基于反激变换器拓扑结构的电源设计

基于反激变换器拓扑结构的辅助电源设计摘要：介绍了反激变换器的基本原理、拓扑结构、应用范围。重点阐述了反激变换器的三种工作模式及在不同模式下的电流、电压变化情况，随后提出了RCD吸收电路，最后设计出了一种基于反激变换器原理输出12V和9V直流电源拓扑，重点介绍了TOPSwitch开关控制芯片并详细介绍了辅助电源设计步骤，论证了设计的合理性。关键词：反激变换器；RCD吸收电路；TOPSwitch；辅助电源0引言反激变换器的拓扑在输出功率为5~150W电源中应用非常广泛。它最大的优点是不需要接输出滤波电感，使反激变换器成本降低，体积减小。这种拓扑广泛应用于高电压、小功率场合（电压不大于5000V，功率小于15W）。当直流输入电压较高（不小于160V）、初级电流适当时，该拓扑也可以用在输出功率达到150W的电源中。由于输出端可不接滤波电感，该拓扑在高压不是很高的场合下很有优势，相反，正激变换器由于输出滤波电感必须承受高压而带来了很多问题。此外，反激变换器不需要高压续流二极管，使它在高电压场合下应用更有利。输出功率为50~150W且有多组输出的变换器也常常采用这种拓扑。由于不需要输出电感，输入电压和负载变化时反激变换器的各输出端都能很好地跟随调整。只要变压器匝比取得合适，直流输入从低至5V到常用的有115V交流整流得到的160V的场合，都可采用反激拓扑。若选择合适的匝比，则这种拓扑也可用于由220V交流整流得到的320V的场合。1反激变换器稳态分析1.1反激变换器稳态原理反激变换器电路拓扑，如图1所示，变压器兼起储能电感作用。根据电感电流是否连续将反激变换器分成电感电流连续模式（CCM）、电流临界连续模式、电流断续模式（DCM）。不同模式时电感电流波形，如图2所示，图中i1，i2分别为反激变换器变压器原副边电感电流，D为开关S的占空图1反激变换器电路拓扑比，Ts为变换器开关周期。00000DTsTsTs0Ts(1+D)TsDTs(1+D)TsDTs(1+D)Ts1i1i1i2i2i2itttttt)a()b()c(CCM模式DCM模式电流临界连续模式图2电感L1和L2的电流波形1.2电流连续模式电流连续模式表示副边电感电流i2在开关S截止期间没有下降到零。根据磁通连续性原理可得i12oUD1DNNU(1-1)式(1-1)表明，输出电压的大小与负载无关。设反激变换器输出功率为Po,变换效率为η，则输入电流平均值为io1UPI(1-2)输入电流峰值为DL2TUDUPI1Siiop1(1-3)1.3电流断续模式电流断续模式表示副边电感电流i2在开关S截止期间已下降到零，反激变换器的输入功率和输出功率分别为tdtLUUT1P1iDTs0iSi1S22iL2TDU(1-4)oooIUP(1-5)设变换效率η=100%，由式(1-4)、(1-5)可得o1S22ioIL2TDUU(1-6)变换器工作于电流断续模式时，输出电压与负载有关，负载减轻时，输出电压升高。输入电流峰值为DLTUDUP2I1Siiop1(1-7)1.4电流临界连续模式电流临界连续模式介于电流连续模式和电流断续模式之间，这种模式下，输出电压和输出电流同时满足式(1-1)和(1-6)。将式(1-1)代入式(1-6)得o1S2ON2i211SiogUL2FTU)D1(DNNL2TUII(1-8)式中Ig为临界连续电感电流。当占空比D=0.5时临界连续电流达到最大值Igmax211SimaxgNNL8TUI(1-9)将式(1-9)代入式(1-8)得)D1(DI4Imaxgg(1-10)再将式(1-9)代入式(1-6)，得电流断续模式下的外特性为oi212maxgoUUDNNI4I(1-11)1.5不同工作模式比较反激变换器工作于CCM和DCM模式时，工作情况比较如下：①由式(1-3)和(1-7)可知，在同样输出功率时，CCM比DCM模式峰值电流小得多，或者说选用相同电流容量的功率管CCM模式能输出更大的功率。