1、跟我学系列之四反激电源及变压器的设计 原 精 加入收藏 字号:+ - 1 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-12 00:02【原创】跟我学系列之一,CCM 模式 APFC 电路设计【原创】跟我学系列之二,元器件降额使用参考【原创】跟我学系列之三,常用于 APFC 的软开关 BOOST 电路的分析与仿真反激,反激才是王道!说实话,开这个话题,我犹豫了很久因为关于反激的话题论坛里讨论了很多很多,这个话题已经被讨论的非常透彻了关于反激电源的参数设计也有多篇文章总结 还有热心的网友,根据计算过程,自己编写了软件或电子表格把计算做的傻瓜化 但我也注意到,几乎每天都会出现关于反激设计过程出现
2、问题而求助的帖子,所以,思量再三,我决定还是再一次提出这个话题!我不知道我是否能写出一些有新意的东西,但我会尽力去写好不期望能入高手的法眼,但愿能给入门者一些帮助回复 1 帖2 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-12 00:35纵观电源市场,没有哪一个拓扑能像反激电路那么普及,可见反激电源在电源设计中具有不可替代的地位说句不算夸张的话,把反激电源设计彻底搞透了,哪怕其他的拓扑一点不懂,在职场上找个月薪 10K 的工作也不是什么难事 回复 2 帖61 帖 renjiwei2006 排长 1142010-08-17 14:18真的啊!这下放心了,说明电源行业的前景还是可以的呵呵回复
3、61 帖504 帖 320bapi 排长 145六 2010-09-21 16:56跟着大师的脚印走回复 504 帖3 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-12 02:19先列提纲1,反激电路是由 buck-boost 拓扑演变而来,先分析一下 buck-boost 电路的工作过程工作时序说明:t0 时刻,Q1 开通,那么 D1 承受反向电压截止,电感电流在输入电压作用下线性上升t1 时刻,Q1 关断,由于电感电流不能突变,所以,电感电流通过 D1,向 C1 充电并在 C1 两端电压作用下,电流下降t2 时刻,Q1 开通,开始一个新的周期从上面的波形图中,我们可以看到,在整个工作周
4、期中,电感 L1 的电流都没有到零所以,这个工作模式是电流连续的 CCM 模式,又叫做能量不完全转移模式 因为电感中的储能没有完全释放从工作过程我们也可以知道,这个拓扑能量传递的方式是,在 MOS 管开通时,向电感中储存能量,MOS 管关断时,电感向输出电容释放能量MOS 管不直接向负载传递能量整个能量传递过程是先储存再释放的过程 整个电路的输出能力,取决于电感的储存能力我们还要注意到,根据电流流动的方向,可以判断出,在输入输出共地的情况下,输出的电压是负电压MOS 管开通时,电感 L1 承受的是输入电压,MOS 关断时,电感 L1 承受的是输出电压那么,在稳态时,电路要保证电感不进入饱和,必
5、定要保证电感承受的正向和反向的伏秒积的平衡那么:Vin(t1-t0)=Vout(t2-t1),假如整个工作周期为 T,占空比为 D,那么就是:VinD=Vout(1-D)那么输出电压和占空比的关系就是:Vout=VinD/(1-D)同时,我们注意看 MOS 管和二极管 D1 的电压应力,都是 Vin+Vout另外,因为是 CCM 模式,所以从电流波形上可以看出来,二极管存在反向恢复问题MOS 开通时有电流尖峰回复 3 帖12 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-12 14:28上面的工作模式是电流连续的 CCM 模式在原图的基础上,把电感量降低为 80uH,其他参数不变,仿真看稳态
6、的波形如下:t0 时刻,Q1 开通,那么 D1 承受反向电压截止,电感电流在输入电压作用下从 0 开始线性上升t1 时刻,Q1 关断,由于电感电流不能突变,所以,电感电流通过 D1,向 C1 充电并在 C1 两端电压作用下,电流下降t2 时刻,电感电流和二极管电流降到零D1 截止,MOS 的结电容和电感开始发生谐振 所以可以看见 MOS 的 Vds 电压出现周期性的振荡t3 时刻,Q1 再次开通,进入一个新的周期在这个工作模式中,因为电感电流会到零,所以是电流不连续的 DCM 模式有叫做能量完全转移模式,因为电感中储存的能量完全转移到了输出端而二极管因为也工作在 DCM 状态,所以没有反向恢复
