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[分享] 漫谈反激变换器

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纯净的硅(中级)

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发表于 2019-1-29 16:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
一.我们先来认识一下反激变换器
1.反激基本电路:
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2.工作原理:
变压器的一次和二次绕组的极性相反,这大概也是Flyback名字的由来:
a.当开关管导通时,变压器原边电感电流开始上升,此时由于次级同名端的关系,输出二极管截止,变压器储存能量,负载由输出电容提供能量。
b.当开关管截止时,变压器原边电感感应电压反向,此时输出二极管导通,变压器中的能量经由输出二极管向负载供电,同时对电容充电,补充刚刚损失的能量。

3.反激电路的演变:
可以看作是隔离的Buck/Boost电路:   
2.png

4.在反激电路中,输出变压器T除了实现电隔离和电压匹配之外,还有储存能量的作用,前者是变压器的属性,后者是电感的属性,因此有人称其为电感变压器,有时我也叫他异步电感。

二.Flyback的工作模式:
1.DCM(discontinuous current mode)&CCM(continuous current mode)
根据次级电流是否有降到零,反激可以分为DCM和CCM两种工作模式。两种模式有其各自的特点。下面两种工作模式时的波形(理想波形)。
3.png
反激变换器工作在CCM下的各个波形
4.png
反激变换器工作在DCM下的各个波形

3.工作模式:
1)电压电流波形
2)用电感变压器模型来标示工作工作过程;也可以原副边分开讨论,用电压源来代替中间的转换。
5.png
6.png
7.png
8.png
9.png
10.png
4.波形震荡的来源:
1)开关管关断时的震荡来源于漏感;
2)断续时的震荡,主要原边电感了,因没有了反射电压嵌位。我们可以把反射电压当作一个电压源.
11.png
5.实际不理想时开关管所承受的电压是什么样的那?
12.png

a. (1)开关管电压分为几部分:

Vds=VDC+VRo(N*Vo)+Vlk

b. (2)VDC没有什么好解释的;VRo是因原边开关管关断副边二极管导通,输出电压通过变压器反映到原边的电压(N*Vo);除了变压器制约住的电压还有制约不住的漏感电压Vlk,既然是漏感电压,当然和变压器的漏感有关系了。这个电压是我们讨厌的!

c. (3)如果来限制漏感电压那?RCD吸收钳位电路,利用电容吸收,靠二极管钳位,通过电阻把漏感能量消耗掉。设计的原则是让RCD能够消耗掉漏感能量,发挥该有的作用,但又不能过猛成为原边一个吃激磁电感能量负载。

6. 变压器 ,电压电流波形,二极管反向恢复:
1)反激的变压器与其说是变压器莫如说是电感,但我们又不能否认它是变压器;
2)变压器都会存在或多或少的漏感,相对于原边变存在,相对于复边亦存在;
3)电压波形的两处震荡:
a.CCM模式时,只有开关管关断时,由于漏感引起的震荡(Lk和C);
b.DCM模式时,还有副边电流为零,原边电感失去NVo嵌位,引起震荡(Lm和C);
c.所有的震荡,甚至包含功率转换的基本开关,都是EMI的来源;
5)同时,我们知道二极管存在反向恢复问题:
a.CCM模式,会有该问题;
b.DCM模式,因电流已将到零了,所以基本不存在这个问题;
13.png
三.再谈Vds:
Vds=VDC+VRo(n*Vo)+Vlk;

这个公式我再谈两点:

a.如果还考虑到副边整流管的压降,应该是n*(Vo+VDsec);因VDsoec很小,忽略了,前提是n不大时。

b.在我们设计时,输入电压和输出电压是定下来,我们无能为力,但是匝比是我们自己设计的。有时候,我们为了迁就选择标准的管子,我们电压偏高时,就要来轻微的调整匝比来满足我们的设计。

四. 再谈一下断续和连续的问题:
1. 原副边的制约关系:
a. Uo=D/(1-D)Vin 这是Flyback的电压制约公式,这里没有负载参数,说明理论上输出电压不受负载影响,这个最经常出现的公式只是在CCM下成立的奥。
b. 如果在DCM模式下,原边与副边靠的功率守恒来制约,这样输出电压的公式为:
Vo=VinTon*Sqrt(R0/2TLp) 输出电压与负载大小有关系,电压与负载成反比,因此原则上开环不能空载运行的哈,不要忘了呀。

