
’#$
模式,
电感量
!
!
最大应为
"
)
,
"
6*"+
!
!"#$
!
反激变换器电路拓扑
%"&’(") )*+*,*#- *. .,-/0’1 ’*234&)4&
#
-(
$
68(
!
#
-(
$
68(
!
(
(
!:
,
!
!
,
(
"
5*"+
#
5
(
)
5*"+
因此,
相同输出功率时,
’#$
模式比
##$
模式电
感量小得多,
储½变压器½积也要小得多。
比较式
(
)(
1
( 和
可知,
"
储½式变压器损耗:
电流峰值大,
电流有效值相对要大
’#$
模式下,
一些,
因此线圈的铜耗要大一些。
’#$
模式下,
铁耗也要大一些,
因为此时铁心工½于第
#
类工
½状态,
电流峰值大,
*
较大;
##$
模式铁心工
!
½于第
$
类工½状态,
*
较小。
!
’#$
模式变
%
副边整流二极管的工½环境:
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,
没有由于二极管反向恢复引起的
3
振铃现象和由此引起的无线电干扰问题;
##$
式时,
则存在整流二极管的反向恢复问题。
由反激变换器外特性曲线可知,
变换
&
应用:
器工½于
’#$
模式,
由负½½变化引起的占空比调
节范围很大,
½调节困难,
因此
’#$
模式一般用
于负½½变化很小且输出功率小的场合;
如果负½½
变化很大,
选择完全工½在
##$
模式, (
9
按式
算的电感量很大,
此时为了减小电感½积,
让变换
器在小电流时工½于电流断续模式,
较大电流时
工½于电流连续模式。
"
##$
模式
(
!"#$
(
%
临界连续模式
&
’#$
模式
电感
!
!
!
(
的电流波½
5034 .*&67 *. "28(’)02’4
!
!
028
!
(
#
-
$ %
!
!
"
)*"+
,
.
!
!
%
(
( 得
将式
/
( 代入式
0
"
)
, 1
"
)*"+
&
! 2
&
由式
4
/
’#$
模式时
( 、 得
/
%
( (
#
-
.
&
%
!
#
5
根据式
!
3
.
( 、 、 可绘出反激变换器外特
( (
"
5
, 1
"
)*"+
性曲线,
如图
4
所示。曲线
为临界连续模式外
特性; 左边的曲线为
’#$
模式外特性,
此时变
换器存在很高的非线½内阻,
具有类似于电流源
的特性; 右边的曲线为
##$
模式外特性,
此时
输出电压与输出电流的大小无关,
具有类似于电
压源的特性。
(
反激变换器电路参数的设计
(;!
储½式变压器的设计
( ; ! ; !
铁芯型号的确定
由电磁感应定律,
铁芯几½截面积
+
&*
(
#
-
$
68
< !:
.
!
*%
!
,
#
式中,
*
—铁芯磁感应强度变化量;
!
+
,
,
#
—铁填充系数,
4
!"#$
4
反激变换器外特性
!!
设原边绕组
%
!
占铁芯窗口面积的一半,
铁芯窗口面积
-
&*
(
(
"
!
%
!
,
.
式中,
—窗口利用系数;
,
.
—导线电流密度。
-
,
!(
9:4 *()+() ’:0&0’)4&"7)"’ *. .,-/0’1 ’*234&)4&
反激变换器不同模式工½情况比较如下:
输出电流很小时
##$
模式,
!
储½变压器:
也有一 个 临 界 连 续 状 态, 临 界 连 续 电 流
"
)
,
由式
得电感量
!
!
最小应为
"
6*-7
, (
0
(
)
6
$
68
(
(
#
-(
$
68(
!
#
-(
$
68(
!
因此
+-
,
9
,
!
!
,
(
"
5*-7
#
5
(
)
5*-7
!
* ,
#
,
.
!
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反激变换器不同工½模式时的稳态分析与设计
9
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$ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $$
$
设计时,
根据指标要求的
!
!
!"
、 及预取
"
!
可得
&’
值,
再通过查阅产品
#
#
!
、、
%
值,
# $
!
手册即可选取合适的铁芯型号。½应注意,
不同
工½模式
!
%
的取法不同。
##$
模式,
若取电流
临界连续时输出功率
!
!%&’
(
(!
!
设铁芯工½磁
感应强度为
%
!
%
( )
(%
)
½
此时铁芯工½于
副边绕组峰
原边绕组峰值电流由式
)
( 确定,
值电流及原副边电流有效值分别为
1
)=
(
1
+
(
1
)
1
/
+
*
1
!
)
+-
0
)
+=
0 1
)
-
1
+=
1
!
+
*
)
)=
)+
+
)
1
>
!
+
))
"
类工½状态,
最大磁感应强度
%
%
(
%
*
!
% )
)
) (
%
+ *
(
) 因此
!
