反激DCDC功率变换器的拓扑分析.docx
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反激DCDC功率变换器的拓扑分析
毕业论文（设计）
论文题目：
反激DC-DC功率变换器的拓扑分析
学生姓名：
学号：
所在院系：
电气信息工程学院
专业名称：
自动化
届次：
2013届
指导教师：
目录
1反激DC-DC功率变换器的拓扑简介2
1.1研究背景和研究目的2
1.2反激DC-DC功率变换器的发展现状2
1.3反激变换器的概述3
1.4反激DC-DC功率变换器的基本原理3
1.5反激变换器的类别和组成4
1.6反激DC-DC和正激DC-DC的区别5
2反激DC-DC功率变换器存在的问题5
3结果与分析6
3.1反激变换器分析6
3.1.1不同输入电压下的变压器电压波形7
3.1.2反激变换器的应用7
3.2二极管吸收双反激变换器分析7
3.2.1基本双反激变换器7
3.2.2二极管吸收双反激的工作原理8
3.2.3不同输入电压下的变压器电压波形9
3.2.4二极管吸收双反激变换器的应用10
3.3变压器磁阻研究10
3.4变压器磁芯研究11
3.5电路介绍12
4问题与讨论12
参考文献13
反激DC-DC功率变换器的拓扑分析
摘要:
本文通过multisim仿真工具与模型建立理论相结合，对该电源的仿真研究,优化了电源的基本参数。
从物理模型与磁芯模型两方面完成整个开关电压系统的仿真研究，最后对开关电源进行了稳定性分析，确定了其稳定工作的条件。
由于反激DC-DC功率变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升／降范围宽、易于多路输出等优点。
因此，反激DC-DC功率变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑，有着重要意义。
关键词:
功率变换器；电路拓扑；开关电源
TopologicalanalysisofflybackDC-DCconverter
—Analysisofflybackswitchingpowersupply
Abstract:
Thisarticlethroughthemultisimsimulationtoolscombinedwithmodeltheory,simulationresearchonthepowersupply,optimizethebasicparameterofpowersupply.Fromtwoaspectsofphysicalmodelandthemagneticcoremodeltocompletetheentireswitchvoltagesystemsimulationresearch,andfinallythestabilityanalysisofswitchingpowersupply,itsstableworkconditionsweredetermined.BecausetheflybackDC-DCpowerconverterwithhighreliability,simplecircuittopology,inputandoutputelectricalisolation,ascending/descendingrangewide,easymultiplexedoutput,etc.Therefore,flybackDC-DCpowerconverterisanidealcircuittopology,smallandmedium-sizedpowerswitchpowersupplyhasimportantsignificance.
Keywords:
powertransformer;Circuittopology;Switchingpowersupply
前言
随着工业的高速发展，目前常用的线性电源和开关电源的直流稳压电源点，由于开关电源的硬件耗材比线性电源耗材少，对机器等指标的效果好，所以被广泛应用于运输、通信、仪器、军事、工业生产等领域正朝高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染的方向发展。
所以寻求高性能的开关电源是电力电子技术重要的研究内容。
反激DC_DC功率变换器的拓扑分析，分析反激变换器不能可靠工作的原因，对常见吸收方式的单反激变换器、双反激变换器的原理和特性进行探讨分析，最后对反激变换器进行一个系统的分析。
