第四章 输入与输出隔离

正激变换器的工作原理
T W 3 uw3 + VIN D3 Q * W1 * + uw2 D1 * + W2 D2 Lf
+
i
Lf
u w1 -
Cf
RL
VO
-
单端正激变换器的主电路 开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续 流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器 有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。
2.确定总输出功率，他包含所有次级输出功率，公式如下：
3.选定磁芯规格 1.AP法。AP=Aw*Ae 2.实际上，磁芯的初始 选择一般是很粗略的，因 为变量太多了，一般情况 是参考以前的案列初步选 择磁芯。这边有一个输出 功率和磁芯的对照表：
4.初级线圈的最少匝数Npmin 选定磁芯型号后，就可以根据磁芯手册查的磁芯有效 截面积Ae。根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度变 化量ΔB,单位是：Gs。由下式得出为变压器初级侧为避免 发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：
7.线圈导线尺寸 初级电流峰值： 初级电流有效值：
次级电流的峰值：
次级电流的占空比：
工作在开关频率式导线的趋肤深度 ：
如果导线线径超过趋肤深度，应选用横截面积相近的多股线绕制。
7.线圈结构 为减少漏感，常采用三明治绕法，常用N1/2→N2→ N1/2
反激式变换器之反激变压器设计
1.首先确定电源设计所需的标准 在开始设计变压器之前，根据电源的规范必须定义一 些参数如下： （1）电源的工作频率f （2）预计电源的效率η （3）最小直流母线电压Vmin （4）最大占空比Dmax
将
带入上式，得到：
由上式可以转换为：
此即计算反激式变压器初级电感量的基本公式了。
由于
i ， 假定， t
Io fs D max Ts D max
Io
Io 则， Vs Lp fs D max
Lp

VsD max Iofs
反激式变换器之反激变压器设计
1.首先确定电源设计所需的标准 在开始设计变压器之前，根据电源的规范必须定义一 些参数如下： （1）电源的工作频率f （2）预计电源的效率η （3）最小直流母线电压Vmin （4）最大占空比Dmax
此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2续 流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加在 Q上的电压为： 电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯 的磁通φ减小： 铁芯磁通φ的减小量： 式中Tr-ton是去磁时间。
正激变换器的不同开关状态
励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减 小：
Vs Vce Vs nVo (1 D max)
Vce(max) (3 ~ 4) *Vs
Io IVT n
•电感值Lp和集电极最大工作电流
开关管关闭后，能量传递给次级。因为工作在非连续 模式，在开关管再次导通前，初级储存的能量将全部传给 次级。输入功率P（即1s内传递的能量）为：
S2
Vo>Vin 当D>0.5
升降压型电路
Boost-Buck变换器
Vo=Vin *D/(1-D)
Vo<Vin, 当D<0.5
Vo>Vin 当D>0.5
升降压型电路
四种基本变换器的比较
• 前三种由电感传送能量，cuk用电容传输能 量 • 变换器电气特性与电感电流的工作状态密 切相关 • 电感、电容器能量储放作用，其参数、连 接为低通滤波器。 • Buck和Boost变换器是最基本的
5.确定输出匝数
式中，Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数，其 中的Ns对于多输出绕组来说，指的是主输出绕组，其余的 输出绕组的匝数按照下面的公式求得： Ns主 : Ns辅 =（ VS主+Vf1）：（ VS辅+Vf2 ）
6. 变压器的气隙 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线, 磁芯在交、直流作用下的 B.H 效果与 AIR GAP大小有密切 关联.看下图，在交流电流下气隙对Δ Bac无改变效果,但对 Δ Hac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小CORE的有 效磁导率和减少原边绕组的电感.在直流电流下气隙的加入 可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不 变,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和,这对能 量的储存与传递都是有利的. 当反激变压器工作于CCM时, 有相当大的直流成份,这时就 必须有气隙.
