反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤

反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤齐纳管吸收漏感能量的反激变换器：0.设计前需要确定的参数A开关管Q的耐压值：VmqB输入电压范围：Vinmin～VinmaxC输出电压VoD电源额定输出功率：Po（或负载电流Io）E电源效率：XF电流/磁通密度纹波率：r（取0.5，见注释C）G工作频率：fH最大输出电压纹波：Vopp1.齐纳管DZ的稳压值VzVz=Vmq×95%-Vinmax，开关管Q承受的电压是Vin+Vz，在Vinmax处还应为Vmq保留5%裕量，因此有Vinmax+VzVmq×95%。2.一次侧等效输出电压VorVor=Vz/1.4（见注释A）3.匝比n（Np/Ns）n=Vor/(Vo+Vd)，其中Vd是输出二极管D的正向压降，一般取0.5～1V。4.最大占空比的理论值DmaxDmax=Vor/(Vor+Vinmin)，此值是转换器效率为100%时的理论值，用于粗略估计占空比是否合适，后面用更精确的算法计算。一般控制器的占空比限制Dlim的典型值为70%。-----------------------------------------------------------------------------上面是先试着确定Vz，也可以先试着确定n，原则是n=Vin/Vo，Vin可以取希望的工作输入电压，然后计算出Vor，Vz，Dmax等，总之这是计算的“起步”过程，根据后面计算考虑实际情况对n进行调整，反复计算，可以得到比较合理的选择。-----------------------------------------------------------------------------5.负载电流IoIo=Po/Vo，如果有多个二次绕组，可以用单一输出等效。6.一次侧有效负载电流IorIor=Io/n，由Ior×Np=Io×Ns得来。7.占空比DD=Iin/(Iin+Ior)，其中Iin=Pin/Vin，而Pin=Po/X。这里Vin取Vinmin。（见注释B）8.二次电流斜坡中心值IlIl=Io/(1-D)9.一次电流斜坡中心值IlrIlr=Il/n10.峰值开关电流IpkIpk=(1+0.5×r)×Ilr11.伏秒数EtEt=Vinmin×D/f，（Et=Von×Ton=Vinmin×D/f）12.一次电感LpLp=Et/(Ilr×r)13.磁芯选择（1）Ve=0.7×(((2+r)^2)/r)×(Pin/f)，Ve单位cm^3；f单位KHz，根据此式确定磁芯有效体积Ve，寻找符合此要求的磁芯。（见注释D）（2）最适合反激变压器的磁芯是“ECores”和“UCores”，“ETD、”ER、“RM这三种用于反激性能一般，而“PlanarE”、“EFD、”EP、“P、”Ring型不适合反激变压器。（3）材质选锰锌铁氧体，PC40比较常用且经济。14.一次匝数NpNp=(1+2/r)×(Von×D)/(2×Bpk×Ae×f)，其中Von=Vinmin-Vq，Vq是开关管Q的导通压降；Bpk不能超过0.3T，一般反激变压器取0.3T；Ae是磁芯的有效截面积，从所选磁芯的参数中查的。（公式推导见注释E，说明见注释F）15.二次匝数NsNs=Np/n，此值小数不可忽略时向上取整，如1.62T取2T，然后重新计算Np=Ns×n。16.匝数调整后实际磁通密度变化范围验证Bpk=Bpk0×Np0/Np，Bpk0、Np0是调整前的磁通密度峰值和一次匝数。（根据：Bpk与匝数成反比）dB=(2r/(r+2))×Bpk17.气隙系数zz=(1/Lp)×(u×u0×Ae/le)×Np^2，其中u是磁芯材料的相对磁导率，Ae、le分别是磁芯的有效截面积和有效长度，这些参数由磁芯手册提供，u0是真空磁导率，值为4×PI×10^(-7)。（见注释G）18.