RCD箝位正激变换器 毕设 中期

第2章 RCD箝位正激变换器2.1 RCD箝位正激变换器稳态分析本设计要求变换器所满足的参数要求：输入电压：18-36v输出电压：12v输出功率：60w输出电流：5A频率：20kHzRCD箝位正激变换器如图2.1所示:图2.1 RCD正激变换器为了简化分析，假设输出滤波电感L、箝位电容Cc足够大，把电感用电流源Io表示，,箝位电容被看做是一个电压源在电路运行期间不变。

等效电路图：图2.2 RCD等效电路图稳态工作时，每个PWM 开关周期分为六个区间：T0-T1在T0时间,S打开,并且门极驱动电压决定了漏极电压的瞬时值.随着变压器加上输入电压,磁化电流以Vi/Lm 的速率增加。

变压器二次侧通过二极ViCsViCsIo管D1续流，输出电流Io以1/N的比率反射到一次侧。

在时间段结束时漏极电压达到Vi。

为了分析箝位电路，漏极电压在本时间段开始和结束时的斜坡可以忽略。

Tl -T2在T1时漏极电压达到Vi，随着D1中电流的衰减，输出电感通过D2进行续流。

在D1 和D2同时导通时，变压器一次侧的电压将被箝位在0.有效的电路元件是漏感和一次侧的电容。

漏电感和一次侧的电容共同决定了从D1到 D2的电流是同时的。

T2 -T3在T2时刻整个电感电流已经转移到D2，D1处于阻断状态。

当变压器二次侧有电流流出，变压器一次侧的电压将下降到Imp。

这个峰值磁化电流驱动由LM和Cs组成的复位网络T3-T4在T3时刻，箝位二级管打开，箝位电压Vc加在由LK 和 LM.组成的网络。

磁化电流被引入复位网络，并以Vc/LM的速率下降。

T4 –T5当磁化电流在T4时刻达到0.箝位二极管电路将处于阻断状态，Vc加在由LM和Cs组成的共振回路上。

漏极电压在共振中衰减到V1，与此同时D1导通。

T5 –T0D1中将再次有磁化电流流过，由于D1和D2同时导通，变压器一次侧有效电压将被箝位在0。

由于变压器一次侧被迫加上0电压，磁化电流将继续维持在负Img保持不变。

图2.3工作波形图由上述分析可知，变压器工作在一三象限双向磁化．提高了铁芯利用率。

在低输入电压满载时，占空比最大，应该让整个截止时间作为变压器磁复位即无死区时间(T5-T0)，这样可保证功率开关最小的开通损耗(Uds 下降到Ui)和最低电压应力。

据变压器伏秒面积平衡原理，箝位电容电压:式(2-1)中，N 为变压器匝比，Uo 为输出电压。

磁化电流变化量为:式(2-2)中，Ton ，Ts 分别为导通时间、周期，L M 为磁化电感。

T4-T5期间L M 与Cs 谐振，Cs 中能量的减小应等于L M 上能量的增加，即:因此磁化电流量小值为:磁化电流最大值为: T2-T3期间L M 与Cs 之间的谐振，部分磁化能量转移到Cs 中，剩余磁化能量消耗在箝位网络中。

若考虑漏感能量，据能量平衡 观点可得:式(2-3)中，L K 为漏感，Uc 2/R 为箝位网络损耗。

由式(2-4)可知，Uc 是由Fs ，L ，Cs ，L K ，R 等电路参数决定的，但它与电源电压Ui 无关，因而这使得功率开关有更低的电压应力。

[]4 (min)(max)1(max)1(max)Ui d NUo Uc d d ⋅==--I m m mUi T NUo Ts L L ⋅⋅∆==221122m m Cc Uc L I -⋅=⋅I m -=I I I m m m m NUo Ts L +-⋅=∆+=222211(I ()22s m m S k Uc Io f L CsUc f L R N +=-+12221()2[()2()]2S K m s NUo R Io Uc RCs f L R L f N=++(22)-(24)-(23)-(21)-2.1.1 RCD 箝位正激变换器电压增益开关导通时的模型:图2.4开关导通模型当t=Ton 时：开关断开时：图2.5开关关断时的模型当t=Toff 时：在一个周期内电感电流的净增量为0。

式（2-5）=（2-6） 且Ton=D ·T Toff=（1-D ）·T 所以箝位正激变换器的电压增益为：()()2210LL L N Vi di N Vi VoVo L i t i t N dt L⋅⋅--=-=⋅21()(25)L Ton N Vi Vo i L N ⋅⋅-∆=-⋅0()(0)L L L di VoL Vo i t i t dt L+=-=-⋅(26)L Vo Toffi L ⋅∆=--N2*Vi/N1L C R L C RN VoD Vi⋅=2.1.2 RCD 箝位正激变换器电感电流连续的条件电感电流连续的的临界条件为：于是推到出 :2.1.3 RCD 箝位正激变换器占空比的确定当主开关管S 开通时,变压器原方绕组所承受的电压为Ui 。

S 截止时，原方绕组承受的反向电压为钳位电容Cc 上的电压Uc ，假设Uc 足够大，则在S 截止期间，可以认为Uc 保持不变，则根据伏一秒值平衡可以得到：当主开关管S 关断时，漏源电压应力为：Uds=Ui+Uc综合式(2-7)、(2-8)式可得：在相同的N ，Uo 下，当输入电源电压Ui 增大时，占空比D 减小。

从式（2-9）可以看出，当D 变化时，开关管电压应力也随之变化。

当D=0．5左右变化时，D(1-D)的值变化不大，也就是说，当输入电压变化比较大时，开关管电压应力变化不大，因此RCD 钳位正激变换器特别适用于宽输入电源电压场合。