%
( )
(%
%
+ *
(
,#$
式,
变压器铁心工½于第
#
类工½状态,
%
(
%
%
!
-
%
.
.
为剩½ 磁 感 应 强 度。由 于 铁 芯 单 向 磁
%
饱和磁感
化,
两种模式下
%
%
均可取
/
*
0 1 /
*
2
应强度
%
3
)
*
+
*
)
绕组计算
由于变压器同时½储½电感用,
设计时,
要注
意: 电感电流中存在较大的直流分量,
因而铁芯
$
中也存在较大的直流偏磁量,
为避免铁芯饱和,
须采取措½,
一般采用在铁芯上加气隙的方法。
须满足所要求的电感量。
%
设计绕组时,
根据式
4
)(
++
##$
模式中,
( 和
,
)
"
!")
-
.
+
&
#
!
%
6 +/
- 2
&
(
+
+
(
!
(
)
!
5%&’
!
)
!
5%&’
.
+)
&
#
-2
"
5
#
6 +/
式中
&
#
—铁芯有效截面积
8%
)
#
—铁芯所开气隙长度
8%
其值为
7 6 +/
- 9
: ; %
&
"
5
—磁导率,
由于
!
%
( )
(%
所以
+7
+
)
1
) (
)>
>
!
)
原边绕组峰值电流由式
7
( 决定,
,#$
模式时,
-
1
)=
1
!
)
*
边绕组峰值电流及原副边电流有效值分别为
1
)=
(
/
+)
1
+=
1
+
(
)7
)<
"
(
+ -
0
1
"
"
"
1
)
+=
0
>
1
)
)=
)0
1
)
(
+ -
0
>
根据
&
(
1 ) $
可得原副边导线截面积,
再选择合
适的导线线径。至此,
应再根据导线匝数和线径
对铁芯窗口系数进行校核,
以保证线圈½绕得下。
)
*
)
其它电路元器件的选择
功率开关管
3
上承受的电压应力为
.
+
,
.
)
3
电流应力等于原边绕组峰值电流。
,
,3
(
,
+
*
整流二极管
,
承受的电压应力为
.
)
,
*
,
5
.
+ &
电流应力等于副边绕组峰值电流。
,
,
(
输出滤波电容为
)2
)9
"
5
!
5
"
#
(
)
( &
#
%
)
6 +/
- 2
!
同理
,#$
模式中
)
!
5
"
5
"
#
(
)
-2
!
&
#
!
%
6 +/
原边绕组匝数为
+
+
#
6 +/
2
.
+
(
"
5
&
#
根据式
+
)原副边绕组匝比为
( ,
+<
<
"
)4
2
#5
?
式中
#
—输出电压纹波与输出电压之比;
4
#
5
?
—负½½电阻。
+0
>
原理样机的设计与试验
+9
对 基 于 电 流 控 制 型
@#,
箝 ½
##$
模 式、
,#$
模式反激变换器稳压电源原理样机分别进
行了设计。两种稳压电源的技术指标分别为:
+2
入电压:
1 >) A,#
输出电压
>
组:
+< A + B /
+2
*
C
- +< A / B ) C
* < A / B 7 C
) 输出电压纹
工½频率:
( >// E:F
最大占
波:
DD
( +</ %A
-
6
+4
)/
空比:
%GH
( / B 0
效率:
0
##$
模式反激变换器
!
(
9<I
,#$
模式
!
( 9/I
设计时,
##$
模式取临界连续输出功率
!
!%&’
( +
)
0
!
!
, 取
JK))
½ ½ 铁 芯, 隙
#
"
.
+
0 ,
&
(
.
)
+ -
0 ,
5
由式
+9
+2
( 、 可得副边绕组匝数。
原副边磁化电流分别为
##$
模式,
/
+)
(
1
+
(
"
,
2
"
+
+ !"
,
+ -
0
"
5
1
!
)
(
.
) )
+
( )
+
.
+
原副边绕组匝数分别为
4
、 、 、 ,
/
*
+) %%
) < <
选用
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! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !!
!
直径
!
!
"# $$
的导线多股绕制而成,
功率管和副
边整流二极 管 分 别 选 用
%&’(#! )!! * + ), -
.&(!/ /! * + ( -
) 滤波电容取
)!!
!
+ #( *
½电
容。
012
模式, 用
34)5
½ ½ 铁 芯, 隙
!