气隙长度lglg=le×(z-1)/u，其中u是磁芯材料的相对磁导率。（见注释G）19.绕组导线的集肤深度hh=66.1×(1+0.0042×(T-20))/f^0.5，所得单位为mm，其中T是工作温度，可取80，即最高环境温度40摄氏度时可以有40度的温升。20.绕组导线的线径dd=2h，若选用铜皮，则铜皮厚度同样按此计算，即2h。21.绕组导线的电流承载能力ImIm=PI×(d/2)^2×J，其中J是电流密度，反激变压器一般取典型值493A/cm^2（400cmil/A）。22.一次绕组导线的股数MpMp=Ilr/Im23.二次绕组导线的股数MsMs=Il/Im24.确定变压器组装结构根据上面计算的变压器各项参数，合理安排绕组排列、绝缘安排等，绕组安排（从磁芯由近及远）可参考如下：（1）一般排列是，一次，二次，反馈。（2）二次，反馈，一次，这种排法有利于一次绕组对磁芯的绝缘安排。（3）一半一次，二次/反馈，一半一次，这种排法有利于减少漏感。25.输出二极管的额定电流IdmIdm=2×Io（见注释H）26.输出二极管的额定电压VdmVdm=(1+20%)×(Vo+Vinmax/n)（见注释I）27.开关管的额定电流IqmIqm=2×Ilr×(D×(1+r^2/12))^0.5（见注释J）28.开关管的额定耐压VqmVqm=(1+20%)×(Vor+Vinmax)（见注释K）29.输入电容值CinCin=Kcp×Po/X，系数Kcp取经验值3uF/W。30.输入电容额定电流纹波IcindIcind=Ilr×(D×(1-D+r^2/12))^0.5（见注释L）31.输入电容的耐压VcinVcin=(1+30%)×Vinmax，30%为保留裕量。32.输出电容值CoCo=Io×D/(f×Vopp)，（见注释M）33.输出电容额定电流纹波IcodIcod=Io×((D+r^2/12)/(1-D))^0.5（见注释N）34.输出电容的耐压VcoVco=(1+30%)×Vo，30%为保留裕量。35.反向二极管D1的耐压Vd1Vd1=(1+20%)×Vinmax，20%为保留的裕量。36.反向二极管的电流Id1Id1=0.2×Ilr（见注释O）37.漏感LlkLlk=Lp×0.05，根据经验取一次电感的5%，一般反激变压器为2%～20%。38.齐纳管功率PzPz=Llk×Ipk^2×(Vz/(Vz-Vor))×f，此处为2倍计算的功率值以留足够裕量。（见注释A）-----------------------------------------------------------------------------齐纳管损耗可能会比较大，以致无法找到合适器件，所以需要对尖峰吸收电路进行更改，实际应用中一般较多采用RCD电路对漏感尖峰进行吸收，下面的计算针对此RCD电路。-----------------------------------------------------------------------------RCD吸收漏感能量的反激变换器：39.RCD电路电容最大电压Vcmax（见注释P）Vcmax=Vor/D40.RCD电路电容值Crcd（见注释P）Crcd=Ipk^2×Llk/(Vcmax^2×(1-e^(2×ln(D)/(1-D)))41.RCD电路电阻值Rrcd（见注释P）Rrcd=(D-1)/(C×f×ln(D))42.RCD电路电阻功率Pr（见注释P）Pr=Llk×Ipk^2×f，此值为2倍的电阻实际消耗功率，以留出足够裕量。--------------------------------------------------------------------------------------------如果漏感损耗较大，或考虑进一步提高效率，齐纳管钳位和RCD吸收都无法满足要求，可以考虑LCD无损吸收网络，它可以把漏感能量重新返回输入电容，下面的计算针对此部分。