2. 断续和连续的真实波形是怎样的那?
其实反激真是很神奇的一个拓扑,简单而又十分高深;对于最基本的问题,我也是了解了其中的30%而已。小功率机种Flybck真是最佳选择,多小那?在LLC没有被人们掌握好之前,200W都有用的,现在75W以上的人们开始考虑用LLC了,效率却是做得更好。

3. 在开关管关断时有来源于漏感的震荡;在转入DCM时也有震荡,但这个震荡是主电感在震荡了。我有时根据这个震荡来判断你是DCM还是CCM,这是我自己所采用的方法,不知道对不对哈。

五.再谈Flyback的变压器
1.在反激电路中,输出变压器T除了实现电隔离和电压匹配之外,还有储存能量的作用,前者是变压器的属性,后者是电感的属性,因此有人称其为电感变压器,有时我也叫他异步电感。

2.Flyback电路没有输出滤波电感,或者更准确的说反激可以没有输出滤波电感,用蔡明的话来讲,这是为什么那?我得理解是因第一条,实际上在电流回路中已经有了电感了,所以可以不在有;

3.Flyback的变压器要存储能量,这不是变压器的属性,这是电感的属性;

变压器要存储能量,所以变压器一般要开气息;有的朋友可能对我前面的话不理解,存储能量和气息有什么关系那?是因一旦开了气息,能量主要保存在气息中。
六.
14.png
七.
反激变换器的基本原理和特征聊完了;
该聊聊具体的术了:
先聊变压器,我的水平聊这个东东,有些难度呀:
浅浅的聊聊吧:
匝比,感量(以连续和断续的临界模式为例):
1.我在前边在分析开关管关断电压时,谈过要关心匝比对此的影响,你结合希望的D定下来一个合适的匝比哈;匝比定下,就是N了,这个不多讲了。
2.变压器感量怎么确定求取那?
先推到公式:
a.求D:
D=N*Vo/(Vin+N*vo) 搞定D;
b.还得搞定一个Ipeak这个东西,峰值电流:
利用功率守恒这个法宝吧:
Ipeak*(1-Krp/2)*D=(Pin=(Po/K))/Vin;Ipeak搞定;
这里边有个这东西Krp,在这里等于1了,这个东西是一显得很专业的东西,其实没有什么玄机了。一个很简单的东西,有时要搞得复杂,呵呵;
c.求原边感量:
先来回忆你很熟悉很熟悉的两个公式:
E=N*di fan/dt 就是那个公式了,我就不仔细编辑了哈,电磁感应定律你懂的;
还有一个你更懂得,电感公式E=Ldi/dt ;好了哈,联立了:
15.png
3.原边感量, 你都已经知道了,副边的感量就自然知道了;

八.接着上边已有的成果,我们来看看原边的电流哈:
(有很多名称的,我也搞不很清楚,呵呵)
1.平均电流:Iave=(Pin=(Po/K))/Vin;
2.峰值电流:Ipeak=Iave/(1-Krp/2)D
3.电流Ripple: 三角I=Ipeal*Krp;
以上很好理解吧,我就不解释了;
4.电流有效值:
16.png

6.副边的电流大家自己推。

九.开关频率fs:
(1)开关频率fs=1/(ton+toff):
ton=I_P*L/Vin;toff=I_P*L/(N*Vo);
(2)更精细的计算应该加上VDS的上升和下降时间:
t_Lleak=Cp*VDS/I_P;t_w=pi*sqrt(Cp*Lp);
fs=1/(ton+toff+t_Lleak+t_w)

十.我们再谈谈Flyback变压器开气息的目的:
先看图,我发现图是最直接的展现形式,不信,您看:
17.png
1.产生所需的感量;
2.避免磁芯饱和;
H-----I ,呵呵

十一.关于电流我想再唠叨两句:
给大家一个图形哈,图形最直观;
大家对平均值,峰值,等一看图形就知道了:
18.png
电路的损耗和什么相关那?有效值;
我解释一下,有效值的最基本概念(初中):
定义:时变量的瞬时值在给定时间间隔内的均方根值;
怎么算?:需要大学里学的积分了,把瞬时值表达出来,根据定义进行运算积分求得。
有效值是根据电流热效应来规定的,让一个交流电流和一个直流电流分别通过阻值相同的电阻,如果在相同时间内产生的热量相等,那么就把这一直流电的数值叫做这一交流电的有效值。

来源:网络转载,如涉及版权,请联系删除。

此帖出自电源技术论坛


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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-2-18 14:21 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享,通俗易懂

高能立方  ACDC电源模块 



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一粒金砂(初级)

Rank: 1

发表于 2019-2-27 01:16 | 显示全部楼层
谢谢楼主分享。


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