不連續(xù)模式反激變換器的基本原理和電路設(shè)計
1.介紹
反激變換器拓?fù)湓?W到 150W的小功率場合中得到廣泛的應(yīng)用。這個拓?fù)涞闹匾獌?yōu)點是在變換器的輸出端不需要濾波電感,從而節(jié)約了成本,減小了體積。在以往一些中文參考資料的敘述中,由于同時涉及電路和磁路的設(shè)計,容易造成設(shè)計過程中的混亂,反激變換器電路本身的一些特性卻沒有得到應(yīng)有的體現(xiàn)。在文獻(xiàn)【1】中,介紹了反激變換器的基本工作原理,對不連續(xù)模式反激變換器的設(shè)計過程,各參數(shù)之間的決定關(guān)系作了簡練而準(zhǔn)確的描述。由于電路設(shè)計和磁路設(shè)計分別介紹,對讀者掌握反激變換器的設(shè)計有很好的幫助。磁路設(shè)計在本文中不涉及,可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。
2.不連續(xù)模式反激變換器的基本原理
反激變換器在開關(guān)管導(dǎo)通期間,變壓器儲能,負(fù)載電流由輸出濾波電容提供。在開關(guān)管關(guān)斷期間,儲存在變壓器中的能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載,提供負(fù)載電流,同時給輸出濾波電容充電,并補(bǔ)償開關(guān)管導(dǎo)通期間損失的能量。
圖1a是反激變換器的基本拓?fù)?。圖中有兩個輸出電路,一個主輸出和一個從輸出。負(fù)反饋閉合環(huán)路采樣主輸出電壓Vom。Vom的采樣值與參考值比較,輸出的誤差信號放大信號控制Q1的導(dǎo)通時間脈沖,使得Vom的采樣值在電網(wǎng)和負(fù)載變化時等于參考電壓,從而穩(wěn)定輸出電壓。從輸出跟隨主輸出得到相應(yīng)的調(diào)節(jié)。
電路的工作過程如下:當(dāng)Q1導(dǎo)通,所有線圈的同名端(帶·)相對于非同名端(不帶·)是負(fù)極性。輸出整流二極管D1和D2反向偏置,輸出負(fù)載電流由輸出濾波電容C1和C2提供。
在Q1導(dǎo)通期間,Np上施加了一個固定的電壓(Vdc-1)(這里假設(shè)開關(guān)管的導(dǎo)通壓降是1V),并且流過以斜率dI/dt=(Vdc-1)Lp線性上升的電流,這里L(fēng)p是原邊的磁化電感。在導(dǎo)通時間的最后,原邊電流上升到Ip=(Vdc-1)Ton/Lp。這個電流代表電感上儲存的能量為
這里E單位焦耳,Lp單位亨,Ip單位安培
當(dāng)Q1關(guān)斷,磁性電感上的電流強(qiáng)制使所有線圈上的極性反向。假設(shè)這時沒有從次級繞組,只有主次級繞組,由于電感中的電流不能瞬時改變,在關(guān)斷的瞬時,原邊電流轉(zhuǎn)換到次級,幅值為Is=Ip(Np/Nm)。
經(jīng)過幾個周期以后,次級DC電壓Vom已經(jīng)建立。隨著Q1關(guān)斷,Nm上的同名端為正極性,電流從同名端流出,并且線性地下降(圖1c),斜率為 dIs/dt=Vom/Ls,其中Ls是次級電感。如果次級電流在下一個導(dǎo)通時間之前下降到0,則儲存在原邊電感的能量全部釋放到負(fù)載,稱這個電路工作于不連續(xù)模式。輸入功率表示為在Q1一個導(dǎo)通時間T釋放的能量E,那么在這個周期的最后,從Vdc吸收的功率為
另由于Ip=(Vdc-1)Ton/Lp,那么
從(2b)式可以看出,只要保持VdcTon的積為常數(shù),則反饋環(huán)保持輸出電壓為常數(shù)。
3.輸出電壓和輸入電壓,導(dǎo)通時間,負(fù)載的關(guān)系
若變換器的效率為80%,則
從(2b)式可以看出,最大導(dǎo)通時間
發(fā)生在最小供電電壓,所以
那么,
即
這樣當(dāng)Vdc或Ro上升時,反饋環(huán)會通過減小Ton來調(diào)節(jié)輸出。Vdc或Ro下降時,則增加Ton。
4.電路設(shè)計的流程和各參數(shù)之間的決定關(guān)系
4.1確定原邊/副邊匝數(shù)比
在正確的設(shè)計流程中,有很多參數(shù)需要確定,首先是選擇原邊/主副邊匝數(shù)比Np/Nsm。這個參數(shù)決定了在功率開關(guān)管上的最大關(guān)斷電壓應(yīng)力
(不考慮漏感尖峰)。忽略漏感尖峰,在最大DC輸入和1V整流壓降下,最大開關(guān)電壓應(yīng)力是
假設(shè)漏感尖峰為0.3Vdc,在保證開關(guān)管相關(guān)參數(shù)(Vceo,Vcer或Vcev)的最大額定值有大于30%的安全裕量下,
的選擇應(yīng)盡可能低。4.2確保磁心不飽和,電路保持不連續(xù)模式
為了保證磁心不會偏離磁滯環(huán)路,導(dǎo)通伏-秒積(圖1d中的A1)必須等于復(fù)位伏-秒積(圖1d中的A2)。假設(shè)Q1導(dǎo)通壓降和D2正向?qū)▔航稻?V,
這里Tr是復(fù)位時間,也是次級電流需要的回復(fù)到0的時間,參看圖1c。
為了保證電路工作于不連續(xù)模式,設(shè)置死區(qū)時間(圖1c中Tdt),以便最大導(dǎo)通時間
(在Vdc最小時發(fā)生)加上復(fù)位時間Tr時只有整個周期的80%。留出0.2T的裕量應(yīng)付Ro的意外下降,因為根據(jù)(3)式,如果Ro減小,反饋環(huán)會增加Ton以保持Vo為常數(shù)。
由于誤差放大器設(shè)計在不連續(xù)時可以保持環(huán)路穩(wěn)定,如果電路間歇性地入連續(xù)模式,將會發(fā)生振蕩。振蕩發(fā)生的過程如下,DC負(fù)載電流的增
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