7、的问题 但是我们应该注意到,DCM 模式的二极管电感和 MOS 漏极的峰值电流是大于上面的 CCM 模式的另外需要注意的是在 DCM 下的伏秒积的平衡是:Vin(t1-t0)=Vout(t2-t1)回复 12 帖31 帖 lvyuanpu 排长 1502010-08-14 10:12不好意思,请问您在这一张图片中,D1 的电压应力为什么和 Vds 同步了啊FET 导通的时候,Vds 好像是小的,D1 的电压应力大D1 导通的时候相反,请指教回复 31 帖33 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-14 11:34你很细心!呵呵,只是个波形的正反问题就好象示波器的探头和夹子如果反过来,
8、那么波形就倒过来你注意看图的右边,看波形具体的定义是什么有的波形是两个点相减出来的看波形图也要配合这原理图来看的当 MOS 开通的时候,二极管 D1 承受着反压,是一个负的电压MOS 关断的时候,二极管导通,正向压降很低回复 33 帖38 帖 lvyuanpu 排长 1502010-08-14 12:50了解,还是我不够细心啊,呵呵图上显示的是个负值,谢谢您不过还有个疑问想请教您一下,你在这张图片下面的解释中提到“二极管因为工作在 DCM 状态,所以没有反向恢复的问题”二极管的反向恢复貌似是因为加了反向电压后,产生反向电流,进而造成了“噪音”即使二极管工作在 DCM 状态下,应该也会存在这个问
9、题不知是不是我理解错误了,劳烦指教,呵呵回复 38 帖47 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-16 12:12二极管的反向恢复,和其工作时 PN 结的载流子的运动有关系DCM 时,因为二极管已经没有电流流过了,内部载流子已经完成了复合过程 所以不存在反向回复问题 会有一点点反向电流 ,不过那是结电容造成的建议你深入了解一下二极管的反向恢复的机理回复 47 帖55 帖 lvyuanpu 排长 1502010-08-16 21:23不好意思,我对您的说法有点误解您的意思应该是“断续情况下,二极管的反向漏电流肯定能恢复到零”而“连续状态下,可能会出现二极管一直正向导通的情况,无法起到开
10、关的作用”回复 55 帖56 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-16 21:28不是啊反向恢复电流和反向漏电流是两码事只要存在反向电压,就存在反向漏电流连续状态下,二极管不会一直正向导通,承受反压的时候,也会关断的但是在由正偏导通到负偏关断过程中,有个反向恢复过程,这个过程中存在比较大的反向恢复电流再次重申,和反向漏电流是两码事建议你仔细了解一下快恢复二极管的反向恢复是怎么回事回复 56 帖46 帖 ibmg74 工兵 262010-08-15 10:47期待楼主更精彩的内容! 回复 46 帖59 帖 machi518 排长 1722010-08-16 22:52MARK回复 5
11、9 帖224 帖 hfstray 工兵 152010-08-25 18:45厉害的楼主回复 224 帖13 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-12 16:10在 CCM 和 DCM 模式有个过渡的状态,叫 CRM,就是临界模式这个模式就是电感电流刚好降到零的时候,MOS 开通 这个方式就是 DCM 向 CCM 过渡的临界模式CCM 在轻载的时候,会进入 DCM 模式的CRM 模式可以避免二极管的反向恢复问题同时也能避免深度 DCM 时,电流峰值很大的缺点 要保持电路一直工作在 CRM 模式,需要用变频的控制方式我们还注意到,在 DCM 模式,电感电流降到零以后,电感会和 MOS