一般D 最大可以取到O.75左右。

在设计开关电源时，应该合理选择占空比，使得当输入电压为最大和最小值，开关管的电压应力相等。

Dmax=12N/18 Dmin=12N/36欲使电压应力相等，则须满足以下条件：2max max 1()21onL L L N T Vi Vo Io i i i L N ⋅-===⋅且12ONLD R T -=⋅VcD Vi Vc =+(1)N Vo Vds D D ⋅=⋅-min min max max (1)(1)N Vo N Vo D D D D ⋅⋅=⋅-⋅-(27)-(28)-(29)-于是得到12/18+12/36=1即N=1 Dmin=0.33 Dmax=0.67。

[]5 2.2 RCD箝位正激变换器变压器电力电子技术中，高频开关电源设计主要分为两部分：一:电路部分的设计;二:磁路部分的设计。

相对电路部分的设计而言，磁路部分的设计要复杂的多，磁路部分的设计，不但要求设计者拥有全面的理论知识，而且要有丰富的实践经验。

在磁路部分设计完毕之后，还必须放到实际电路中验证其性能。

所以，在高频开关电源的设计中，真正难以把握的是磁路部分的设计。

高频开关电源的磁性元件主要包括变压器和电感。

其中变压器是高频开关电源的核心元件，其作用有三：磁能转换，电压变换和绝缘隔离。

在开关管的作用下，将直流电转换为方波施加于开关电源变压器上，经开关电源变压器的电磁转换，输出所需要的电压，将输入功率传递到负载，开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热和效率，而且还会影响到高频开关电源的技术性能和可靠性。

所以在设计和制作时，对磁芯材料的选择，磁芯与线圈的结构，绕线绕制工艺等都要有周密的考虑，开关电源变压器工作于高频状态，分布参数的影响不能忽略，这些分布参数有漏感，分布电容和电流在导线中流动的趋肤效应。

一般根据高频开关电源电路设计的要求提出漏感和分布式电容限定值，在变压器的线圈结构设计中实现，而趋肤效应影响则作为选择导线规格的条件之一。

在给定的设计条件下磁感应强度和电流密度是进行变压器设计时必须计算的参数。

当电路主拓扑结构，工作频率，磁芯尺寸给定后变压器的功率与磁感应强度和电流密度的乘积成正比。

当变压器尺寸一定时，磁感应强度和电流密度选的高一些，则某一给定的磁芯可以输出更大的功率，反之为了得到某一给定的输出功率，磁感应强度和电流密度选的高一些，变压器的尺寸就可以小一些，因而可以减小体积，减轻重量。

但是，磁感应强度和电流密度得提高受到电性能各项技术要求的制约，例如，若磁感应强度过大，励磁电流过大，造成波形畸变严重，会影响电路安全工作并导致输出纹波增加。

若电流密度很大，铜损增加，温升将会超过规定量。

因此，在确定磁感应强度和电流密度时，应把对电性能要求和经济设计结合起来考虑。

2.2.1 RCD 箝位正激变换器变压器磁复位条件在开关开通时：在开关断开时： 据变压器伏秒面积平衡原理: 式(2-10)=式(2-11)Vi ·Ton=Vc ·ToffVi ·D=(1-D)·Vc于是得到:结论:占空比不仅与输入电压有关还与箝位电压有关，而与输出电压和负载无关。

[]62.2.2 变压器磁芯材料的选取绝大多数的软磁材料是在交变磁场下工作的.在选用软磁材料时,重要考虑的因素是工作磁通密度,磁导率,损耗大小,工作环境及材料的价格等. 钴基非晶和铁基微晶比铁氧体有更高的饱和磁感应和相对较高的损耗，高的居里温度和温度稳定性，但价格比较贵，同时磁芯规格不完善，特别适宜用大功率或耐受高温和冲击的军用场合。

磁粉芯一般比铁氧体有更高的饱和磁感应，用磁粉芯的电感比铁氧体磁芯的体积小，但在100kHz 以上，损耗大，很少再用磁粉芯。

功率铁氧体，高频下材料具有很高电阻率，因而涡流损耗低、价格低是高频变压器磁芯首选材料。

但磁导率通常较低，磁化电流因此较大，有时需用缓冲和箝位电路处理。

适用于10kW 以下，最高频率达1MHz 以下的任何功率变换器。

铁氧体的电阻率大约在106～1012μΩ·cm ，适用于几千到几百兆Hz 的11(210)ON Vi Vi t T N N φ∆=⋅∆=⋅-11(211)Off Vc Vc t T N N φ∆=⋅∆=⋅-VcD Vi Vc=+频率之间。

对铁氧体软磁材料的主要要求是：初始磁导率μ高，比损耗（单i位体积或重量）小,磁导率随温度的变化要小等。

锰锌和镍锌铁氧体是常用的材料。

可用来制作滤波电感，高频功率变压器，谐振电感等。

铁氧体材料最高工作频率主要受损耗限制。

在一定的允许损耗下，频率提高，工作磁通密度相应减少，与提高频率来减少磁芯体积相矛盾。

一般建议的磁通密度是在工作频率下权衡损耗、体积、结构和效率的结果，不是绝对的。

例如PHILIPS 建议变压器磁芯：<100kHz 可用3C81、3C90、3C91、3C94 和3C96 等；<400kHz 可用3C90、3C94 和3C96 等；200kHz～1MHz 可用3F3、3F4 和3F35；1～3MHz 可用3F4 和4F1；>3MHz 可用4F1 等。

电感磁芯：<500kHz 可用3C30 和3C90;<1MHz可用3C90、3F3 和3F35 等等。