第12课单管正激变换器原理与设计
单管正激变换器参数确定
第二章 方案的确定2.1 变换器的设计指标2.1.1 正激变换器的设计指标输入电压：DC41V ～DC51V输出电压：DC12V输出电流：5A效率: η≥80%电压调整率：Su ≤1.5%负载调整率：S I ≤1.5%2.1.2 辅助电源（反激）的设计指标输入电压：DC41V ～DC51V输出电压：DC17V输出电流：0.5A效率: η≥87%第三章 正激电路设计这里UC3844的振荡器选择R T =R 8=12k Ω,C T =C 19=1000PF ，则KHZ C R f T T osc 15010100010128.18.1123=⨯⨯⨯==- (3-1) 所以6脚的输出频率（驱动频率）为：KHZ f f osc 7521== (3-2) 3.3 主电路设计主电路的设计主要包括变压器、电感和MOS 管的设计。
3.3.1 主电路中变压器的设计变压器是利用互感应实现能量或信号传输的器件。
在开关电源主电路中，变压器用于输入输出之间隔离及电压变换。
开关电源中使用磁性元件比较多，这其中包括作为开关电源核心的高频功率变压器、驱动变压器、电流互感器、低压辅助电源变压器以及各种滤波电感等，通常把这些统称为电子变压器，他们是电力电子电路中储能、转换以及隔离所必备的元件。
磁性元器件在整个的开关电源中所占的比重很大，对于开关电源的质量、体积、成本以及效率都有很显著的影响，特别是高频功率变压器，它对于整个开关电源的性能更是有着举足轻重的影响[16]。
高频变压器具有电压变化、电气隔离和能量传输三项主要功能，是开关电源的核心部件，它的设计和计算也是最复杂的。
在能量传输方面，高频变压器有两种方式:一是变压器传输方式，即加在一次绕组上的电压，在磁心中产生了磁通变化，使二次绕组产生感应电压，从而达到使能量从变压器的一次侧传输到二次侧的目的;另一种是电感器传输方式，即在一次绕组上施加电压，会产生励磁电流并且使磁心磁化，并将电能转变成磁能存储起来，而后通过去磁可以使二次绕组产生感应电压，从而达到将磁能变换为电能释放给负载的效果,下面就是变压器设计的过程[17]。
正激变换器
Dm in
N1 N2
Uo U dm a x
0.33
Rm a x
Uo Io min
50
设计方法*
电感电流连续： L 1 (1 D)RT
2
极限状态满足要求：
L
1 2
(1
Dmin)RmaxT
L 0.00017H 0.17mH
与Buck电路类似，电感最大峰值电流、最大有效值电流为：
I Lpkmax
正激变换器（Forward Converter）
电感电流连续模式（CCM）下工作参数分析
稳态工作时电感伏秒平衡，有：
( N2 N1
Ud
Uo )DT
Uo (1
D)T
0
Uo
D
N2 N1
Ud
上式表明：正激DC-DC变换电路的输出电压平均值和Buck
电路一样与D成正比，不同的是还与匝数有关。
为避免变压器饱和，每个开关周期内磁路必须复位，即
Io
其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，
D为占空比 ，Ud为输入直流电压，Uo 为输出直流电压
正激电路电感电流连续的临界条件
输出电流大于临界连续时电感平均电流，有： 1 1 (1 D)T
R 2L
即： L 1 (1 D)R
2f
——LC滤波器设计约束条件之一
正激变换器（Forward Converter）
CCM状态下主电路主要参数关系
电感 电感电流连续条件： L 1 (1 D)RT
2
电感电流有效值： ILrms Io
电感电流峰值： I Lpk
Io
1 2
I Lpp
电感电流脉动峰峰值：
电容
正激变换器工作原理
正激变换器实际应用中，由于电压等级变换、安全、系统串并联等原因，开DC-变关电源的输入输出往往需要电气隔离。
在基本的非隔离DCDC-变换换器中加入变压器，就可以派生出带隔离变压器的DC 器。
例如，单端正激变换器就是有BUCK变换器派生出来的。
一工作原理1 单管正激变换器单端正激变换器是由BUCK变换器派生而来的。
图（a1）为BUCK 变换器的原理图，将开关管右边插入一个隔离变压器，就可以得到图（a2）的单端正激变换器图（a1）BUCK变换器图（a2）单端正激变换器BUCK变换器工作原理：电路进入平恒以后，由电感单个周期内充放电量相等，由电感周期内充放电平恒可以得到：即：可得：单端正激变换器的工作原理和和BUCK 相似。
