1、從BuckBoost到Flyback反激變換器
BuckBoost負壓變換器最基本的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,如果把BuckBoost負壓變換器功率MOSFET管和二極管移動到下面,電路工作狀態(tài)和放在上面完全一樣。
圖1 BuckBoost負壓變換器基本結(jié)構(gòu)
圖2 功率MOSFET管和二極管放置在下端
在電感現(xiàn)有繞組二端并繞一個匝數(shù)完全相同的繞組,也就是雙線并繞
(或者是相當于把原來繞組換成直徑更粗的銅線
),二個繞組同名端放置在同一側(cè),它們共用磁芯,因此,內(nèi)部磁場相同、電感的感值和功能都沒有發(fā)生變化,仍然等效于一個單獨的電感。當功率MOSFET管開通時,二個繞組同時激勵;當功率MOSFET管關(guān)斷時,二個繞組同時去磁。
圖3 電感并繞二個繞組
然后,把二個繞組的連接斷開,分開為初級繞組Np和次級繞組Ns,初級繞組NP和功率MOSFET管連接,次級繞組NS和二極管連接,如圖4所示。
圖4 電感二個繞組分開
功率MOSFET管開通時,繞組NP激磁,繞組NS不工作;功率MOSFET管關(guān)斷,繞組NP不工作,繞組NP去磁,相當于二個繞組分擔不同工作,一個激磁、一個去磁,電路總電流與繞組沒有分開連接的電路的總電流仍然相同,只是電流在繞組中分配的方式不同。調(diào)整一下次級回路,把輸出整流二極管和次級繞組同名端放到上面,如圖5所示,這種結(jié)構(gòu)組成了最基本的反激變換器。
圖5 反激變換器原理圖
反激變換器的變壓器工作方式和普通變壓器不一樣,工作時,電流不會同時流過二個繞組;而且,反激變壓器具有儲能和傳輸能量的雙重作用。開關(guān)管導通時,初級繞組激磁,存儲能量,次級回路不導通。開關(guān)管關(guān)斷后,次級回路二極管導通,初級繞組存儲的能量通過次級繞組去磁而向負載釋放能量。
2、Flyback反激變換器連續(xù)工作模式CCM
初級NP與次級繞組NS使用不同匝數(shù),匝比n=NP:NS,如圖6所示,就是常用的最基本的反激變換器主電路。變壓器初級激(勵)磁電感為Lm,初級漏感為Llk,初級電感Lp=Lm+Llk。
圖6 反激變換器主電路
假定:反激變換器工作在穩(wěn)定狀態(tài),變壓器初級電感電流為iLpm,處于連續(xù)導通模式CCM狀態(tài),即:每一個開關(guān)周期開始時,電流iLp從一定的初始值ILp(min)開始激磁工作,每一個開關(guān)周期結(jié)束,電流iLp回到初始值ILp(min)。開關(guān)管Q、二極管D、Lp和濾波電容均為理想元件,濾波電容的電容值足夠大,輸入電壓紋波和輸出電壓紋波都很小,輸入電壓Vin和輸出電壓Vo保持穩(wěn)定不變,SW為開關(guān)管和變壓器連接點,稱為開關(guān)節(jié)點,電壓為VDS。變壓器初級繞組NP和次級繞組NS匝比為n:1,先忽略漏感。
(a) 開關(guān)管Q開通
(b) 開關(guān)管Q關(guān)斷
圖7 反激變換器CCM工作等效電路
(1)開關(guān)管Q開通,二極管D關(guān)斷
當t=0時,iLp=ILp(min),開關(guān)管Q開通,二極管D的陽極電壓為-Vin/n,陰極電壓為Vo,二極管D兩端電壓反向偏置,處于截止;變壓器初級電感Lp上方電壓為Vin,下方為電壓為0,VLp=Vin,加在電感兩端電壓為正向電壓,電感激磁,iLp從初始值ILp(min)隨時間線性增加,電感儲存能量。
