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【电源设计】06正激式开关电源

不僈 2023-09-05 原文

前言

  • 本文主要介绍正激式开关电源相关内容。

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文章目录

1.正激工作机制分析

1.1简介

  • 正激式开关电源是指使用正激高频变压器隔离耦合能量的开关电源,正激式开关电源中结构比较复杂,输出功率高,适用于低压,大电流(100W-300W)的开关电源,应用广泛。
  • 正激的变压器只有变压功能,单端正激(Forward)变换器是在buck的基础上加入变压器隔离,单端 —— 变压器磁通仅在单方向变化;正激 —— 开关管导通时电源将能量直接传送给负载。整体可以看成一个带变压器的buck电路。

1.2原理

  • 基本拓扑(单端)


    双管正激拓扑:

  • 变换过程类似下图

第1步∶加入隔离变压器;
第2步︰加入磁复位电路;
第3步︰加入阻断二极管。

  • 单端正激由于加入隔离变压器导致要考虑磁芯磁通的问题,如上图,如果没有磁复位电路,每次开关管导通Up都会给磁芯充磁,且整个周期没有退磁的过程,这样变压器的磁芯磁通肯定会饱和,
  • 因此,必须加入磁复位电路。

  • 开关管导通的时:N1绕组电压、电流都是上正下负,同时次级N2电压也是上正下负,向负载供电,而N3绕组电压下正上负,由于二极管D3的单向导电性,N3绕组无电流。这个阶段N1绕组给磁芯充磁。
  • 当开关管关断时:各绕组电压极性都反转,N1、N2绕组都无电流,而N3绕组(电压上正下负)通过电源和DR形成回路,绕组电流下正上负,给磁芯退磁,同时把能量回存到电源中(给电源滤波电容充电),也防止N1组产生过高的反峰电压将开关管击穿,一举三得。磁芯磁通在每个开关管截至期间被释放掉。

1.3原理总结

缺点

  • 防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿,需要增加反电动势绕组
  • 次级多加1个电感进行储能滤波,成本较高
  • 正激式开关电源变压器的体积要比反激式开关电源变压器的体积大。
  • 正激是初级工作次级也工作,次级不工作有续流电感续流,一般是CCM模式。功率因数一般不高,而且输入输出和变比占空比成比例。
  • 正激变压器是理想的,不储能,但是由于励磁电感是有限值,励磁电流使得磁芯会大,为避免磁通饱和,变压需要辅助绕组进行磁通复位。

2.反激开关电源设计关键与元器件选型分析

  • 选择合理电源IC,若开管集成在IC内部的话,输出电流能力有限。
  • 环路合理设计,反馈电阻原理高压部分,不以防止高压部分干扰耦合近反馈回路。
  • 其他要点与反激以及三种基本拓扑要点一致。

3.设计案例

以下完全搬自链接: CCM模式下电路参数的设计
CCM模式下电路参数的设计
Q:设计一正激式变换器,要求工作于电感电流连续状态,技术指标要求如下:
1、输入直流电压:100~150V;
2、输出直流电压:5V;
3、最大输出电流:5A;
4、最小输出电流:0.1A;
5、输出电压纹波峰峰值:100mV;
6、开关频率:100kHz。

主电路参数设计目标
1、变压器设计:需求得变压器匝数比、变压器额定功率两个参数。
2、电感参数设计:求得电感量与最大有效值电流、最大峰值电流三个参数。
3、电容参数设计:需得到电容量与额定电压两个参数。
4、开关管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数。
5、二极管选择:需得到额定电流、额定电压两个参数

3.1变压器参数计算

开关管导通时:

开关管关断:

同时由于一个周期内磁芯磁通的增量一定得小于减量,所以单端正激对开关管D也有要求:

3.2电感参数设计

电感电流连续的临界条件同BUCK电路,

3.3电容参数设计

3.4输出整流二极管参数计算

阻断二极管D2有效电流可以参考BUCK的MOS:

续流二极管D1电流参数计算参考BUCK电路二极管:

二极管D1和D2承受最大电压是一样的,都是变压器副边电压 = Us max*N2/N1 =15V,故其承受的最大电压为15V,其额定电压取30V以上(取两倍的安全裕量)。D2的额定电流取5A以上,D1的额定电流取6A以上,都可选择快速恢复二极管或肖特基二极管。

3.5MOS管参数计算

MOS管额定电流一般要求取MOS管最大有效值电流的2~3倍.

3.6磁通复位绕组N3续流二极管D3参数计算

由于N1=N3,D3续流电流为变压器的励磁电流,励磁电流的详细计算需要先确定磁芯,一般可以粗略考虑复位绕组的额定电流(D3的额定电流)为主绕组额定电流(MOS管额定电流)的10%~30%,因此,D3额定电流为ID3 =

4.正激反激对比

工作原理不同:

  • 正激是初级工作次级也工作,次级不工作有续流电感续流,一般是CCM模式。功率因数一般不高,而且输入输出和变比占空比成比例。
  • 反激是初级工作,次级不工作,两边独立开来,一般DCM模式下,但是变压器的电感会比较小,而且需要加气隙,所以一般适合中小功率情况。
  • 正激变压器是理想的,不储能,但是由于励磁电感是有限值,励磁电流使得磁芯会大,为避免磁通饱和,变压需要辅助绕组进行磁通复位。
  • 反激变压器工作形式可以看做耦合电感;电感先储能,再放能,由于反激变压器的输入、输出电压极性相反,固当开关管断开之后,次级可以提供磁芯一个复位电压,因而反激变压器不需额外增加磁通复位绕组。

结束语

参考资料:
链接1: 正激与反激—电路分析、设计要点与参数选择
链接2: 链接: 单端正激(Forward)变换器的工作原理&CCM模式下电路设计参数计算
链接3: 什么是电源正激和反激? 正激和反激有什么区别特点?如何快速区分

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