12、的结电容谐振,给 MOS 结电容放电那么,是不是可以有种工作方式是当 MOS 结电容放电到最低点的时候,MOS 开通进入下一个周期,这样就可以降低 MOS 开通的损耗了答案是肯定的 这种方式就叫做准谐振,QR 方式也是需要变频控制的不管是 PWM 模式,CRM 模式,QR 模式,现在都有丰富的控制 IC 可以提供用来设计回复 13 帖15 帖 13551289398 班长 922010-08-12 18:13一定来看看回复 15 帖28 帖 taokaisheng 班长 942010-08-13 20:12我看了您的图上的驱动 mos 管那块,pwm 波的正负接到 mos 管的 G S 两端,
13、那按照我的驱动电路的话(我用的 3842),我应该怎么把 pwm 波的负极接到 s 脚上呢? 回复 28 帖29 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-13 23:38先把我的帖子看完再问问题! 回复 29 帖48 帖 282280072 工兵 392010-08-16 12:57来学习了 回复 48 帖4 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-12 02:202,那么我们常说,反激 flyback 电路是从 buck-boost 电路演变而来,究竟是如何从 buck-boost 拓扑演变出反激 flyback 拓扑的呢?请看下面的图:这是基本的 buck-boost 拓扑
14、结构下面我们把 MOS 管和二极管的位置改变一下,都挪到下面来 变成如下的电路结构这个电路和上面的电路是完全等效的接下来,我们把这个电路,从 AB 两点断开,然后在断开的地方接入一个变压器,得到下图:为什么变压器要接在这个地方?因为 buck-boost 电路中,电感上承受的双向伏秒积是相等的,不会导致变压器累积偏磁我们注意到,变压器的初级和基本拓扑中的电感是并联关系,那么可以将变压器的励磁电感和这个电感合二为一另外,把变压器次级输出调整一下,以适应阅读习惯得到下图:这就是最典型的隔离 flyback 电路了由于变压器的工作过程是先储存能量后释放,而不是仅仅担负传递能量的角色故而这个变压器的本
15、质是个耦合电感 采用这个耦合电感来传递能量,不仅可以实现输入与输出的隔离,同时也实现了电压的变换,而不是仅仅靠占空比来调节电压由于此耦合电感并非理想器件,所以存在漏感,而实际线路中也会存在杂散电感当 MOS 关断时,漏感和杂散电感中的能量会在 MOS 的漏极产生很高的电压尖峰,从而会导致器件的损坏故而,我们必须对漏感能量进行处理,最常见的就是增加一个 RCD 吸收电路 用 C 来暂存漏感能量,用 R 来耗散之回复 4 帖17 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-13 03:02下面先让我们仿真一下反激 flyback 电路的工作过程在使用耦合电感仿真的时候,我们需要知道 saber
16、 中,耦合电感怎么用简单的办法,就是选择一个理想的线性变压器,然后设置其电感量来仿真还有一个办法,就是利用耦合电感 K 这个模型来仿真 感兴趣的 ,可以先看一下这个帖子:SABER 中耦合电感的运用下图是我们用来仿真的电路图,为了让大家能看到元件参数的设置,我把所有元件的关键参数都显示出来了还有,因为仿真的需要,我把输入和输出共地,实际电路当然是隔离的细心的朋友可能会注意到,变压器的初级电感量是 202uH,参与耦合的却只有 200uH,那么有 2uH 是漏感次级是 50uH,没有漏感变压器的电感比是 200:50,那么意味着变压器的匝比 NP/NS=2:1设定瞬态扫描,时间 10ms,步长
17、10ns,看看稳态时的波形吧:下面先简单叙述其工作原理:t0 时刻,MOS 开通变压器初级电流在输入电压的作用下 ,线性上升,上升速率为 Vin/l1变压器初级电压感应到次级,整流二极管反向截止二极管承受反压为 Vin/(NP/NS)+Voutt1 时刻,MOS 关断 变压器初级电流被强制关断 我们知道电感电流是不能突变的 ,而现在 MOS 要强制关断初级电流,那么初级电感就会在 MOS关断过程中,在初级侧产生一个感应电动势根据电磁感应定律,我们知道,这个感应电动势在原理图中是下正上负的这个感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级,由于次级的同名端和初级是反的所以次级的感应电动势是上正下负 当次级