在t=ton時刻,開關(guān)管Q關(guān)斷,iLp達到最大值ILp(max)。
開關(guān)管Q導通期間,二極管D承受反向電壓處于截止狀態(tài)。此時,輸入電源并不向輸出負載傳輸能量,因此,輸出負載Ro所需要的能量全部由輸出電容Co提供。
(2)開關(guān)管Q關(guān)斷,二極管D開通
開關(guān)管Q關(guān)斷后,iLp不能突變,要保持原來大小和方向,iLp通過NP形成續(xù)流回路,電流在NP從下向上流過。根據(jù)同名端特性,電流從NP下方同名端流進,就要從NS上方同名端流出,因此,輸出二極管D自然導通續(xù)流,次級繞組電流iNs從二極管D流過,二極管D兩端電壓處于正向偏置。忽略輸出二極管的正向壓降,次級繞組電壓VNs=Vo,上正下負;VNs電壓反射到初級繞側(cè),VNp= -n·Vo,VDS=Vin + n·Vo,加在變壓器初級電感的電壓方向上負下正,為反向電壓,電感去磁,iLp從最大值ILp(max)隨時間線性下降,電感向輸出負載釋放能量。
這一階段時間起點從ton開始,當t=ton,iLp=ILp(max),得到:
開關(guān)管Q保持關(guān)斷時間為toff,在ton+toff=TS時刻,iLp電流從最大值ILp(max)降低到初始最小值ILp(min),開關(guān)管Q再次開通,上一個開關(guān)周期結(jié)束,下一個開關(guān)周期開始,重復以上過程,如此反復。
輸出二極管D導通后,儲存在變壓器初級繞組(電感)能量通過變壓器向輸出負載釋放能量。
3、電感電流連續(xù)導通模式CCM工作波形
電感電流連續(xù)導通模式CCM,相關(guān)參數(shù)的工作波形如圖8所示,實際測量工作波形如圖9所示。
圖8 反激變換器CCM波形
圖9 反激變換器CCM實際測量工作波形
反激變換器開關(guān)管導通期間,輸出電容Co放電,提供全部所需負載電流。開關(guān)端關(guān)斷期間,輸出電容Co充電,電感同時提供所需負載電流和電容充電電流。每個開關(guān)周期中,電容充放電過程滿足電荷平衡。
4、反激變換器CCM模式相關(guān)參數(shù)計算
(1)輸入電壓Vin和輸出電壓Vo關(guān)系
反激變換器在連續(xù)導通模式CCM下穩(wěn)態(tài)工作時,每個開關(guān)周期,根據(jù)變壓器初級電感的伏秒值平衡,可以得到:
反激變換器有變壓器,輸出可以升壓,也可以降壓。
(2)變壓器電感電流紋波
變壓器初級電感電流紋波為:
輸入電流Iin等于開關(guān)管Q的電流平均值IQ:
輸出電流Io等于輸出二極管D的電流平均值ID:
忽略變換器功率損耗,輸入功率Pin等于輸出功率Po。
(3)連續(xù)模式工作的最小變壓器電感
輸出負載電流為Io,對應輸出梯形波斜邊中點電流值Ioc為:
圖10 反激變換器CCM工作的電流波形
反射到初級梯形波斜邊中點電流值Ipc為:
保持反激變換器工作在連續(xù)模式,必須滿足:
因此:
工作在連續(xù)工作模式反激變換器的變壓器初級最小電感為:
連續(xù)工作模式變壓器初級最小電感與輸出負載相關(guān),通常,不可能保證在整個輸出負載變化的范圍內(nèi),變換器都工作在連續(xù)模式,可以取30%-50%的最大輸出負載電流值作為設(shè)計的臨界點。
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原文標題:Flyback反激變換器:基本結(jié)構(gòu)及CCM工作原理
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