随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，反激DC_DC功率变换器的技术得到了迅速发展，它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用,基本工作原理和作用特性意义十分重大。
由于反激DC_DC功率变换器具有高可靠性、电路拓扑简洁、输入输出电气隔离、升／降范围宽、易于多路输出等优点。
因此，反激DC_DC功率变换器是中小功率开关电源理想的电路拓扑，有着重要意义。
1反激DC-DC功率变换器的拓扑简介
1.1研究背景和研究目的
反激DC_DC功率变换器的拓扑分析，主要目的是分析反激变换器不能可靠工作的原因，对常见吸收方式的单反激变换器、双反激变换器的原理和特性进行探讨分析，最后对反激变换器进行一个系统的分析。
随着电力电子技术，计算机技术，自动控制技术的迅速发展，反激DC_DC功率变换器的技术得到了迅速发展，它的出现为中小型逆变器的发展起了重要的推动作用,基本工作原理和作用特性意义十分重大。
随着工业的高速发展，目前常用的线性电源和开关电源的直流稳压电源点，由于开关电源的硬件耗材比线性电源耗材少，对机器等指标的效果好，所以被广泛应用于运输、通信、仪器、军事、工业生产等领域正朝高功率密度、高变换效率、高可靠性、无污染的方向发展。
所以寻求高性能的开关电源是电力电子技术重要的研究内容。
1.2反激DC-DC功率变换器的发展现状
目前常用的线性电源和开关电源的直流稳压电源点，电力电子技术由于反激DC_DC功率变换器可靠性高，电路结构简单，输入和输出电隔离，上升/下降范围广，易于多路输出，等等。
因此，反激式dc_dc功率转换器是一个理想的电路拓扑，中小功率开关电源具有重要的意义。
1.3反激变换器的概述
反激变换器拓扑结构简单、输入输出电气隔离、多个输出自动负载平衡和其他的优势,广泛用于多个输出机供电。
反激变换器中,变压器扮演双重角色的电感和变压器,变压器铁心在直流磁偏置,磁饱和加入气隙、大漏电感。
当停电的时候,有一个非常高的断开电压峰值,导致电压应力的开关,可能损坏功率管;传导,电感电流变化率。
所以在许多情况下,必须增加了吸收电路的功率管结束。
反激变换器的基本Buckboost转换器是一个理想的孤立的版本。
的基本结构高频功率变压器在反激变换器隔离的作用,能量存储的功能,进行直流电流,需要通过附加气隙可以工作不饱和磁密度。
由于隔离变压器这样（也称为一个耦合电感器）有泄漏,所以为了使反激变换器的基本工作可靠,你必须添加最后的吸收电路合适,产生一个反激变换器具有不同吸收法。
反激变换器的优点:
1、简单的电路,可以提供多个直流输出,因此适合多个输出的要求。
2、输入电压波动范围大,能够输出稳定,没有开关来实现稳定的输出要求。
3、高转换效率、小损失。
4、变压器匝比。
反激变换器的电路特点:
反激变换器是最简单的隔离变换器的输出和输入。
输出滤波器只需要一个滤波电容器,并不需要体积、重量大电感、低成本。
特别是在高电压输出,避免了随心所欲的二极管高电感和高压力。
功率晶体管的开启与零电流接通损失,小。
和二极管与零电流岔道,可以不考虑反向恢复问题。
反激变换器电路结构简单、输入输出电气隔离、电压调节范围,方便多个输出,因此是适合被用作辅助电力电子设备。
广泛用于多个输出机供电。
图1反激变换器的工作原理
1.4反激DC-DC功率变换器的基本原理
反激变换器的基本Buckboost转换器是一个理想的孤立的版本。
的基本结构高频功率变压器在反激变换器隔离的作用,能量存储的功能,进行直流电流,需要通过附加气隙可以工作不饱和磁密度。
由于隔离变压器这样（也称为一个耦合电感器）有泄漏,所以为了使反激变换器的基本工作可靠,你必须添加最后的吸收电路合适,产生一个反激变换器具有不同吸收法。
反激变换器的工作原理是:
主开关管传导,两侧二极管断开,变压器储能;主开关关闭时,两个侧二极管传导,变压器储能载荷释放。
它是不同的和转发变频器、变压器磁化电感向前转换器可以一般较小,代数每个绕组瞬时功率和零,只有变压器隔离,转换。
反激变换器的变压器是特殊的,它还发挥作用的储能电感,称为存储变压器（或电感变压器）。
为了防止负载电流大核心饱和度,反激变换器的变压器铁心填补这个缺口,减少核心渗透率,变压器的是更复杂的。
当开关关闭后,反激变换器的变压器存储可以加载到发布,核心自然复位,所以没有额外的反激式变换器磁复位措施。