18、的感应电动势达到输出电压时,次级整流二极管导通 初级电感在 MOS 开通时储存的能量 ,通过磁芯耦合到次级电感,然后通过次级线圈释放到次级输出电容中在向输出电容中转移能量的过程中,由于次级输出电容容量很大,电压基本不变,所以次级电压被箝位在输出电压 Vout,那么因为磁芯绕组电压是按匝数的比例关系,所以此时初级侧的电压也被箝位在 Vout/(NS/NP),这里为了简化分析,我们忽略了二极管的正向导通压降现在我们引入一个非常重要的概念,反射电压 Vf反射电压 Vf 就是次级绕组在向次级整流后的输出电容转移能量时,把次级输出电压按照初次级绕组的匝数比关系反射到初级侧绕组的电压,数值为:Vf=(Vo
19、ut+Vd)/(N S/NP),式中,Vd 是二极管的正向导通压降在本例中,Vout 约为 20V,Vd约为 1V,NP/NS=2,那么反射电压约为 42V从波形图上可以证实这一点 那么我们从原理图上可以知道,此时 MOS 的承受的电压为 Vin+Vf也有朋友注意到了,在 MOS 关断的时候,Vds 的波形显示,MOS 上的电压远超过 Vin+Vf!这是怎么回事呢?这是因为,我们的这个例子中,变压器的初级有漏感 漏感的能量是不会通过磁芯耦合到次级的 那么 MOS 关断过程中,漏感电流也是不能突变的漏感的电流变化也会产生感应电动势,这个感应电动势因为无法被次级耦合而箝位,电压会冲的很高那么为了避
20、免 MOS 被电压击穿而损坏,所以我们在初级侧加了一个 RCD 吸收缓冲电路,把漏感能量先储存在电容里,然后通过 R 消耗掉当然,这个 R 不仅消耗漏感能量 因为在 MOS 关断时,所有绕组都共享磁芯中储存的能量其实,留意看看,初级配上 RCD 吸收电路,和次级整流滤波后带一个电阻负载,电路结构完全是相同的故而初级侧这时候也像一个输出绕组似的,只不过输出的电压是 Vf,那么 Vf 也会在 RCD 吸收回路的 R 上产生功率因此,初级侧的 RCD 吸收回路的 R 不要取值太小,以避免 Vf 在其上消耗过多的能量而降低效率t3 时刻,MOS 再次开通,开始下一个周期那么现在有一个问题在一个工组周期
21、中 ,我们看到,初级电感电流随着 MOS 的关断是被强制关断的 在 MOS 关断期间,初级电感电流为 0,电流是不连续的 那么 ,是不是我们的这个电路是工作在 DCM 状态的呢?非也非也,在 flyback 电路中,CCM 和 DCM 的判断,不是按照初级电流是否连续来判断的而是根据初 次级的电流合成来判断的只要初 次级电流不同是为零,就是 CCM 模式而如果存在初 次级电流同时为零的状态 ,就是 DCM 模式介于二者之间的就是 CRM 过渡模式所以根据这个我们从波形图中可以看到,当 MOS 开通时,次级电流还没有降到零而 MOS 开通时,初级电流并不是从零开始上升,故而,这个例子中的电路是工
22、作在 CCM 模式的我们说过,CCM 模式是能量不完全转移的也就是说,储存在磁芯中的能量是没有完全释放的 但进入稳态后,每周期 MOS 开通时新增储存能量是完全释放到次级的否则磁芯会饱和的 回复 17 帖20 帖 13551289398 班长 922010-08-13 12:13真不容易回复 20 帖22 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-13 14:54flyback 这是上面这个仿真的文件回复 22 帖40 帖 ludet 班长 642010-08-14 12:54楼主,你用的哪个仿真软件?saber?inspice?知道的也可作答 回复 40 帖41 帖 ludet 班长
23、642010-08-14 12:56刚知道了,是 saber 回复 41 帖42 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-14 12:57saber2007,论坛的软件版可以下载 回复 42 帖87 帖 kevin04021101 班长 572010-08-18 15:57又一次看到您的大作,真的是获益匪浅,赞美之情无需多言只是,提一个建议您在文中指出 RCD 吸收网络中 R 的取值不能太小,我有点异议 我觉得准确的说应该是 R 的功率容量不能太小 否则频率较高时,可能会造成 RCD 中的 C 放电不完全 顺便问一下,RCD 中 D 的工作原理回复 87 帖88 帖 让你记得我的好旅长
