不连续模式反激变换器的基本原理和电路设计

作者：时间：2013-05-19来源：网络收藏

1．介绍
　　反激变换器拓扑在5W到 150W的小功率场合中得到广泛的应用。这个拓扑的重要优点是在变换器的输出端不需要滤波电感，从而节约了成本，减小了体积。在以往一些中文参考资料的叙述中，由于同时涉及电路和磁路的设计，容易造成设计过程中的混乱，反激变换器电路本身的一些特性却没有得到应有的体现。在文献【1】中，介绍了反激变换器的基本工作原理，对不连续模式反激变换器的设计过程，各参数之间的决定关系作了简练而准确的描述。由于电路设计和磁路设计分别介绍，对读者掌握反激变换器的设计有很好的帮助。磁路设计在本文中不涉及，可以参考相关文献。

2．不连续模式反激变换器的基本原理
　　反激变换器在开关管导通期间，变压器储能，负载电流由输出滤波电容提供。在开关管关断期间，储存在变压器中的能量转换到负载，提供负载电流，同时给输出滤波电容充电，并补偿开关管导通期间损失的能量。
　　图1a是反激变换器的基本拓扑。图中有两个输出电路，一个主输出和一个从输出。负反馈闭合环路采样主输出电压Vom。Vom的采样值与参考值比较，输出的误差信号放大信号控制Q1的导通时间脉冲，使得Vom的采样值在电网和负载变化时等于参考电压，从而稳定输出电压。从输出跟随主输出得到相应的调节。
　　电路的工作过程如下：当Q1导通，所有线圈的同名端（带·）相对于非同名端（不带·）是负极性。输出整流二极管D1和D2反向偏置，输出负载电流由输出滤波电容C1和C2提供。
　　在Q1导通期间，Np上施加了一个固定的电压(Vdc-1)（这里假设开关管的导通压降是1V），并且流过以斜率dI/dt=(Vdc-1)Lp线性上升的电流，这里Lp是原边的磁化电感。在导通时间的最后，原边电流上升到Ip=(Vdc-1)Ton/Lp。这个电流代表电感上储存的能量为

（1）

这里E单位焦耳，Lp单位亨，Ip单位安培
　　当Q1关断，磁性电感上的电流强制使所有线圈上的极性反向。假设这时没有从次级绕组，只有主次级绕组，由于电感中的电流不能瞬时改变，在关断的瞬时，原边电流转换到次级，幅值为Is＝Ip（Np/Nm）。
　　经过几个周期以后，次级DC电压Vom已经建立。随着Q1关断，Nm上的同名端为正极性，电流从同名端流出，并且线性地下降（图1c），斜率为 dIs/dt=Vom/Ls,其中Ls是次级电感。如果次级电流在下一个导通时间之前下降到0，则储存在原边电感的能量全部释放到负载，称这个电路工作于不连续模式。输入功率表示为在Q1一个导通时间T释放的能量E，那么在这个周期的最后，从Vdc吸收的功率为

　　另由于Ip=(Vdc-1)Ton/Lp，那么

　　从（2b）式可以看出，只要保持VdcTon的积为常数，则反馈环保持输出电压为常数。

图1 不连续模式反激变换器。（当Q1导通，所有整流二极管反向偏置，输出电流由输出电容提供。Np相当于一个纯电感，负载电流在Np中线性地建立直到峰值Ip。当Q1关断，原边储存的能量

释放到副边，提供负载电流，并补充电容在Q1导通期间损失的能量。如果电流在下一个导通周期开始之前到达0，电路就是不连续的）

3．输出电压和输入电压，导通时间，负载的关系
　　若变换器的效率为80％，则

　　从（2b）式可以看出，最大导通时间

发生在最小供电电压，所以

那么，

即

　　这样当Vdc或Ro上升时，反馈环会通过减小Ton来调节输出。Vdc或Ro下降时，则增加Ton。

4．电路设计的流程和各参数之间的决定关系

4.1确定原边/副边匝数比
　　在正确的设计流程中，有很多参数需要确定，首先是选择原边/主副边匝数比Np/Nsm。这个参数决定了在功率开关管上的最大关断电压应力