两种工作模式的区别：
a. DCM状态下在开关管导通期间， 能量完全转移中波形具有较高的原边 峰值电流，这是因主初级电感值Lp相 对较低之故，使Ip急剧升高，其负面 影响是增加了绕组损耗和输入滤波电 容器的纹波电流，从而要求开关管必 须具有高电流承载能力，方能安全工
作。
b.在CCM工作状态中，原边峰值电流较低，但开关管 在导通时有较高漏极电流值，因此导致开关管高功率的消 耗，同时为达到CCM，就需要有较高的变压器原边电感 值Lp,由于要在变压器磁芯中储存残余能量则要求变压器的 体积较DCM时要大，而其它系数是相等的。
正激变换器的不同开关状 态
开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁 芯磁通φ增加，则变压器铁芯磁通增量：
正激变换器的不同开关状态
由 得变压器原边磁化电流： 式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的 电压为： 此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过 滤波电感Lf的电流增加： 显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。 变压器原边绕组电流：
正激变换器的不同开关状态
Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断， 流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：
正激变换器的不同开关状态
变压器原边绕组和副边绕组的电压分别为：
2.确定总输出功率，他包含所有次级输出功率，公式如下：
3.选定磁芯规格 1.AP法。AP=Aw*Ae 2.实际上，磁芯的初始 选择一般是很粗略的，因 为变量太多了，一般情况 是参考以前的案列初步选 择磁芯。这边有一个输出 功率和磁芯的对照表：
4.初级线圈的最少匝数Npmin 选定磁芯型号后，就可以根据磁芯手册查的磁芯有效 截面积Ae。根据选用的磁芯材质型号确定最大磁通密度变 化量ΔB,单位是：Gs。由下式得出为变压器初级侧为避免 发生磁芯饱和而应具有的最少匝数：
即：
而，
• .漏感对开关管关断瞬间的尖峰电压影响 由于变压器漏感的存在及其它分布参数的影响，反激 电源在开关管关断瞬间会产生很高的尖峰电压，这个尖峰 电压严重威胁着开关管的正常工作，必须采取措施对其进 行抑制。目前，有很多方法可使实现这个目的，其中RCD 钳位法以其结构简单，成本低廉的特点而得以广泛使用 。
开关电源的种类
• 按照拓扑结构可以分为2中基本的类型：非 隔离型和隔离型。
1.Buck变换器，也称降压变换器
• 非隔离型
2.Boost变换器，也称升压变换器
3.Buck-Boost变换器，也称升降压变换器 4.Cuk变换器，也称串联变换器
•
隔离型:正激式，反激式，推挽式，半桥式，全桥式
三种基本的隔离开关电源：
电路特点
•
•
变压器初级磁通是单向的，故称该变压器 为单端变压器 输出电容器C和负载在开关管截止时从变 压器次级获得能量，故称为反激式。
反激式变换器的定义及优点
定义： 反激式转换器又称单端反激式或“Flyback”转 换器，因其输出端在原边绕组关断时获得能量故而得名。 在反激变换器拓扑中，开关管导时，变压器储存能量，负 载电流由输出滤波电容提供；开关管关断时，变压器将储 存的能量传送到负载和输出滤波电容，以补偿电容单独提 供负载电流时消耗的能量。 优点如下：a、电路简单，能高效提供多路直流输出， 因此适合多组输出要求；b、输入电压在很大的范围内波 动时，仍可有较稳定的输出，无需切换而达到稳定输出的 要求；c、转换效率高，损失小；d、变压器匝数比值小。
5.确定输出匝数
式中，Np和Ns分别是初级绕组和次级绕组的圈数，其 中的Ns对于多输出绕组来说，指的是主输出绕组，其余的 输出绕组的匝数按照下面的公式求得： Ns主 : Ns辅 =（ VS主+Vf1）：（ VS辅+Vf2 ）
6. 变压器的气隙 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线, 磁芯在交、直流作用下的 B.H 效果与 AIR GAP大小有密切 关联.看下图，在交流电流下气隙对Δ Bac无改变效果,但对 Δ Hac将大大增加,这是有利的一面,可有效地减小CORE的有 效磁导率和减少原边绕组的电感.在直流电流下气隙的加入 可使CORE承受更加大的直流电流去产生HDC,而BDC却维持不 变,因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和,这对能 量的储存与传递都是有利的. 当反激变压器工作于CCM时, 有相当大的直流成份,这时就 必须有气隙.
但因磁性元件即是储能的电感又是变压器，设计时比较困 难。输入输出电流有较大尖峰并且是脉动的。
反激式变换器的工作模式
反激变换器分两种工作模式：DCM和CCM，实际工作 时，尤其是工作在宽电压模式，负载变换较大时，一般都 跨越这两种工作模式。 （1）电感电流不连续模式DCM（Discontinuous Inductor Current Mode）或称“完全能量转换” ：Ton时 储存在变压器中的所有能量在反激周期（Ton）中都转移 到输出端。 （2）电感电流连续模式CCM（Continuous Inductor Current Mode）或称“不完全能量转换” ：储存在变压 器中的一部分能量在Toff末保留到下一个Ton周期的开始。
在Tr时刻，
，变压器完成磁复位。
正激变换器的不同开关状态