②由式(1-8)可知，若变换器设计在整个工作状态电流连续，Ig=Iomin，最小输出电流为临界连续电流，电感量minoS2ON2iominoS2ON2i1P2FTUUI2FTUL（1-12）若变换器完全工作于断续模式，Ig=Iomax，最大输出电流为临界连续电流，电感量maxoS2ON2iomaxoS2ON2i1P2FTUUI2FTUL（1-13）由此可知，相同输出功率时，DCM模式比CCM模式电感量小得多，储能变压器体积也要小得多。③由外特性曲线可知，如果变换器工作于DCM模式，由负载变化引起的占空比调节范围很大，使调节困难，因此DCM模式一般用于负载变化很小且输出功率小的场合；变换器工作在CCM模式，对于输入电网电压以及负载的变化只需较小的脉宽变化便能维持输出电压Uo的恒定。④由图2（b）可知，DCM模式时变压器副边整流二极管在原边功率管再次开通前电流已下降到零，没有由于二极管反向恢复引起的振玲现象和由此引起的无线电干扰问题；CCM模式时，则存在副边整流二极管的反向恢复问题。2RCD吸收电路设计2.1RCD箝位电路设计RCD箝位电路图，如图2(a)所示，功率管S关断时，变压器漏感能量转移到电容C上，然后电阻R将这部分能量消耗掉。开关管导通过程中电容C不一定放电到零，因此功率管关断时，漏源电压上升过程中，一段时间内电容C不起作用，这有利于反激过冲。(1)功率管截止时，漏感能量等于电容C吸收的能量2reset2iDS2P1lkCU21)UU(C21IL21(1-14)式(1-14)中，Llk为变压器漏感、I1P为原边电感电流峰值、UDS为最大漏源电压、Ureset为电容C初始电压、Ui为输入直流电压。故2reset2iDS2p1lkU)UU(ILC(1-15)(2)电容C上的电压只是在功率管关断的一瞬间冲上去，然后应一直处于放电状态。在功率管开通之前，电容C上的电压不应放到低于(N1/N2)Uo，否则二极管D导通，RCD箝位电路将成为该变换器的一路负载。电阻R根据下式求得：o21RCTiDSUNNe)UU(OFF（1-16）电阻R额定最大功率，即箝位电路消耗的功率，为S2reset2iDSS2P1lkRF]CU21)UU(C21[FIL21P（1-17）(3)二极管D承受的峰值电压为Ui+(N1/N2)Uo，峰值电流为原边电感峰值电流I1P。RC取不同值时，电容C的电压波形如图3所示。图3(a)中，C取值较大，C上电压缓慢上升，副边反激过冲小，变压器原边能量不能迅速传递到副边。图3(b)中，R、C值合适，C上电压在开关管截止瞬间冲上去，然后二极管D截止，电容C通过电阻R放电，到功率管开通瞬间，C上电压应放到接近(N1/N2)Uo。图3(c)中，R、C均偏小，C上电压在管子截止瞬间冲上去，然后因为RC时间常数小，C上电压很快放电到等于(N1/N2)Uo，此时RCD箝位电路和GSUONTOFFTresetUresetUresetUo21U)N/N()a()b()c(o21U)N/N(o21U)N/N(副边负载一样，成为变图3RC取不同值时电容C的电压波形换器一路负载，消耗储存在变压器中的能量，效率降低。2.2RCD缓冲电路设计RCD缓冲电路图，如图1(b)所示。在开关管关断瞬间，有电流流过电容C和阻尼二极管D，开关管漏源间电压上升速度减慢。电阻R在开关管接通瞬间将电容C上电荷迅速放掉，并防止通过开关管的电流过分增加。(1)功率管截止时，漏感能量转移到电容C中去2DS2P1lkCU21IL21(1-18)式(2-18)中，Llk为变压器漏感、I1P为原边电感电流峰值、UDS为最大漏源电压。故2DS2p1lkUILC(1-19)(2)功率管导通期间，电容C上的电荷必须放完。放电电阻R为C)53(TDRSmin(1-20)电阻R额定最大功率（即箝位电路消耗的功率）为S2o21iRF)UNNU(C21P(1–21)(3)二极管D承受的峰值电压为Ui+(N1/N2)Uo，峰值电流为原边电感峰值电流I1P。