其工作状态如图如图（a3）所示：⎰⎰=--O N O N t T t o o i dt U dt U U 00)(i i ON o o o i OFFo ON o i DU U Tt U TD U DT U U t U t U U ==-=-=-)1()()(⎰==T dt Lu T L U 001图（a3）单端正激变换器工作状态开关管Q 闭合。
如图所示，当开关管Q 闭合时的工作状态如图a4所示，图（a4）根据图中同名端所示，可以知道变压器副边也流过电流，D1导通，D2截止，电感电压为正，变压器副边的电流线性上升。
在此期间，电感电压为：O I L U U N N u -=12 开关管Q 截止。
开关管截止时，变压器副边没有电流流过，副边电流经反并联二极管D2续流，在此期间，电感电压为负，电流线性下降:O L U U -=在稳定时，和BUCK 电路一样，电感电压在一个周期内积分为零，因此：()S O S I T D U DT U U N N ⨯-⨯=⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛-1120 得：I O DU N N U 12= 由此可见，单端正激变换器电压增益与开关导通占空比成正比，比BUCK 电路只多了一个变压器的变化。
正激变换器磁性元件的设计
正激变换器磁性元件的设计第一部分：磁性元件的类型和基本原理变压器的基本原理是利用电磁感应的原理，在一个绕组中通过交流电产生的磁场感应到另一个绕组中，并将电能从输入端传递到输出端。
变压器的主要参数有变比、额定功率和损耗。
电感器也利用电磁感应的原理，但与变压器不同的是，电感器主要是利用自感效应而产生电能储存，并在需要时释放。
电感器的主要参数有电感值、电流能力和频率响应。
第二部分：正激变换器磁性元件的设计要求1.功率密度：功率密度指单位体积或单位重量的磁性元件所能承受的功率。
提高功率密度可以减小变压器和电感器的体积，同时保持其高效率和稳定性。
2.体积：正激变换器通常需要较小的体积，尤其在一些应用中，如手机充电器、电动汽车充电器等。
因此，设计磁性元件时需要追求尽可能小的体积。
3.效率：正激变换器的效率对于节能和降低损耗至关重要。
磁性元件的设计应该追求高效率，减小能量损耗，提高能量利用率。
4.成本：磁性元件的设计还要考虑成本因素。
在设计过程中，要找到平衡点，以确保磁性元件的性能符合要求，但同时又不引起过高的成本。
第三部分：磁性元件的具体设计步骤1.确定输入和输出电压/电流：根据具体应用需求，确定输入和输出的电压/电流。
2.计算变比或电感值：根据输入和输出的电压/电流，计算变比或电感值。
变比的计算可以根据功率守恒定律，通过功率关系计算得到；电感值的计算可以通过所需的电流和频率计算得到。
3.选择磁性材料：根据变比或电感值，选择合适的磁性材料。
常用的磁性材料有铁氧体、铁氧体软磁材料、铁氧体硬磁材料等。
选择合适的磁性材料可以提高变压器或电感器的性能。
4.计算磁路参数：根据选择的磁性材料，计算磁路参数。
磁路参数包括磁路长度、磁导率和横截面积等。
5.计算绕组匝数和线径：根据输入和输出的电压/电流、变比或电感值，计算变压器或电感器绕组的匝数和线径。
绕组的匝数和线径的选择直接影响磁性元件的性能和效率。
6.验算和优化：根据设计结果，进行验算和优化。
正激变换器工作原理
UP Q
US D2 Cf
3.滤波电容Cf
把(9)式
iLf
iS
(U S
VD ) Vout Lf
DTs
(1 D)(VD Lf
Vout ) Ts
代入(24), 有
Vopp
Cf
(1 D)(Vout VD )
8L
f
Vopp
f
2 s
(25)
正激变换器
21
NR
Vin
NP NS D1
Fe
(34)
正激变换器
29
NR
Vin
NP NS D1
Lf
Vout
七. 元器件的选择
UP
US D2 Cf
5. 变压器的设计
Q A.选定磁芯材料和型式---
根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求, 以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料.