--------------------------------------------------------------------------------------------LCD无损吸收的反激变换器：43.缓冲电容低压Vcr0（见注释Q）Vcr0=Vor（根据情况可选择略高于此值）44.缓冲电容高压Vcr1（见注释Q）Vcr1=k×Vcr0，k是系数，可根据情况选1.5～3，也可以更高，但需注意Q的耐压。45.缓冲电容值Cr（见注释Q）Cr=Llk×Ipk^2/(Vcr1^2-Vcr0^2)46.储能电感值Lr（见注释Q）Lr=Lr=D^2/(Cr×f^2×(arccos(Vcr0/Vcr1))^2)47.储能电感额定电流Ilrm（见注释Q）Ilrm=1.5×(Cr/Lr)^0.5×Vcr1×sin(D/(f×(Lr×Cr)^0.5))，此值为最大电流值的1.5倍，考虑了留出裕量。至此电路中所有元件的主要参数计算完毕。注释A齐纳管钳位损耗Pz=0.5×Llk×Ipk^2×(Vz/(Vz-Vor))×f，其中Llk是所有漏感--不只是一次漏感Llkp，Ipk是一次电流的峰值。通过此式可看出若Vz接近Vor，则损耗巨大；若以Vz/Vor为变量画出钳位损耗的曲线，则所有情况下，Vz/Vor=1.4均为曲线上的明显下降点。B1.变压器中电流情况有Iin/D=Ior/(1-D)，由此得D=Iin/(Iin+Ior)；2.所有设计均在Vinmin下进行。C设计离线变压器时，考虑降低损耗、减小体积等原因，通常将r设定为0.5左右。D反激电源变压器一般绕线不成问题，即不大设计窗口面积使用问题，所以不必用AP法。EVon=Np×Ae×(dB/dt)-Von×dt=Np×Ae×dB-Np=（Von×dt)/(dB×Ae)=(Von×D/f)/(dB×Ae)=(Von×D)/(dB×Ae×f)=(Von×D)/((2r/(r+2))×Bpk×Ae×f)=(1+2/r)×(Von×D)/(2×Bpk×Ae×f)FNp计算完后应验证此值是否适合磁芯的窗口面积，及骨架、隔离带、安全胶带、二次绕组和套管等，通常在反激变压器中这些都不会有问题；如果需要减少Np，可以考虑增大r，减小D，或增大磁芯面积，但磁导率和气隙不会解决问题。G电感与磁导率的相关方程：L=(1/z)×(u×u0×Ae/le)×N^2，其中气隙系数z=(le+u×lg)/le。对于铁氧体材料的气隙变压器，z取值10～20是较好的折中选择。H反激（buck-boost）中二极管平均电流等于负载电流Io，损耗是Pd=Io×Vd，而二极管正向压降Vd随其额定电流上升而下降，故折中考虑，选取其额定电流为2×Io。IBuck-boost中二极管最大承压是Vinmax+Vo，在反激中Vinmax折算到二次侧为Vinmax/n，同时给额定值留出20%的裕量，所以最终选择二极管的额定耐压定位Vdm=Vdm=(1+20%)×(Vo+Vinmax/n)。J对所有拓扑，开关管有效值电流在Dmax处最大，且Iqrms=Il_dmax×(Dmax×(1+r_dmax^2/12))^0.5，开关管的损耗Pq=Iqrms^2×Rds，其中Rds是开关管的正向压降，此压降随开关管的额定电流增大而减小，所以折中选择开关管的额定电流为2×Iqrms。KBuck-boost中开关管最大承压是Vinmax+Vo，在反激变换器中Vo折算到一次侧为Vor，同时给额定值预留20%的裕量，所以最终选择开关管的耐压为Vqm=(1+20%)×(Vor+Vinmax)LBuck-boost中输入电容最恶劣电流有效值发生在Dmax，其值为Irms_cin=Il_dmax×(Dmax×(1-Dmax+r_dmax^2/12))^0.5，一般选择电容时其额定纹波电流应等于或大于此值。M根据如下：Co实际上需要维持t_on时的电荷流失，此电荷量为dQ=Io×t_on，而此时电容电压的变化是dUco=dQ/Co=Vopp，由此得Co=lo×t_on/Vopp。NBuck-boost中输出电容最恶劣有效值发