核心自然复位条件是:
在开关接通和断开时间,变压器初级绕组承受电压相等的伏秒产品
CCM条件下，反激变换器的输出-输入电压变换比为
Vo/Vi=nD/（1-D）
（1）
式中n=N2/N1。
反激变换器主开关管承受的最大电压为Vi+Vo/n。
可以证明，反激变换器和隔离式Cuk变换器互为对偶。
反激的英文为Flyback，也有回扫的意思。
在电视接受器中，有一个产生很高直流电压的DC-DC变换器，驱使显像管电子束回扫，屏幕上的光点Fliesback（回扫）到另一行水平线的起始点，因此这类隔离式DC-DC变换器称为Flyback变换器，译为反激变换器。
1.5反激变换器的类别和组成
现代开关电源有两种：
一种是直流开关电源；另一种是电源交流开关。
这里主要介绍直流开关电源，其功能是把电能质量差的原动力，如电源或电池供电，满足设备的高质量的直流电压的要求。
直流开关电源的核心DC/DC是转换器。
因此，直流开关电源的分类的分类取决于DC/DC转换器。
也就是说，直流开关电源与DC/DC转换器的分类基本上是相同的，DC/DC转换器的直流开关电源的分类。
DC/DC转换器根据是否有输入和输出之间的电气隔离，可分为两种：
一种是所谓的孤立隔离DC/DC转换器；另一种是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。
隔离式DC/DC转换器还可根据有源设备的数量分类。
DC/DC转换器的单管具有正常的冲击式和反激式两种。
双管式DC/DC转换器有双管的反激式，推挽和半桥式。
1.6反激DC-DC和正激DC-DC的区别
反激式：
（1）电路拓扑结构简单，元量少，因此成本低。
但变换电路，单磁芯磁化，利用率低，峰值耐受电流和开关设备是非常大的，广泛用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中。
因为不需要输出滤波电感，容易实现多通道输出。
（2）正激式：
反激式转换器与拓扑结构相似，而核心是单向磁化的，是存在严格意义上的差异，变压器只起电气隔离变压器的作用，电路变压器的工作点只在磁化曲线的第一象限，没有得到充分利用，因此同样的功率，转换器尺寸、重量和损耗大于半桥式和桥式以及推挽式变换电路。
一般是看你的需求以及应用方式，正激式单方式一般采用的是更大的输出功率，输出电压质量较好，但需要一个大的储能电感。
部件的成本会更高。
反激式可以很容易的多路直流输出，但微波电压将稍大。
常用于需要更多的辅助电源模块的电源或其他低要求苛刻的应用。
反激式输出功率小，一般研磨间隙，输出更多的在几瓦到一百瓦，纹波较大，原理相当于一个储能电感，在一个象限工作。
正激变压器，在一个象限工作，励磁电流很小，励磁变压器不存储能量，能量隔离传输，变压器只储激磁能量，磁摆动小。
最简单的解释是，正激转换器降压电路隔离版本，反激式转换器和隔离降压-升压电路版，因此正激仅降压，反激式升压降压均可。
从设备的功能是励磁变压器无储能，每次工作完后，要用去磁绕组复位，否则磁通将达到饱和。
反激变压器有气隙，有电感储能功能，如降压-升压电感，可以解除压力。
建筑是不一样啊，正激的开关电源的变压器是一个纯粹的变压器，开关电源变压器没有能量存储，需要添加一个能量储存在电感的输出，最关键的是，能量存储电感器，超过200V是坏的。
正激电路，变压器只传递能量，副边电感储能元件是整流后。
事实上，反激式变压器的电路是一个耦合电感，能传递能量的同时存储设备。
正激理论和降压转换器电路的原理相似，即在功率开关和LC滤波器之间加了个变压器来提升或降低输入电压。
2反激DC-DC功率变换器存在的问题
反激DC-DC功率变换器存在的问题：
不能可靠工作
方便探究，不考虑开关器件和滤波电容的寄生参数，只将基本反激变换器中的变压器用图2
图2变压器
的等效电路代替且忽略二次侧的漏感，代入后的基本反激变换器如图3所示
图3基本反激变换器
每一个开关周期内，开关V导通时，二级管VD1截止，励磁电感Lm和漏感Lp被充电，储存能量，在开关V截止、二极管VD1导通时，励磁电感上储存的能量通过变压器被传递到输出，但漏感上的能量没有传递而突然降为零，这个突变，可造成开关V两端过电压，损坏V。
因此这个电路是不能正常工作的。
3结果与分析
3.1反激变换器分析
稳定的关系和特点：
提高反激变换器的效率，应尽量减少变压器漏感，尽量减少UDS振荡频率在满负荷和第一峰值的时间间隔，并不断优化变压器运行方式的变比和电感电流的工作模式优化。