24、 20452010-08-18 16:10呵呵,你说的也没有错其实, 大和小,只是一个相对概念我下面有写 RCD 怎么计算,请看一下,给点意见 回复 88 帖51 帖 ludet 班长 642010-08-16 19:34LZ 给看一下,为什么我一仿真成这样子 回复 51 帖52 帖 ludet 班长 642010-08-16 19:35别的图也是这样,真打击人 回复 52 帖53 帖 gaohq 排长 1782010-08-16 20:10文件保存路径不能有中文你的路径是 G:/下载/新建文件夹/flyback.把你的文件保存在 G:/flyback回复 53 帖54 帖 让你记得我的好旅长
25、 20452010-08-16 20:11saber 好像不支持中文目录的 回复 54 帖57 帖 ludet 班长 642010-08-16 21:29谢谢,感动,我从昨天一直弄到今天,一照你说的试了一下,看到了,感谢谢 LZ,回复 57 帖58 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-16 21:40呵呵,常来参加讨论哦!也要谢谢上面的 gaohq 同学!回复 58 帖23 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-13 15:44在上面的电路中,如果我们增大输出负载的阻值,降低输出电流,可以是电路工作模式进入到 DCM 状态为了使输出电压保持不变,MOS 的驱动占空比要降低
26、一点其他参数保持不变 同样,设定瞬态扫描,时间 10ms,步长 10ns,看看稳态时的波形吧:t0 时刻,MOS 开通,初级电流线性上升t1 时刻,MOS 关断,初级感应电动势耦合到次级向输出电容转移能量漏感在 MOS 上产生电压尖峰 输出电压通过绕组耦合,按照匝比关系反射到初级 这些和 CCM 模式时是一样的 这一状态维持到 t2 时刻结束t2 时刻,次级二极管电流,也就是次级电感电流降到了零这意味着磁芯中的能量已经完全释放了 那么因为二级管电流降到了零,二极管也就自动截止了,次级相当于开路状态,输出电压不再反射回初级了由于此时 MOS 的 Vds 电压高于输入电压,所以在电压差的作用下,M
27、OS 的结电容和初级电感发生谐振谐振电流给 MOS 的结电容放电 Vds 电压开始下降,经过 1/4 之一个谐振周期后又开始上升由于 RCD 箝位电路的存在,这个振荡是个阻尼振荡,幅度越来越小t2 到 t3 时刻,变压器是不向输出电容输送能量的输出完全靠输出的储能电容来维持t3 时刻,MOS 再次开通,由于这之前磁芯能量已经完全释放,电感电流为零所以初级的电流是从零开始上升的回复 23 帖24 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-13 15:53从 CCM 模式和 DCM 模式的波形中我们可以看到二者波形的区别:1,变压器初级电流,CCM 模式是梯形波,而 DCM 模式是三角波2,
28、次级整流管电流波形,CCM 模式是梯形波,DCM 模式是三角波3,MOS 的 Vds 波形,CCM 模式,在下一个周期开通前,Vds 一直维持在 Vin+Vf 的平台上而 DCM 模式,在下一个周期开通前,Vds 会从Vin+Vf 这个平台降下来发生阻尼振荡所以,只要有示波器,我们就可以很容易从波形上看出来反激电源是工作在 CCM 还是 DCM 状态回复 24 帖45 帖 13551289398 班长 922010-08-14 20:20输出轻载时有阻尼振荡回复 45 帖126 帖 jinkuicui 班长 702010-08-20 16:28楼主您好 您说的 :变压器初级电流 ,CCM 模式