原副边绕组匝数分别为
(
、 、 、 ;
! 6)7 $$
) # #
导线
线径、
功率管及滤波电容的选取与
112
模式相
同。
相同 输 出 功 率 时 变 压 器 原 副 边 电 流 波 ½,
( ( 所示,
112
模式如图
, 8
9
012
模式如图
, :
;
所示。可见
012
模式原副边峰值电流均高于
(
!"#$
(
不同模式时反激变换器效率曲线
2"15 +"44-&-*1 /6-&(1"/* ’/+-,
75- -44"."-*.) .0&3- /4 15- 48)9(.: ./*3-&1-&
两种模式下的效
112
模式。输入电压为
"< *
时,
率曲线如图
(
所示,
112
模式效率要高于
012
式。这和前面比较工½情况时得出的结论一致。
,
结语
工½于
012
112
模式的反激变换器分别
8
112
模式
"
)
9
112
模式
"
"
具有类似于电流源和电压源的外特性,
两种模式
各有优缺点,
012
模式相比,
112
模式储½变
压器½积较大,
且存在原边功率管开通时副边整
流二极管的反向恢复问题,
½它具有较高的变换
效率。一般根据负½½情况选取合适的工½模式:
小功率且负½½变化很小的场合选用
012
模式,
½½变化较大的场合选用
112
模式。
设计反激变换器时,
由于变压器兼½储½电
感用,
因此必须同时符合变压器和电感设计要求,
设计时还应注意由于
012
112
模式铁心的工
½状态不一样及两种模式下绕组中电流不一样所
带来的设计过程的区别。
:
012
模式
"
)
,
!"#$
,
;
012
模式
"
"
两种工½模式下变压器原副边电流波½
%&"’(&) (*+ ,-./*+(&) .0&&-*1 2(3- 4/&’,
/4 1&(*,4/&’-& 2"15 12/ /6-&(1"/* ’/+-,
参考文献:
)
½张兰红
6
基于电流控制技术反激
01 + 01
变换器研究
0
½南京:
6
南京航空航天大学,
6
"!!)
"
½丁道宏
6
电力电子技术
2
½北京:
6
航空工业出版社,
6
)77(
;1-(+) (*(8),", (*+ +-,"#* /4 15- 48)9(.: ./*3-&1-&
2"15 +"44-&-*1 /6-&(1"/* ’/+-,
=>-?3 @8A B CDAE
)
1>F? 08DGHI8A
"
) 6 0JK8LM$JAM DN FHJ:MLI: FAEIAJJLIAE DN O8A:CJAE %APMIMQMJ DN RJ:CADHDES
TI8AEPQ O8A:CJAE "",!!#
1CIA8
6 1DHHJEJ DN -QMD$8MIDA
"
FAEIAJJLIAE
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1CIA8
<9,1&(.1
MCIP K8KJL
%A
PMJ8;S KLIA:IKHJP DN NHS98:X :DAVJLMJL YIMC IA;Q:M8A:J :DAMIAQDQP :QLLJAM $D;J
:LIMI:8H :DAMIAQDQP $D;J 8A;
;IP:DAMIAQDQP $D;J 8LJ 8A8HSZJ;
MCJ :DA:HQPIDA MC8M NHS98:X :DAVJLMJL YIMC 012 8A; 112 LJPKJ:MIVJHS C8P 8 PI$IH8L DQMKQM :C8L8:MJLIPG
MI: DN :QLLJAM PQKKHS 8A; VDHM8EJ PDQL:J IP ;L8YA6 [JLNDL$8A:J DN NHS98:X :DAVJLMJL YIMC 012 8A; 112 IP :D$K8LJ;
$JMCD;P DN PJHJ:MIAE
DKJL8MIDA $D;JP 8::DL;IAE MD MCJ HD8; 8LJ KDIAMJ; DQM6 0JPIEA $JMCD;P DN MCJ JAJLES PMDL8EJ ML8APNDL$JL 8LJ K8LMI:QH8LHS KLJPJAMJ;6 [LDMDG
MSKJP DN NHS98:X :DAVJLMJL 8LJ ;JPIEAJ; 8A; J\KJLI$JAMP 8LJ $8;J6 F\KJLI$JAM8H LJPQHMP PCDY 8ELJJ$JAM YIMC MCJ 8A8HSPIP6
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NHS98:X :DAVJLMJL
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PMJ8;S 8A8HSPIP
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齐分享!!!2015年国赛D题
最近几天可能又要到全国大学生电子竞赛的时候了,可能最近不少同学都在练习往年的赛题,我遇到好几个同学都在问我请教15年电赛D题。今天我趁着有点时间,我把我的所有文档分享给大家,大家可以借鉴下,但是不要从事商业用途,尤其是在某宝上,后果本人不负责,在这里发表只是给大家参考。当初在某宝上有人出1000块买我所有的方案和仿真结果,最后我直接送给他了。所以我毫无保留的公布出来,希望大家不要那别人的成果去从事
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keil又现奇葩问题
本帖最后由 白丁 于 2014-6-20 23:19 编辑 说说昨天遇到的奇葩问题,用的5.11版本 LPC1549就是之前论坛恩智浦的活动那块板子 将LPCopen的文件夹放在如下位置 E:\ARM\NXP\LPC1549\lpcopen_2_08c_keil_iar_nxp_lpcxpresso_1549 这里没有中文路径,两个需要编译的库也已经编好了,具体步骤参见@蓝雨夜 的这个
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