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· 反激式變壓器基本原理和工作方式

基本原理和工作方式編輯基本原理
當開關晶體管Tr ton時,變壓器初級Np有電流 Ip,并將能量儲存于其中(E = LpIp / 2).由于Np與Ns極性相反,此時二極管D反向偏壓而截止,無能量傳送到負載.當開關Tr off 時,由楞次定律: (e = -N△Φ/△T)可知,變壓器原邊繞組將產生一反向電勢,此時二極管D正向導通,負載有電流IL流通.反激式轉換器之穩態波形
導通時間 ton的大小將決定Ip、Vce的幅值:
Vce max = VIN / 1-Dmax
VIN: 輸入直流電壓 ; Dmax : 最大工作周期
Dmax = ton / T
由此可知,想要得到低的集電極電壓,必須保持低的Dmax,也就是Dmax<0.5,在實際應用中通常取Dmax = 0.4,以限制Vcemax ≦ 2.2VIN.
開關管Tr on時的集電極工作電流Ie,也就是原邊峰值電流Ip為: Ic = Ip = IL / n. 因IL = Io,故當Io一定時,匝比 n的大小即決定了Ic的大小,上式是按功率守恒原則,原副邊安匝數 相等 NpIp = NsIs而導出. Ip亦可用下列方法表示:
Ic = Ip = 2Po / (η*VIN*Dmax)η: 轉換器的效率
公式導出如下:
輸出功率 : Po = LIp2η / 2T
輸入電壓 : VIN = Ldi / dt設 di = Ip,且 1 / dt = f / Dmax,則:
VIN = LIpf / Dmax 或 Lp = VIN*Dmax / Ipf
則Po又可表示為 :
Po = ηVINf DmaxIp2 / 2f Ip = 1/2ηVINDmaxIp
∴Ip = 2Po / ηVINDmax
上列公式中 :
VIN : 最小直流輸入電壓 (V)
Dmax : 最大導通占空比
Lp : 變壓器初級電感 (mH)
Ip : 變壓器原邊峰值電流 (A)
f : 轉換頻率 (KHZ)
工作方式
反激式變壓器一般工作于兩種工作方式 :
1. 電感電流不連續模式DCM (Discontinuous Inductor Current Mode)或稱 " 完全能量轉換 ": ton時儲存在變壓器中的所有能量在反激周期 (toff)中都轉移到輸出端.
2. 電感電流連續模式CCM ( Continuous Inductor Current Mode) 或稱 " 不完全能量轉換 " : 儲存在變壓器中的一部分能量在toff末保留到下一個ton周期的開始.
DCM和CCM在小信號傳遞函數方面是極不相同的,其波形如圖3.實際上,當變換器輸入電壓VIN 在一個較大范圍內發生變化,或是負載電流 IL在較大范圍內變化時,必然跨越著兩種工作方式.因此反激式轉換器要求在DCM / CCM都能穩定工作.但在設計上是比較困難的.通常我們可以以DCM / CCM臨界狀態作設計基準.,并配以電流模式控制PWM.此法可有效解決DCM時之各種問題,但在 CCM時無消除電路固有的不穩定問題.可用調節控制環增益編離低頻段和降低瞬態響應速度來解決CCM時因傳遞函數 " 右半平面零點 "引起的不穩定.
DCM和CCM在小信號傳遞函數方面是極不相同的.
DCM / CCM原副邊電流波形圖
實際上,當變換器輸入電壓VIN在一個較大范圍內發生變化,或是負載電流 IL在較大范圍內變化時,必然跨越著兩種工作方式.因此反激式轉換器要求在DCM / CCM都能穩定工作.但在設計上是比較困難的.通常我們可以以DCM / CCM臨界狀態作設計基準.,并配以電流模式控制PWM.此法可有效解決DCM時之各種問題,但在CCM時無消除電路固有的不穩定問題.可用調節控制環增益編離低頻段和降低瞬態響應速度來解決CCM時因傳遞函數 " 右半平面零點 "引起的不穩定.
在穩定狀態下,磁通增量ΔΦ在ton時的變化必須等于在"toff"時的變化,否則會造成磁芯飽和.
因此,
ΔΦ = VIN ton / Np = Vs*toff / Ns
即變壓器原邊繞組每匝的伏特/秒值必須等于副邊繞組每匝伏特/秒值.
比較圖3中DCM與CCM之電流波形可以知道:DCM狀態下在Tr ton期間,整個能量轉移波形中具有較高的原邊峰值電流,這是因為初級電感值Lp相對較低之故,使Ip急劇升高所造成的負面效應是增加了繞組損耗(winding lose)和輸入濾波電容器的漣波電流,從而要求開關晶體管必須具有高電流承載能力,方能安全工作.
在CCM狀態中,原邊峰值電流較低,但開關晶體在ton狀態時有較高的集電極電流值.因此導致開關晶體高功率的消耗.同時為達成CCM,就需要有較高的變壓器原邊電感值Lp,在變壓器磁芯中所儲存的殘余能量則要求變壓器的體積較DCM時要大,而其它系數是相等的.
綜上所述,DCM與CCM的變壓器在設計時是基本相同的,只是在原邊峰值電流的定義有些區別 ( CCM時 Ip = Imax - Imin ).

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