B.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm 由电流密度参数法,有
NR
Vin
NP NS D1
Lf
Vout
七. 元器件的选择
UP
US D2 Cf
4. 滤波电感Lf的设计
Q E. 根据电流大小确定气隙长度lg(续)
由磁链公式 N LI max , 可得
Imax
LImax
(
lg
0kl
A, e
lFe )
Fe Ae
进而, 有
lFe
Fe
lg
I out
i i S (max) S (min) 2
(8)
同理，可得
iS
B = Bmax - Br
第12课单管正激变换器原理与设计
四、电路构成各功能详解：
1、IC3是TDA16888 2、Q3是MOS管SSP7N80A(1.8OHM/7A/800V) TO-220封装。 3、 IC3 电压VCC是反激电源提供，通过遥控可以开关。 4、R110,C59，D17构成RCD漏电感能量吸收电路，磁复位。
D17为BYV26E(1A/1KV/75NS/1.4V/SOD57)。
变压器磁轨迹1
变压器磁轨迹2
变压器磁轨迹3
变压器磁轨迹4
BUCK电感磁轨迹1
BUCK电感磁轨迹2
BUCK电感磁轨迹3
BUCK电感磁轨迹4
5、R4，R47是为配不同MOS管选择电阻。 6、R38是电流取样电阻，氧化膜电阻RY17-2W-0.39±5%，同时 具有次级电压短路保护功能。R54，C22调整电流取样大小 滤波电路，此电路要精心选择，对稳定工作很重要。
7、 Ton期间，变压器T1一组初级线圈，Q13，R38构成给变 压器励磁电路，同时能量传递个次级，由次级两组线圈分 别给L1两组线圈励磁，L1两组线圈在给负载供电的同时储 存能量。 8、Toff期间，变压器T1另一组初级线圈，Ds，构成变压器 去磁电路。整流电路。同时在次级D14，D16，C37，C36分 别构成L1两组电感的去磁电路。 9、R57，C41和R39，C28消除D10，D15上面的高频尖峰。 10、C37，L7，C38和C36，L8，C35构成两个∏型滤波器， C35，C36， C3,7，C38一定要选高频 低漏电容。 CD110-25V-1800uF-M（105℃） 11、L27是差模抑制电感，进一步消除纹波电压。
ton期间变压器t1一组初级线圈q13r38构成给变压器励磁电路同时能量传递个次级由次级两组线圈分别给l1两组线圈励磁l1两组线圈在给负载供电的同时储存能量
正激变换器
几种磁复位方式
第三线圈复位法 RCD复位 有源钳位 双管正激
南京邮电大学
16
第三线圈复位法特点
优点： 技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电网中去。 缺点： 附加的磁复位绕组使变压器的结构和设计复杂化； 开关管关断时，变压器漏感引起的关断电压尖峰需要RC缓冲 电路来抑制，尤其是变压器满载时； 开关管承受的电压与输入直流电压成正比，当变压器工作在 宽输入电压范围时，必须采用高压功率MOSFET,而高压功率 MOSFET的导通电阻较大，从而导致导通损耗较大； Uin=Uinmax时，占空比d=dmin很小，不易于大功率输出。
-
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。
南京邮电大学 3正激变换源自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：
13
磁复位技术
B Br 0 -Br H Br 0 -Br
典型的两种磁芯磁滞特性曲线
B H
14
磁复位技术
在磁场强度H为零时，磁感应强度的多少是由铁芯材料决 定。图a的剩余磁感应强度Br比图b小，图a一般是铁氧体 、铁粉磁芯和非晶合金磁芯，图b一般为无气隙的晶粒取 向镍铁合金铁芯。 对于剩余磁感应强度Br较小的铁芯，一般使用转移损耗法 。转移损耗法有线路简单、可靠性高的特点。对于剩余磁 感应强度Br较高的铁芯，一般使用强迫复位法。强迫复位 法线路较为复杂。 简单的损耗法磁芯复位电路是由一只稳压管和二极管组成 ，稳压管和二极管与变压器原边绕组或和变压器副边绕组 并联，磁芯中残存能量由于稳压管反向击穿导通而损耗， 它具有两种功能，既可以限制功率开关管过电压又可以消 除磁芯残存能量。在实际应用中由于变压器从原边到副边 的漏电感（寄生电感）存在，这个电感中也有存储的能量 ，因此一般把稳压管和二极管与变压器原边绕组并联连结 。这种电路只适用于小功率变换器中，。
单端正激变换器
单端正激变换器1、电路拓扑图2、电路原理其变压器T1起隔离和变压的作用，在输出端要加一个电感器Lo（续流电感）起能量的储存及传递作用，变压器初级需有复位绕组Nr（此点上我对一些参考书籍存疑，当然有是最好，实际应用中考虑到变压器脚位的问题）。
在实际使用中，我也发现此绕组也用RCD吸收电路取代亦可，如果芯片的辅助电源用反激供给则也可削去调整管的部分峰值电压（相当一部份复位绕组）。
