Flyback正激有源箝位变换器设计.doc

1、9第 1 章 Flyback 正激变换器的工作原理1.1 引言有隔离变换器的 DC/DC 变换器按照铁芯磁化方式，可分为双端变换器(全桥、半桥、推挽等)和单端变换器(正激式、反激式等)。和双端变换器比较，单端变换器线路简单、无功率管共导通问题、也不存在高频变换器单向偏磁和瞬间饱和问题，但由于高频变换器只工作在磁滞回线一侧，利用率低。因此，它只适用于中小功率输出场合。单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。单端正激变换器拓

2、扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。当今，节能和环保已成为全球对耗能设备的基本要求。所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项重要指标。而传统的单端正激拓扑，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷：变压器体积大，损耗大；开关器件电压应力高，开关损耗大 ；dv/dt 和di/dt 大等。为了克服这些缺陷，提出了有源钳位正激变换器拓扑，从根本上改变了单端正激变换器的运行特性，并且能够实现零电压软开关工作模式，从而大量地减少

3、了开关器件和变压器的功耗，降低了 dv/dt和 di/dt，改善了电磁兼容性。因此，有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用。本章主要介绍 Flyback 型有源箝位正激变换器的稳态工作原理与电路设计。101.2 Flyback 型有源箝位正激变换器稳态工作原理有源箝位正激变换器由有源箝位支路和功率输出电路组成。有源箝位支路由箝位开关和箝位电容串联组成，并联在主开关或变压器原边绕组两端。利用箝位电容及开关管的输出电容与变压器绕组的激磁电感谐振，创造主开关和箝位开关的 ZVS 工作条件，并在主开关关断期间，利用箝位电容的电压限制主开关两端的电压基本保持不变，从而避免了主开关过大的电压应力；另一

4、方面，在正激变换器中采用有源箝位技术还可实现变压器铁芯的自动磁复位，并可以使激磁电流沿正负两个方向流动，使其工作在双向对称磁化状态，提高了铁芯的利用率。为方便论述，我们将第一章中的有源箝位正激变换器原理图再画在这里，如图 1-1 所示。图 1-1 （a）Flyback 箝位电路箝位开关 T2与主功率开关 T1的驱动信号互补，有变压器原边绕组伏秒积平衡原理可知，图 2-1(a)电路箝位电压为：(1-1)icUd式中 占空比d式(1-1)与 Flyback 变换器相似，称之为单端反激式 Flyback 箝位 5(简称Flyback 箝位)。UiCcT1T2D1D2 CfLfRL11图 1-1 (b

5、) Boost 箝位电路图 1-1(b)电路箝位电压为：(1-2)icUd1式(2-2)与 Boost 变换器相似，称之为升压式 Boost 箝位(简称 Boost 箝位)。这两种箝位电路工作原理基本相同，只是回馈到输入电源中的电流谐波不同。本文主要以 Flyback 箝位电路为研究对象，但其研究结论同样适用于 Boost箝位电路。为简化分析过程，特作如下假定：(1)电路中的电感、电容、二极管均为理想元器件；(2)输出滤波电感足够大，以至于可将其等效为一恒流源Io；(3)将变压器等效为激磁电感 Lm 与一理想变压器原边并联，忽略其漏感；(4)主开关 T1 只考虑其寄生输出电容 Cds 忽略其他

6、寄生参数；(5)对箝位开关T2，只考虑寄生反并联二极管 Ds2，忽略其他寄生参数。根据以上假设，可得到图 1-2 所示的等效原理图。图 1-2 有源箝位正激变换器等效原理图Fig.1-2 Equivalent schematic diagram of the active clamp forward converter在图 1-1(a)中，当输出电感 Lf工作在电流连续(CCM)模式时，该有源箝位正激变换器主要变量的稳态工作波形如图 1-3 所示。下面分七个阶段分析UiT2T1D1D2LfCf RLCcUiCcD1D2LfCf RLLmT1T2Cds12其工作过程。(1) t0 t1：向负边传

7、输能量阶段t=t0时刻使 T1导通，T 2处于关断阶段，则 D1导通，变压器原边向负边传输能量，同时激磁电感 Lm上的电流以斜率 Ui/Lm线性上升。等效电路如图1.4(a)所示。(2) t1 t2： Cds充电阶段t=t1时，T 1被关断，激磁电流 iLm与变压器原边电流 I o/N(N 为变压器变比)同时对 Cds充电。由于变压器原边电流远远大于激磁电流，电容 Cds主要由原边电流 Io/N 充电，可近似认为其端电压 uds(也即主开关 T1 漏源间的电压)线性上升如图 1-4(b)所示。(3) t2 t3：D 2续流阶段t=t2时， uds Ui，D 1关断，D 2续流。又由于 Cds很

