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一种反激变换器的设计思路(01)

反激式转换器具有低成本且易于构建的优势,常被用作功率较低设备和电器的主要电源。其中固定开关频率(FF)和可变开关频率(QR)是两种基本的操作开关模式。本案例中,输入电压(Vin)为17V,开环输出设计为24V,下面小节将介绍具体实现流程。

1 SS反激转换器

下图展示了SS反激转换器(基于FF模式)的电路图,其主要由MOSFET开关(Q)、隔离式变压器(初级绕组Lp,次级绕组Ls)、二极管(D)、磁化电感(Lm)以及电容滤波器(Co)组成。

当Q导通时,Vin被施加到初级绕组,在此期间,次级绕组与初级绕组极性相反,二极管开路,在输入输出之间没有能量转移。而当Q关断时,气隙和磁芯中的能量被转移到次级绕组,阻性负载由Ls供电。

在Q导通期间,Lp两端有一个固定电压,可以通过下式获得:

其中,Vin-min是最小输入电压,Ton-max是最大导通时间,Po-min是最小输出功率,T是由开关频率决定的周期。

变压器初级侧和次级侧两端的匝比等于:

其中,Dmax为SS反激变换器的最大占空比,根据仿真设置与参数要求,本案例的SS反激变换器的主要参数为:Vin=17V、Vo=24V、fs=150KHz、NP/NS=20:31.55、Lm=1mH、Co=22000uF、Dmax=0.5。

2 QR反激转换器

QR反激式本质上是一种谷值开关导通的DCM反激式,也被公认为变频或谷值开关反激式,广泛应用于充电器、适配器、和辅助电源。下面对设计QR反激的方法与设计方程进行介绍。

上图为QR反激变换电路图,其中Q为MOSFET开关,Cc为钳位电容,Tr为变压器绕组,Llk为漏电感,Lm为磁化电感,Lp为变压器初级电感器,Ls为变压器次级电感器,Co为输出滤波电容,D为二极管,负载为阻性负载。

一旦开关被接通,输入电压被强制施加到变压器初级上,并且磁化电感Lm开始充电,电容器Cc被放电,Cc两端的电压使得二极管D被反向偏置。当开关关掉时,次级二极管D相当于导通,变压器开始自身消磁,并且存储的能量被转移到负载。

当次级电流降至零时,变压器的两个绕组都去耦,因此反射的输出电压 NVo 和初级电压不再彼此相等。如果电压超过箝位电容 (Vc) 足够高。则D 的导通取决于谐振Cc 和等效电感之间的相互作用。变压器绕组 Tr 的匝数比 (N)根据峰值占空比 (Dpk) 计算:

钳位电容的值可以通过考虑Cc和Llk之间的能量平衡来确定,因为几乎所有泄漏能量最终都会转移到钳位电容。该能量平衡可以表示为:

其中,\delta Vc是Cc两端的最大上升电压,IP_pk是初级峰值电流,谐振周期、开关接通和关断时间可由下式确定:

其中,Tdo(t)是次级二极管导通时间,Tqr可以理解为死区时间,开关频率fs可以通过下式获得:

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