输出回路需有一个整流二极管D1和一个续流二极管D2。
由于其变压器使用无气隙的磁芯，故其铜损较小，变压器温升较低。
并且其输出的纹波电压较小。
3、变压器计算一般来说高频变压器的设计可划分为以下六个步骤：a、选择磁芯材料和磁芯结构形式。
b、确定工作频率，工作最大磁感应强度Bm。
c、计算并初选磁芯型号。
d、计算并调整原、副边匝数。
e、计算并确定导线线径。
f、校核窗口面积和最大磁感应强度Bm。
现就这六个步骤来讨论单端正激式变压器的设计：★选择磁芯材料和磁芯结构形式高频变压器磁性材料选择的标准为高初始磁导率μi、低矫顽力Hc、高饱和磁感应强度Bs、低剩磁Br、高电阻率ρ和高居里温度点。
磁导率高，变压器工作时励磁电流就小；矫顽力低则磁滞损耗比较小；高饱和磁感应，低剩磁，变压器工作时磁通变化范围DB可以较大，相应减小了变压器体积；高电阻率，高频工作时涡流损耗比较小；高居里温度点，变压器工作温度可以相应提高，但以上各项要求不可能同时得到满足，不同的磁性材料存在其长处也必然存在不足，需视具体应用条件加以选择。
一次电源工作频率一般选择在60KHz～150KHz之间，二次电源产品工作频率一般选择在100KHz～400KHz之间，在这个频率范围，宜选用Mn-Zn铁氧体材料，目前二次电源常用的铁氧体材料包括TDK的PC30－PC40，Magnetics的P材料，PHILIP的3F3及899厂的R2KB2等。
磁芯结构形式的选择一是考虑能量传递，二是考虑几何尺寸的限制，三是考虑磁芯截面积和窗口面积的比例，多路输出变压器一般要求有较大的窗口面积，选择EE型、EI型或PQ型磁芯，可具有较大的窗口和良好的散热性，DC/DC模块电源可选用FEY型、FEE型、EUI型等，铃流变压器要求磁芯截面积比较大，可选用GU形磁芯；此外还应考虑变压器的安装，加工方便性，成本等，目前中、大功率通常选用GU 形磁芯，这种磁芯特点是有较大的截面积，漏磁很小，采用国产材料，成本低，但出线需手焊。
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4、续流二极管D： D14，D16。 5、电容C: C37，C36。 6、 电阻R： 真实负载。 7、电压重建： 稳压电路C18，C34，R51，R52 ，R53， R29， KA431Z/AZ(TO92) ， PC817,IC1,TDA16888PWM。 正激变换器中变压器不是BUCK电路的组成部分，只起正向传 递能量（即能量管道），和隔离作用。
5、R4，R47是为配不同MOS管选择电阻。 6、R38是电流取样电阻，氧化膜电阻RY17-2W-0.39±5%，同时 具有次级电压短路保护功能。R54，C22调整电流取样大小 滤波电路，此电路要精心选择，对稳定工作很重要。
7、 Ton期间，变压器T1一组初级线圈，Q13，R38构成给变 压器励磁电路，同时能量传递个次级，由次级两组线圈分 别给L1两组线圈励磁，L1两组线圈在给负载供电的同时储 存能量。 8、Toff期间，变压器T1另一组初级线圈，Ds，构成变压器 去磁电路。整流电路。同时在次级D14，D16，C37，C36分 别构成L1两组电感的去磁电路。 9、R57，C41和R39，C28消除D10，D15上面的高频尖峰。 10、C37，L7，C38和C36，L8，C35构成两个∏型滤波器， C35，C36， C3,7，C38一定要选高频 低漏电容。 CD110-25V-1800uF-M（105℃） 11、L27是差模抑制电感，进一步消除纹波电压。
单管正激变换器原理与设计
一、实际电路
二、拓扑图
L、D组成变压器去磁电路 能量返回到BUS电压。
单端正激拓扑图
三、BUCK电路7个组成部分： 两路输出 +20V*3A, 1、 电源ES : LED 器T1两个次级绕组电压。 2、开关K: D10，D15 。 3、储能电感L能量筐: L1。
-20V*3A 变压
12、R52，R53，R29是稳压取样电阻，40V时分压在2.5V要用精度1% 的电阻 13、C18，C34，R51，R28是稳压稳定控制参数。对起控点，控制过 程稳定起到非常重要的作用。要精心调试这些参数。使其在整 个稳压过程中稳定，平滑，不抖动。 14、IC2是KA431Z/AZ(TO92)，精密稳压控制电路。要仔细看规格 书。稳压电路重要器件。 15、IC1是光耦PC817/PC817B。稳压电路重要器件。
变压磁轨迹3
变压器磁轨迹4
BUCK电感磁轨迹1
BUCK电感磁轨迹2
BUCK电感磁轨迹3
BUCK电感磁轨迹4
四、电路构成各功能详解：
1、IC3是TDA16888 2、Q3是MOS管SSP7N80A(1.8OHM/7A/800V) TO-220封装。 3、 IC3 电压VCC是反激电源提供，通过遥控可以开关。 4、R110,C59，D17构成RCD漏电感能量吸收电路，磁复位。
D17为BYV26E(1A/1KV/75NS/1.4V/SOD57)。