FLYBACK-反激变换器课件.ppt

1、OUTLINE 磁相关基本概念 电感和互感 反激变换器原理 反激变压器计算磁相关基本概念 磁感应强度B用单位长度的导线，放在均匀磁场中，通过单位电流所受到力的大小表示磁场强弱-B=F/(IL) ， 磁通垂直通过一个截面的磁力线总量 =Ad= ABdA 介质磁导率将不同磁介质用同一个系数来考虑，表征物质的导磁能力 在介质中，越大，介质中感应强度B就越大 磁场强度H磁场中某点的B与该点的比值定义为该点的磁场强度H H=B/ 电磁基本定律 安培环路定律在电流产生的磁场中，矢量H沿任意闭合曲线的积分等于此闭合曲线所包围的所有电流的代数和 法拉第定律当通过线圈的磁通发生变化时，在线圈两端就要产生感应电动

2、势。磁通变化越快，感应电动势越大，即感应电动势大小正比于磁通变化率cosLLHdlHdlI Nt电磁基本定律 楞次定律法拉第定律只阐明了感应电动势与磁通变化率之间的关系，并没有说明感应电动势的方向。楞次定律阐明了磁通与感生电动势产生的感生电流方向上的关系：感生电流总是试图维持原磁通不变。即感应电动势为法拉第定律和楞次定律总称电磁感应定律。ddNdtdt电磁能量关系为研究简化，以如图线圈为例高磁导率材料磁芯储存很少的能量。在高磁导率磁芯中串联一个非磁气隙，可减小磁芯的有效磁导率，从而增大磁芯储存能量的能力，高磁导率磁芯的储能很小，主要靠气隙储存能量。2200022ttBdddBuNNAdtdtd

3、tHliNdB HlBHWeuidtNAdtAHldBVVdt N 串联非磁气隙是为了抑制磁芯饱和！没错，也可以这么理解，相同电流对磁芯磁化，若未加入气隙，则容易饱和，若加入气隙则不容易饱和，即需要更大的电流，磁芯才会达到饱和，即说明加入气隙的磁芯线圈比不加气隙的磁芯线圈储存能量更大。磁路的欧姆定律 磁路指磁通或磁力线经过的闭合路径 磁路的欧姆定律对于磁芯磁导率为，截面积为A，平均磁路长度为l，通有电流为I的N匝线圈，有其中Um为磁动势Rm=l/(A)为磁阻Gm= A/l为磁导dHcosULLmmH ldlIHlNIBHlNIllRA 磁路服从电路的基尔霍夫定律 由基尔霍夫定律第一定律得:磁路

4、中任意一点的磁通之和为零=0由基尔霍夫定律第二定律得:沿某一方向的任意闭合回路的磁势的代数和等于磁压降的代数和IN=R或Hl= RN匝线圈电感的计算 电感系数的定义 由 可得Lim=NNG=ABABHHlil；2222/mNNBANALN GHliilNNNLNGiRNR气隙磁芯电感带气隙的磁芯磁路通常都是有很高磁导率的磁性材料和小的非磁气隙串联组成，等效磁阻可写为(Rl+R)，故L=N2 /(Rl+R),由于磁性材料的磁阻比气隙磁阻小得多，通常计算时磁性材料的磁阻忽略不计磁粉芯电感可等效为高磁导率材料磁芯与一个不同长度的气隙串联222/ALNRN GN22NALN Gl；是磁粉芯磁导率随偏置

5、电流加大而下降的百分比气隙磁芯电感应用 如果实际测量中电感值过大，不要减少匝数，这样可能会使损耗过大或磁芯饱和，可增加气隙来减少电感。 如果实际测量的电感值过小，可以增加匝数，但是磁芯利用率低，线圈损耗增大，最好通过减少气隙长度来增加电感。电感应用 滤波电感、升压电感、反激变压器都是“功率电感”家族的成员。它们的功能是从源端取得能量，存储在磁场中，然后将这些能量传输至负载 用于开关电源的电感有1)单线圈电感输出滤波电感(Buck)、升压电感(Boost)、反转式电感(Buck-Boost)和输入滤波电感2)多线圈电感耦合输出滤波电感、反激变压器3)EMI共模滤波电感电感的两个工作模式 电感电流

6、断续模式(DCM)瞬时磁势在每个开关周期都有一部分时间停留在零状态 此模式下，电感中储存的能量全部释放到负载中 电感电流连续模式(CCM)在一个周期内，电感的磁势没有停留在零状态 此模式下，电感中储存的能量不完全释放至负载中互感 互感现象由于N1和N2有磁的联系，即磁通11即通过N1，而且还有一部分12通过N2，i1变化时， 12也随之发生变化，因此在N2中也会产生感生电动势；反之，i2变化时，同样也会在N1中产生感生电动势。 互感系数11产生的磁通12与线圈N2磁链，M12称为线圈N1和N2之间的互感系数，简称互感。同理，N2和N1之间的互感系数为M21。121221212121121212