不同C值时开关管S的UDS波形如图4所示。图4(a)中，C值合适，时间TF内，漏感能量转移到C上，C上电压上升；时间TB内，C上一部分能量通过变压器原边线圈送回电源，C电压下降，当C上电压下降到Ui+（N1/N2）Uo时，即箝位在此值，这种情况下，副边有合适的反激过冲，电能迅图4不同C值时开关管UDS波形速传到副边，功率管承受的峰值电压应力UDS值合适，开关损耗不大，箝位电路损耗为1/2C(Ui+N1/N2Uo)2FS。图4(b)中，C值偏小，反激过冲偏大，功率管承受的峰值电压应力UDS值偏大，开关损耗变大，但此时箝位电路损耗1/2C(Ui+N1/N2Uo)2FS比图4(a)中小。图4(c)中，C值偏大，变压器副边反激过冲太小，电能不能迅速传递到副边，到开关管开通时，C上只有极小部分能量送回电源，设电压为UON，则UONUi+N1/N2Uo，回路损耗1/2CUON2FS较大。FTBT高开关损耗大，关断时上升速度快DSUONU)a（)b()c(O21iUNNUO21iUNNUC值合适C值偏小C值偏大该电路中，功率管开通时C上电压必须放到0。正激变换器中采用该电路更合适。根据以上分析原理，本文提出了一种基于反激变换器拓扑结构的电源设计。3反激变换器式电源拓扑结构反激变换器式电源拓扑结构设计出输入直流电压：110V~344V，输出电压：12V，9V三组直流辅助电源，开关频率为100kHz，输出功率为20W。由于其功率较小，因此采用拓扑结构较简单的反激变换器，其控制采用开关芯片TOPSwitch。由于外围元件少，所以该电源设计的关键是开关变压器。反激式变压器工作在磁滞回线的第一象限，磁芯同时加有交流和直流，变压器磁芯的磁感应强度变化量△B变化较小。为了不使磁芯饱和，一定要加气隙。增加气隙时，磁芯的B-H曲线斜率减小，磁化强度变化量△H增加，其效果减少了磁芯的有效导磁率，同时减小了磁芯初级的电感量。变压器设计步骤：C150C146R192R193R195R196R194D130D119C128231Z108TL431Z1071243U114P521C114C151C134D132C157C154L102C148D133C156C153L101C147D131C155C152L100C158C159C149DRAIN3SOURCE2CONTRO1Q123TOP227Q122R189R163R137Vin1GND2+12V3Q124R190R191C135C136R197*****23456798110T102Vin1GND2+9V3Q125Vin+Vin-+9V+12V-12VGND图512V，9V三组直流辅助电源原理图设计步骤如下：选择磁芯：根据输出功率，选磁芯EE25，有效面积Ae=42.2mm2TOPSwitch中MOSFET工作时的最大导通时间Ton：查手册，TOP227Y的最大占空比在64%-70%之间，取最大占空比50%，则MOSFET工作时的最大导通时间为：sfDTon5)10100/(5.0/3(3-23)式中，Ton为最大导通时间，D为开通占空比，f为开关频率。最低初级直流电压Vs：手册中给出，用TOP227Y设计的开关电源，其单相交流输入电压达85V~265V。经二极管整流、电容滤波后的直流电压，一般约为交流输入电压的1.3倍。所以，直流母线电压变化范围在110V与344VDC之间。开关电源工作的最恶劣情况为在最低输入电压时有最大负载，因此，最低初级直流电压Vs=110V。选择工作磁密：为了减小磁滞损耗，一般选△B=0.2T。计算原边匝数pN：166.65102.422.010511066eonspABTVN(匝)(3-24)取Np=66匝计算副边匝数Vs1：输出电压是12V时，设整流二极管压降0.7V，绕组压降0.6V，则副边绕组电