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此培训资料来源于德州仪器(TI)和中国电源学会(世纪电源网
)合作举办的“TI 现场培训”课程,世纪电源网同意在 TI 网站上分
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1
第三单元 反激变换器的拓扑结构
1. 基本反激变换器2. 三绕组吸收反激变换器3. RCD吸收反激变换器4. 其它吸收反激变换器5. 二极管吸收双反激变换器6. 反激DC-DC变换器总结
2
1. 基本反激变换器
3
结论:因漏感能量引起主管上的高电压尖峰,不能正常工作,见下面分析。
1:原理图
gV oVgI oI
C R
D1
S
pN sN
4
1):电路图
2):与Buckboost变换器的关系
-- 是Buckboost变换器的隔离版本;-- 该隔离变压器实际上是一个耦合电感,在 时,与
Buckboost变换器相同,但输出电压极性相反;-- 由于实际的耦合电感是非理想的,其原副边均有一个漏
感,所以基本反激变换器是不能工作的,原因见下面:
sp NN =
2: 基本反激变换器不能工作的原因
gV oVgI oI
C R
D1
S
pN sN
5
3):基本反激变换器的等效电路—仅考虑原边的漏感
-- 每一个开关周期内,开关S导通时,二极管D截止,激磁电感Lm和漏感Lp被充电,储存能量,在开关 S截止、二极管D导通时,激磁电感上储存的能量通过变压器被传递到输出,但漏感上的能量没有传递而突然降为零,这个突变,可造成开关S两端过压,损坏S。因此这个电路是不能正常工作的。
C R
D1
S
gV gI
mL
mipN sN
oVoI
Lp
6
4):基本反激变换器的等效电路—考虑变压器原边的漏和S的寄生电容
ossp CL /情况A:特性阻抗 较大时,可能会使开关S过压
mi
Lmv
t
t
t
gsv
sDT
sT
oNv
t
mi
1mi
1moss
si
CL
´
gv
og Nvv +
当漏感较大,寄生电容较小时,开关S在截止时,两端会有很高的尖峰电压,可影响电路的效率或正常工作。
ossC
C R
D1
S
gV gI
mL
mipN sN
oVoI
Lp
7
例子:已知:
uHLp 1=
VVo 12= AIo 10=
采用基本反激变换器,功率器件选用:IRFBC40,其参数为:
为满足器件上的稳态电压,选变压器的匝比:
VVDSS 600= W= 2.1)(onDSR AID 2.6= pFCoss 160=
可得稳态工作占空比:
VNVVV ogDS 550=+=(稳态)
h)1( DN
DVV
go
-= 286.0=D
ADN
Ii
om 17.1
)286.01(5.1210
)23.0
1()1(
)2
1(1 =-
+=-
+=l
VVg 400= 94.0=h
5.1212/400550 =-= )(N
由:
所以原边激磁电感上的峰值电流为:
如变压器的漏感为: 则开关S上的峰值电压:
ViCL
NVVV moss
pogDS 6421 =´++=(峰值) 将因过压而损坏S:
8
4):基本反激变换器的等效电路—考虑变压器的漏感和S的寄生电容
mi
Lmv
t
t
t
gsv
sDT
sT
oNv
t
mi
1mi
1moss
si
CL
´
gv
og Nvv +
ossp CL /情况B:特性阻抗 较小时,可减小S上的电压
ossC
C R
D1
S
gV gI
mL
mipN sN
oVoI
Lp
9
例子同前:
uHLp 15.0=如变压器的漏感为: 则开关S上的峰值电压:
ViCL
NVVV moss
pogDS 5861 =´++=(峰值) 开关S可满足电压要求:
但显然,这样大小的漏感在实际中是实现不了的,为此必须外加一个吸收电路,来减小开关S上的尖峰电压。
uHLp 1=如变压器的漏感仍为: ,而在开关S两端外并一个电容使等效电容为: pFCoss 1056=
开关S可满足电压要求:
则开关S上的峰值电压:
ViCL
NVVV moss
pogDS 5861 =´++=(峰值)
但这样大小的电容在本例子中将产生很大的容性开通损耗,按100KHz的开关频率计算,其容性开通损耗为:
WfVCP sdsosscapon 1621 2
)( == 所以仅并大电容也不是解决办法
10
5):基本反激变换器能正常工作的前提
-- 必须加一个吸收电路,来保证开关S的电压尽小;-- 吸收电路的损耗尽量小;-- 吸收电路越简单越好。
下面介绍的各种反激变换器,便是加吸收后最常用的电路。
吸收电路C R
D1
S
gV gI
mLmi
pN sN
oVoI
Lp
11
2. 三绕组吸收反激变换器
12
1:原理图
C R
D1
Dc S
gV gI oVoI
pN sNcN
13
1):吸收原理
dsv
Lmv
t
t
t
gsv
sDT
sT
gv
oNv-
gv2og Nvv +
pc NN =
外加一个第三绕组 和二极管 :cN
当: 时
-- 三绕组吸收电路在基本反激变换器上增加了一条吸收支路,该吸收支路由第三绕组和吸收二极管组成,为了箝位变压器原边漏感能量在开关S断开瞬间所引起的电压尖峰,一般取 且和原边双股并绕。漏感能量在这种吸收中,部分被传递到输入电容,故它的吸收损耗是很小的。
cD
,有: 5.0max
14
2):实际的三绕组吸收单反激变换器—考虑所有寄生参数
考虑变压器的漏感和开关S 的寄生电容后,在开关S上的电压波形会有一系列的振荡,第一个振荡尖峰电压的幅度最大,由漏感、负载电流及原边激磁电感决定,一般要尽量减小原副边的漏感,来使其最小。满载时,此尖峰电压高,当它超过2Vg时,会被吸收支路箝位到2Vg 。
dsv
Lmv
t
t
t
gsv
sDT
sT
gv
oNv-
gv2og Nvv +
C R
D1
Dc S
gV gI oVoI
pN sNcN
pL
mi
ossC
mL
15
3):三绕组吸收单反激变换器的稳态关系
go VDN
DV
)1( -= )5.00(
16
4):三绕组吸收单反激变换器的变压器电压波形
Nc = Np