7、 1121NiNiM iMi其中与电流 成正比，对于一定，与电流 也成正比可表示为12211221,12MMMM MNN一般取定义为和之间的互感 耦合系数将N1线圈产生的互感磁通12与总磁通11之比称为N2对N1的耦合度k1;同理， N2线圈产生的互感磁通21与总磁通22之比称为N1对N2的耦合度k2为了表明耦合程度，通常采用k1和k2的几何平均根k来表示，称为耦合系数当k=1时，互感线圈为全耦合，此时互感最大所以，耦合系数k可表示为k=M/Mm互感1211212212kk1221122112 1 2212121121122112212 1 2121 112221212N N i iNNiiM

8、kkkN N i iiiNNLL 1 2mMLL变压器具有多线圈的全耦合电感，磁芯应保证所有线圈产生的大部分磁通经过高磁导率磁路 同名端判断在同一变化磁通的作用下，互感线圈的感应电动势极性始终保持一致的端点，称为同名端 1111111212211121111222ddiuNLdtdtddiuNMdtdtdddtdtuNLLnuNML因为是全耦合；1222122211didiuMLdtdtdiLLdiMLn反激变换器 工作原理：S导通时，变压器初级N1有电流i1，并将能量储存在电感中，此时N1与N2极性相反，二极管D反向截止，无能量传送至负载，变压器作电感运行，输出电容单独向负载供电。S关闭时，

9、变压器初级绕组将产生一反向电势，迫使二极管导通，存储在磁芯中的能量释放到输出电容和负载中。此时作变压器运作。1234ABCDEFGH4321HGFEDCBAVbVpVceIpIs(a)电流连续(b)电流断续ONOFFONONOFFONVinVbVpIpCEIsVsCR VceD0000IsmaxIsminTTonIpminIpmaxVinnVsnVsVinnVsnVsVinVinVinIpmaxIpmaxTonTn:1反激变换DCM计算在S导通期间，Np电压恒定，其电流线性上升，斜率为在导通结束前，初级电流上升到初级变压器储存能量为一个周期T内，源端Vin提供的功率为故保持Vin*Ton恒定，

10、即可保持输出恒定，可见Ton最大出现在输入最低的时候S关断瞬间，变压器次级电流幅值为令变换器效率为，则有输入功率= (1/)输出功率= (1/) Vo2/Ro 在Vin或Ro上升时减小Ton，Vin或Ro下降时增大Ton，从而使输出恒定/inpdiVLdtinonppV TIL22ppL IE (/)sppsII NN222()2ppinino nino npinppLIPTVTVTIPLL T2ooinonpRVV TTLDCM设计原则和步骤 确定初/次级匝数比Np/Ns开关管压降为首先选择开关管的额定电压，参数的选择应使Vds尽量小，但应保证即使有0.3Vin的漏感尖峰叠加于Vds，对开关

11、管的极限值仍有30%的裕度 保证磁芯不饱和并始终工作在 DCMpdsinosNVVVNinonorpspinonorsV TV TNNNV TVTN0.20.8onrdtposonpinosTTTTTNVTNTNVVN一般留出的裕度以保证电路工作在不连续模式DCM设计原则和步骤 初级电感计算式 初级电流有效值22222()2()()22inonooinpoinoninonpoooV TVPPL TRV TV TLRV TPT20()3onTponprmsponItdtTITITTDCM设计原则和步骤 次级电流有效值次级电流为三角波，峰值次级电流有效值为(/)sppsIINN223222()1(

12、)3()33rononrononTTsonrTsrmsTTsononTrprrspsItTdtTITItt TtTTTNTTIITNT1234ABCDEFGH4321HGFEDCBAVbVpVceIpIs(a)电流连续(b)电流断续ONOFFONONOFFONVinVbVpIpCEIsVsCR VceD0000IsmaxIsminTTonIpminIpmaxVinnVsnVsVinnVsnVsVinVinVinIpmaxIpmaxTonTn:1反激变换CCM计算因为CCM下，无Tdt，即Ton+Toff=T,故有在次级线圈中，电流时断续的，故有电量守恒ooffinonpspinonooffsp

13、onoinoffsV TV TNNNV TVTNNTVVTNmaxminmaxminmaxminmaxminmaxminmaxminmaxmin()22(1);(1)2(1)2;2(1)(1)2ssoffoossin onsspppooin onoin onossoopopppssooincsrcproinIITII TIIDV TIIIILnPPV TPV TIInInVVDLVDLIIIIIPPIIDVDV同理有/oinPDV D反激变换CCM计算 初级电感Lp令k=Is/2Is，k值越大，纹波越大，k值越小，纹波越小。通常选取k=0.050.1(1)22inoninininppscsroV TnV DnV DnV DDLII fkfIkfI输出电容选择 输出电容选择反激变换器输出滤波电容的容量比Buck调整器的大很多。对Buck调整器，开关关断时，滤波电容和滤波电感的储能同时向负载提供电流。但对反激变换器，滤波电容必须更大，因为在开关导通时只能由输出电容储能向负载提供电流。输出纹波主要由滤波电容的等效串联电阻ESR决定，Vpp=Ipp*ESR一般考虑ESR*C=65*10-6来求得输出电容值(该部分仅作参考) THE END THANK YOU!