但对于三绕组反激式效率的提高到与正激变换器同样的数值，甚至更高。
在忽略开关输出电压和寄生参数的影响，可以获得三绕组反激式稳定的关系和吸收特点如下：
1、可以低于输入电压，输出电压可以高于输入电压；2、输出电流不连续；3、输入电流不连续；4、最大占空比小于0.5；5、在BH第一象限变压器工作。
稳态关系式：
M=Uo/Ug=D/N（1-D）;Ig=MIo;Im=Io/N（1-D）;Rg=R/MM；Dmax<0.5;
（2）
三绕组吸收反激变化器的以上特点中，特征2和特征3与Buckboost变换器是一样的；特征1和特征4虽然本质上还是Buckboost变换器的特征，但因变压器的存在，可使一次侧开关的驱动不再需要隔离，通过变比的选择，可以让实际的占空比工作范围相对更加合理；特征5侧是新特性带来的三个绕组吸收。
稳态特性的这个新特性的转换器,可能是一个劣势,但与远期转换器,是绝对的。
变压器变压比的体积要大得多,因为它不仅是变压器,更重要的还是储能电感
从上面的分析,稳态特征的三个绕组吸收的反激变换器（效率和功率密度）在在小功率应用场合不一定比正激变换器差,但在高功率应用场合通常没有反激变换器好,它的动态小信号特点和Buckboost是完全不同的,因此它是不容易补偿。
因为大部分的三绕组吸收的反激变换器用于小功率开关电源,所以它可以选择工作模式设计电感电流,在这个模型中,小信号的特点是容易弥补的,但也可以减少补偿造成两侧的二极管反向恢复问题。
3.1.1不同输入电压下的变压器电压波形
当反激变化器闭环后，其变压器的电压在输入低限和输入高限下有如图如图（十）所示的波形。
从波形图可得，变压器的励磁伏秒=UgDTs，去磁付秒=NUo（1-D）Ts,从去磁付秒可得，变压器在高限下的付秒值和稳态磁密变化成正相关。
这个特征与正激变换器是不同的。
反激式，也保证了变压器起动不饱和的最大磁通密度时，在反激式开关电源的电压型控制，还需要添加在输出控制软启动电路，开关占空比缓慢上升，从零到稳态占空比的需要。
自动或峰值电流模式控制是用来限制电感变压器磁饱和。
由于反激式变换器的一般用在小功率场合，因此其控制主要采用峰值电流模式控制或CCM/DCM边界控制，从而启动磁饱和问题可以解决自动。
3.1.2反激变换器的应用
三绕组的反激变换器由于吸收元件少，成本低，被广泛应用于小功率开关电源产品，如早期的计算机电源，小功率直流-直流开关电源的辅助电源，高功率开关电源等，广泛应用于邮政电信，军事设备，运输设备，仪器仪表，工业设备，家用电器等领域，正朝着高功率密度，转换效率高，可靠性高、无污染的方向。
3.2二极管吸收双反激变换器分析
3.2.1基本双反激变换器
双反激变换器的基本结构如图4所示，它与以上分析的基本反激变换器不同，一次侧是变压器与两个有源开关串联，一个串联在V1而另一个串联在V2。
两个开关运用同相控制，即开通和关断是同步的。
这种结构的主要作用是可降低高压输入的同时开关V1和V2的电压应力，因此可运用耐压不高的开关器件，进而达到在高压输入和大功率输出时仍有较高的效率变换。
图4双反激变换器的基本结构
3.2.2二极管吸收双反激的工作原理
当只考虑变压器一次侧励磁电感、一次侧漏感和开关的寄生结电容时，图5的等效电路如图6所示。
类似于单反激的三绕组吸收电路，二极管VDc1和VDc2正偏导通的条件是在漏感和开关寄生结电容之间的振荡所导致的变压器一次侧反向电压大于Ug，并将每一个开关电压的尖峰钳位在Ug。
图7所示是二极管吸收双反激变换器的典型波形。
当开关V1和V2同时关断时，励磁电感电流的峰值首先对开关V1和V2的结电容充电，在这两个开关的结电容电压之和达到NUo+Ug时，VD1导通，变压器一次侧的电压降为—NUo，输出电压反射到一次侧（-NUo），对一次侧的励磁电感进行去磁，往后一次侧的漏感与开关结电容进行谐振，使电压器的一次侧反向电压继续升高，随着谐振的继续，将使变压器一次侧的电压达到-Ug，变压器的一次电压钳位在-Ug，使吸收二极管VDc1和VDc2正偏导通，变压器的一次电压钳位在-Ug，每一个开关电压的尖峰也被钳位在Ug。
由于漏感的能量很小，所以在其能量放完后，二极管VDc1、VDc2变成截止。
所以在双反激变换器中，二极管VDc1和VDc2的作用与单反激中的三绕组吸收一样，仅为钳位，并且时间很短。
上述接法，可以使开关V上的电压尖峰不会超过Ug。