Vgmin
-NVoDmaxTs
DminTs
Vgmax
Vg=Vgmin, D=Dmax
Vg=Vgmax, D=Dmin
Ts
Ts
=伏秒平衡方程:
-NVo
C R
D1
Dc S
gV gI oVoI
pN sNcN mi
mL
17
5):三绕组吸收单反激变换器的典型应用场合
-- 多用在小功率的AC/DC和DC/DC电源中;-- 大功率开关电源的辅助电源。
18
3. RCD吸收反激变换器
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1:原理图
C R
D1
S
gV gI
pN sN
oVoI
cCRc
Dc
C R
D1
S
gV gI
pN sN
oVoI
cC
Rc
Dc
(a)
(b)
20
1):吸收原理图
外加 、 、 三个元件构成吸收电路cR
-- 吸收电路与激磁电感、漏感、开关S构成一个Buckboost电路(如下页);-- 如设计参数保证:(1):吸收电容上的电压纹波很小;
(2):吸收电容的电压大于NVo。-- 上述条件下的波形如右上方,吸收电路的参数设计可由实验确定。
cC cD
dsv
Lmv
t
t
t
gsv
sDT
sT
gv
oNv-
cg vv +og Nvv +
2: 工作原理,特征与应用
gV gI oVoI
pN sNmL
micV
cCC R
D1
S
Rc
Dc Lp
Coss
21
im cCgV
DcS
Rc cV
cI
mL
Lp
R
2):RCD吸收时的等效电路
Dci
Lpv
t
t
t
gsv
sDT
sT
gmP
pV
LLL+
)( oc NVV --
1t
t
dsv cg VV +og NVV +
1mi
Rcic
c
s
mTD
sR
RV
Tti
dttiT
is
cc =´
== ò 2)(1 11
0
1
1
1
1
1 ti
Lti
Lti
LNVVm
pm
pm
poc ´=-
´-=D
-=-
oc
mp
NVViL
t-
=1
1
c
c
soc
mp
RV
TNVViL
=- 2
121
smp
c
occf
iLR
NVVV2
)( 21=
-
MOSFET结电容忽略下的波形
用此关系,可先要求一个Vc,求出Rc,然后在实验中优化吸收电路的参数。
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3):RCD吸收单反激变换器的稳态关系
go VDN
DV
)1-=
()0( maxDD
og IDN
DI
)1( -=
oIDN )1(
1Im
-=
有设计决定
C R
VoD1
Np Ns
Vg
S
CcRc
Dc
Lm
imVc
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4):RCD吸收单反激变换器的变压器电压波形
C R
VoD1
Np Ns
Vg
S
CcRc
Dc
Lm
imVc
Vgmin
-NVoDmaxTs
DminTs
Vgmax
Vg=Vgmin, D=Dmax
Vg=Vgmax, D=Dmin
Ts
Ts
=伏秒平衡方程:
-NVo
24
5):RCD吸收单反激变换器的典型应用场合
-- 多用在小功率的AC/DC和DC/DC电源中;-- 大功率开关电源的辅助电源。
25
4. 其它吸收反激变换器
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1:原理图
C R
D1
S
gV gI
pN sN
oVoIcC
Sc
C R
D1
S
gV gI
pN sN
oVoI
cC Sc(a) (b)
有源吸收反激变换器
C R
D1
S
gV gI
pN sN
oVoI
cC
Lc
Dc1
Dc2
LCD吸收反激变换器
这两种吸收的反激变换器,因应用不多,不再展开。
27
5. 二极管吸收双反激变换器
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1:原理图
C R
D1
S2
gV gI
oVoI
pN sN
S1
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1):吸收原理
21 dsds vv +
Lmv
t
t
t
gsv
sDT
sT
gv
oNv-
gv2og Nvv +
采用双管后,可以提高变换器的效率,从而输出更大的功率。图中用两个二极管构成吸收,其原理与单反激变换器中的三绕组吸收类似,但不需要第三绕组。开关S1和S2的电压应力比单管时小一半,其它均与三绕组吸收单反激变换器类似。
2: 工作原理,特征与应用
pL
mi
1cD
C R
D1
S2
gV gI
oVoIpN sN
S1
2cD
1ossC
2ossC
mL
30
2):二极管吸收双反激变换器的稳态关系
go VDN
DV
)1( -= )5.00(
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3):二极管吸收双反激变换器的变压器电压波形
Nc = Np
Vgmin
-NVoDmaxTs
DminTs
Vgmax
Vg=Vgmin, D=Dmax
Vg=Vgmax, D=Dmin
Ts
Ts
=伏秒平衡方程:
-NVo
pL
mi
1cD
C R
D1
S2
gV gI
oVoIpN sN
S1
2cD
1ossC
2ossC
mL
32
4):二极管吸收双反激变换器的典型应用场合
-- 目前应用还不多。
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6. 反激DC-DC变换器总结
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一般复杂一般小于2Vg大于0.5LCD吸收单反激
较不可靠复杂一般小于2Vg大于0.5有源吸收单反激
可靠简单一般小于2Vg大于0.5RCD吸收单反激
可靠简单2Vg /单反激Vg/双反激
小于0.5三绕组吸收单反激或二极管吸收双反激
可靠性复杂性有源开关的电压峰值可工作的最大占空比
变换器名称