29、是梯形波,而 DCM 模式是三角波 我想问您一下:CCM 模式是梯形波,不就相当于该电流发生了跃变吗?回复 126 帖127 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-20 16:33嗯,但对反激电源来说,所谓的连续不连续,不是看某个绕组的电流其实质,其实是看磁芯的磁通变化是否连续所以初级电流虽然是梯形波,但是实质磁通并没有突变你想想看为什么?有疑问我们继续讨论回复 127 帖128 帖 jinkuicui 班长 702010-08-20 16:56谢谢您的解释,磁通没跃变,这我能理解,但感觉还是对电流的变化,还是有点迷糊,期待楼主您的解释! 回复 128 帖129 帖 让你记得我的好旅
30、长 20452010-08-20 16:58你先不要看反激这块你先看看我上面那个 BUCK-boost 的电路和波形 再想想和 flyback 这部分的区别和相同的地方 回复 129 帖133 帖 jinkuicui 班长 702010-08-20 19:16谢谢楼主,真没想到您回复的这么快感谢您的指导!之前的 BUST-BOOST 电路,我一路看过来的,感觉懂了,可能没细想看到 CCM 和 DCM 的比较,突然卡了壳,因为临近下班,没系统的来考虑这个问题我仔细想了想,现在基本明白了有一点,还是没想明白:CCM 模式,MOS 管关断时,初级回路固然是没电流了,但由于 Uf 的存在,初级线圈中应
31、该一直有电流(RCD 的存在),该电流一直维持到 t3 时刻,初级电流再持续上升所以我觉得初级电流不应该是梯形,而应该是三角波 我想不出更好的解释,麻烦楼主指点 万分感谢!回复 133 帖140 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-21 10:41RCD 上 C 的电压大于 Vf,所以,只有 MOS 关断的瞬间,RCD 中的 D 有电流流过随后,D 反偏截止 MOS 已关断,D 也截止了,那么如果初级有电流,电流往哪里流呢?你顺便可以看一下我后面关于 RCD 吸收部分的内容 回复 140 帖154 帖 jinkuicui 班长 702010-08-22 21:12明白了 谢谢您 ,
32、楼主,感谢您的讲解 ,您的不厌其烦,让我肃然起敬!谢谢!回复 154 帖409 帖 小予连长 2392010-09-12 18:43我是这样认为的: 在下一个周期导通之前,因为磁芯上还有能量没有释放完(还有磁通量), 就像 MOS 管刚关断的时刻,磁芯里也有能量,他给次级的电流也不是从 0 开始的,而是从电流的最大值慢慢下降的 所以磁芯里有能量,你再给他加个同方向的电压,他的电流就不是从 0 开始 就像一个电感始终有一个直流分量在里面回复 409 帖491 帖 卢佳工兵 332010-09-19 16:19CCM 模式是梯形波 电流的起点不是 0 是不是电路的能量在次级并没有完全释放完呢!所以
33、对于整个电路,初级的电流起点就不是 0 了? 回复 491 帖135 帖 卢佳工兵 332010-08-20 20:21实质磁通并没有突变?这个怎么说呀 刚学请教 谢谢 回复 135 帖139 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-21 10:39有些电磁学的基础知识需要你自己去学习一下了我不可能从最最原始的内容开始讲啊 真要从最基础的东西讲,我也讲不好的 回复 139 帖171 帖 卢佳工兵 332010-08-23 19:49你是不是说因为电流没有突变呀? 回复 171 帖173 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-23 23:43是初次级综合起来看,电流没有突变 回复 173 帖214 帖 卢佳工兵 332010-08-25 15:20有点晕的 可否大概的讲一下谢谢回复 214 帖216 帖 让你记得我的好旅长 20452010-08-25 15:58还要怎么讲啊?我不知道该怎么解释了初级和次级是共用一个磁通的 所以所谓的电流连续是要把初次级的情况折算到一起考虑的折算到一起,其实就是考虑那个磁通量的变化就可以了 回复 216 帖217 帖 卢佳工兵 332010-08-25 16:20应该说它的整体能量没有变吧回复 217 帖258 帖 戎马书生排长 1922010-08-27 13:49磁性元件的设计建议看一下赵修科老师的书在附件中回复 258 帖
