第1章Flyback正激变换器的工作原理.doc

Flyback正激变换器的工作原理 1.1 引言 有隔离变换器的DC/DC变换器按照铁芯磁化方式，可分为双端变换器(全桥、半桥、推挽等)和单端变换器(正激式、反激式等)。和双端变换器比较，单端变换器线路简单、无功率管共导通问题、也不存在高频变换器单向偏磁和瞬间饱和问题，但由于高频变换器只工作在磁滞回线一侧，利用率低。因此，它只适用于中小功率输出场合。 单端正激变换器是一个隔离开关变换器，隔离型变换器的一个根本特点是有一个用于隔离的高频变压器，所以可以用于高电压的场合。由于引入了高频变压器极大的增加了变换器的种类，丰富了变换器的功能，也有效的扩大了变换器的使用范围。 单端正激变换器拓扑以其结构简单、工作可靠、成本低廉而被广泛应用于独立的离线式中小功率电源设计中。在计算机、通讯、工业控制、仪器仪表、医疗设备等领域，这类电源具有广阔的市场需求。当今，节能和环保已成为全球对耗能设备的基本要求。所以，供电单元的效率和电磁兼容性自然成为开关电源的两项重要指标。而传统的单端正激拓扑，由于其磁特性工作在第一象限，并且是硬开关工作模式，决定了该电路存在一些固有的缺陷：变压器体积大，损耗大；开关器件电压应力高，开关损耗大 dv/dt和di/dt大??? 为了克服这些缺陷提出了有源钳位正激变换器拓扑，从根本上改变了单端正激变换器的运行特性，并且能够实现零电压软开关工作模式，从而大量地减少了开关器件和变压器的功耗，降低了dv/dt和di/dt，改善了电磁兼容性。因此，有源钳位正激变换器拓扑迅速获得了广泛的应用为方便论述，我们将第一章中的有源箝位正激变换器原理图再画在这里，如图1-1所示。 图1-1 （a）Flyback箝位电路 箝位开关T2与主功率开关T1的驱动信号互补，有变压器原边绕组伏秒积平衡原理可知，图2-1(a)电路箝位电压为： (1-1) 式中 —占空比 式(1-1)与Flyback变换器相似，称之为单端反激式Flyback箝位[5](简称Flyback箝位)。 图1-1 (b) Boost箝位电路 图1-1(b)电路箝位电压为： (1-2) 式(2-2)与Boost变换器相似，称之为升压式Boost箝位(简称Boost箝位)。这两种箝位电路工作原理基本相同，只是回馈到输入电源中的电流谐波不同。本文主要以Flyback箝位电路为研究对象，但其研究结论同样适用于Boost箝位电路。 为简化分析过程，特作如下假定：(1)电路中的电感、电容、二极管均为理想元器件；(2)输出滤波电感足够大，以至于可将其等效为一恒流源Io；(3)将变压器等效为激磁电感Lm与一理想变压器原边并联，忽略其漏感；(4)主开关T1只考虑其寄生输出电容Cds忽略其他寄生参数；(5)对箝位开关T2，只考虑寄生反并联二极管Ds2，忽略其他寄生参数。根据以上假设，可得到图1-2所示的等效原理图。 图1-2 有源箝位正激变换器等效原理图 Fig.1-2 Equivalent schematic diagram of the active clamp forward converter 在图1-1(a)中，当输出电感Lf工作在电流连续(CCM)模式时，该有源箝位正激变换器主要变量的稳态工作波形如图1-3所示。下面分七个阶段分析其工作过程。 (1) t0～t1：向负边传输能量阶段 t=t0时刻使T1导通，T2处于关断阶段，则D1导通，变压器原边向负边传输能量，同时激磁电感Lm上的电流以斜率Ui/Lm线性上升。等效电路如图1.4(a)所示。 (2) t1～t2：Cds充电阶段 t=t1时，T1被关断，激磁电流iLm与变压器原边电流I o/N(N为变压器变比)同时对Cds充电。由于变压器原边电流远远大于激磁电流，电容Cds主要由原边电流Io/N充电，可近似认为其端电压uds(也即主开关T1漏源间的电压)线性上升如图1-4(b)所示。 (3) t2～t3：D2续流阶段 t=t2时，uds＝Ui，D1关断，D2续流。又由于Cds很小，充电时间t12=t2-t1很短，可近似认为激磁电感电流Im1在这段时间内维持不变，在等效电路1-4(c)中简化为电流值为Im1的电流源，Im1为t1时刻激磁电感的电流值，如图1-3所示。 图1-3 带Flyback箝位电路的有源箝位正激变换器的原理波形 Fig.1-3 Schematic waveforms of the active clamp forward converter with flyback clamp (4) t3～t4，Lm与Cds谐振阶段 t2时刻以后，变压器不再向负载传送能量，原边电流下降为0，Lm与Cds串联谐振，等效电