8、小，充电时间 t12=t2-t1很短，可近似认为激磁电感电流 Im1在这段时间内维持不变，在等效电路1-4(c)中简化为电流值为 Im1的电流源， Im1为 t1时刻激磁电感的电流值，如图 1-3 所示。图 1-3 带 Flyback 箝位电路的有源箝位正激变换器的原理波形Fig.1-3 Schematic waveforms of the active clamp forward converter with flyback clamp(4) t3 t4， Lm与 Cds谐振阶段t2时刻以后，变压器不再向负载传送能量，原边电流下降为 0， Lm与 Cds串联谐振，等效电路如图 1-4(d)所

9、示。 ILm与 uds的本阶段的变化规律为：Ugs T1 T2imUc Uc UcUc/LmicimUiUds Ui+Uct1t0 t2 t3 t4 t5 t6 t7 1 2tttt13(1-3)tIimLcos1(1-4)Uuidsin其中 。I Lm 从 Im1 开始下降，u ds 从 Ui 继续上升，当 t=t4 时，dsC1uds Ui+Uc，D s2 导通，U c 为箝位电容 Cc 的箝位电压。(5) t4t 5，L m 与 Cc 谐振阶段Ds2导通之后, Lm与 Cds， Cc共同谐振。由于 Cc远远大于 Cds (实际上两者往往相差几个数量级)，为简化分析，可忽略 Cds的作用，

10、近似认为 Lm与 Cc谐振，等效电路如图 1-4(e)所示， iLm下降。在这一阶段使箝位开关 T2导通，由于 Ds2已经导通，T 2实现了零电压开启。T 2的导通为 iLm提供了负向流通通道， iLm变负以后铁芯工作在磁化曲线的第三象限，使变压器的磁通得以恢复，这一过程即为磁通复位过程。本阶段由于箝位电路的工作使主开关 T1的漏源两端电压 uds箝位在 Ui Uc。 t4时刻 T2被关断。(a) 阶段 1 (b) 阶段 2 (c) 阶段 3 (d) 阶段 4 (e) 阶段 5 (f) 阶段 6 UiUi UiUiUiUiUcUcUcUcUcUcD1D1D1D1D1D2 D2D2 D2D2D1

11、D2Io IoIo IoIo IoCds CdsCds CdsCds CdsN1 N2N1 N2N1 N2 N1 N2N1 N2 N1 N2T1 T1T2 T2T1 T1T2T1T2T1 T2T1 T1T1 T1T1 T2T1 14(g) 阶段 7图 1-4 变换器工作的七个阶段Fig.1-4 Seven operation stages of the concerter (6) t5 t6， Lm与 Cds再谐振阶段T2关断以后激磁电感 Lm与 Cds再次串联谐振，其等效电路与阶段(3)相同，如图 1-4(f)所示，但由于处始条件不同，其变化规律也不同：(1-5)tLItUumcids si

12、nos2(1-6)IdcmL2Im2为 t5时刻 iLm的值， Im20.5，进一步增强了其性能和工程使用价值，适用于宽输入电源电压场合。(2) 有源箝位正激变换器实质上是零电压转换 PWM 变换器，兼有谐振技术与传统 PWM 技术两者之优点。(3) 提供了变换器箝位电容 Cc、驱动信号延迟时间 、 等关键电路参12数与其它参数间的定量关系。第 2 章 系统设计本章详细讨论了 1KVA Flyback 型有源箝位正激变换器系统的设计。进行了主功率电路参数的设计与选取，给出了控制电路及保护电路的实现。2.1 变换器主要技术指标输入电压：18V32 V 直流输入；输出电压：100V 直流输出；输出

13、功率：平均输出功率 1KAV；效 率： 90%；保护功能：输入过压与欠压保护，输出过压与欠压保护，功率管过压与过流保护。2.2 主功率电路设计2.2.1 主功率变压器的设计(1) 占空比和变压器变比的确定 由式（1-12） 可得变压器的原副边匝数比为)(maxinioV1047.10328由式（1-9）可得出最大占空比为：由6.)(47.maxD式（1-11）知其对应的电压应力为：18VVds 50)64.1(.07最小占空比为 ，其对应的电压应力也为 50V，而正常工作时所3minD对应的占空比为 D=0.462，对应的电压应力为： 。46.7ds(2) 变压器原、副边电感的设计计算电感时，在工程是通常有以下的近似条件（2-1）22max1)5.0(21dsqoVCnIiL励磁电感和最大励磁电流有以下关系（2-2）maxiDT在本设计中， ，根据以上两式可以计算出实现零电压开关的pfCq410变压器最大电感值为uhLm43.2ax由 可得，变压器的次级绕组电感：21N1.2(3) 磁芯的选取 根据功率选择磁芯1%90WPi 铁芯窗口面积 W 与其有效截面积 之积 AP=W 。cAc当考虑绕组线圈所占面积应于窗口面积相等，而实际占有率为 35%时，AP 值可由下式表示（2-3）143.9.fBKPAPmic