在负载较小时，二极管VDc1和VDc2是不起任何作用的。
为了提高双反激二极管吸收效率，还可以减少变压器的漏感，尽量减少UDS振荡频率在满负荷和第一峰间期和不断优化的变压器和电感电流的应变率的操作模式，而且保证V1和V2驱动尽可能一致。
图5等效电路
图6等效电路
图7二极管吸收双反激变换器的典型波形
3.2.3不同输入电压下的变压器电压波形
二极管吸收双反激式闭环后，在低限和高输入范围的波形下的输入变压器端电压如图8所示。
它和三绕组反激式完全一致。
图8变压器端电压
3.2.4二极管吸收双反激变换器的应用
双反激二极管吸收应用是非常有限的，尽管比单反相机可用于大功率场合，但主要用于高压大功率电源的辅助电源的输入设备。
广泛应用于邮政电信，军事设备，运输设备，仪器仪表，工业设备，家用电器等领域，正朝着高功率密度，转换效率高，可靠性高、无污染的方向发展。
对开关电源的研究可以提高性能的总体设计,缩短开发周期,降低成本,本文研究60V稳压、3A稳流开关电源,利用模型和电路对其进行研究,所有链接到研究对象进行分析,基本参数是电力供应的改善研究。
和深入研究变压器建模,从两个方面,分析了物理和核心过程的研究,完成开关电压的系统分析,稳定的开关电源的确定,并详细分析了开关电源稳定工作条件。
电源使用UC3843脉冲宽度调制器,调制器是电流控制模式下,直流-直流脉宽调制器可以直接驱动双极功率晶体管,固定频率模式,当前类型的调制器利用低成本,更少的组件,电路简单,可靠性高,故障少。
变压器模型的建立
在大部分的电子设备中，磁装置是一个不可缺少的部分,在这个模拟中,磁装置模型必须忠实地复制或预测电路的行为,模拟磁装置模型必须遵循每一个新的电路、磁性器件模型和变化。
变压器建模主要是磁阻模型和核心模型,磁阻模型是通过物理模型产生的,通过磁阻反映的变压器物理结构;核心模型来反映变压器铁心的状态。
3.3变压器磁阻研究
在模拟磁设备,基本的问题是如何将设备的物理结构,取而代之的是等效电路,因为电路仿真是利用等效电路模拟设备,磁阻模型和双变换相结合,提供了一种方法来完成这项任务。
磁阻的计算方式与电阻相同，由磁路的尺寸和磁导率确定,对于截面积Ａｍ不变的情况,
磁阻为：
（3）
磁路的电感和Ｒ、Ⅳ（绕组的匝数）是直接相关：
（4）
其中,Ｐ＝磁导率＝１／Ｒ
建立存在气隙的磁芯简单电感器的磁阻模型步骤，第一步分割磁芯（含气隙）为小段,并赋给每段一个磁阻，第二步计算每段的磁阻，第三步赋给磁阻一个磁动势源F＝NI，第四步绘出等效电路图。
建立存在气隙的简单电感器的磁阻模型。
其中,R1、R2为磁路磁阻，Rg为气隙磁阻。
磁阻模型的变压器的电路模型,磁阻模型建立完成后,通过对偶变换转换成为电路模型。
磁阻模型到电路模型的步骤，第一步根据设备的结构和估计的流量路径,绘制磁阻的（R）模型。
第二步利用对偶原理,R’的模型转换成磁性传导（P）模型。
第三步调整P模型的参数尺度,将各绕组的P乘以其匝数N。
第四步调整P模型的参数尺度,将各绕组的电压乘以其匝数N。
第五步用电感替换调整后的磁导。
在两个绕组的变压器，建立了磁电阻模型，建模完成后，通过对偶变换，最后加入变压器等效为理想变压器的励磁电感的经典模型（PI）模型。
但是，在设计中，经常需要使用多绕组变压器，PI模型是无效的，就需要建立更精确的模型，使模拟更接近于实际情况。
常用的变压器往往采用E-E磁芯结构,并在中央磁柱的共同绕线筒上绕制多层绕组，并且绘出了磁芯和绕组各自之间的磁阻。
对应的磁阻模型以及最终的电路模型。
在两绕组的情况下，应用三角形一星形变换，能证明这两个模型是等效的，但是当出现4以上（包括4个）的时候，模型一般不会缩减
3.4变压器磁芯研究
只用磁阻模型准确模拟电源电路是非常困难的,需要对磁芯进行进一步建模,在其他仿真软件中磁芯的模型非常复杂,如果模型不确定性的准确性会大大影响了电路仿真,在电路仿真,可以在变压器铁心中创建相应的长度、横截面积、初级线圈,匝数、磁化电感,漏电感直接进入向导,修改值的BH,促进完成核心建模、更精确的结果。
根据物理模型的变压器铁心,测量其磁芯长度、横截面积和其他物理量,并填入变压器创建向导,在磁芯的BH曲线来选择一些点在BH向导创建相应的价值,选择更多的点数,获得核心模块。
更准确的创建完成磁芯模型的建立。
因此,基于实际模型的变压器磁阻模型,并建立磁芯模型在组件创建向导,可以准确地完成变压器的研究。
3.5电路介绍
开关电源设计为单端输入和三个输出反激变换器开关电源,150V的输入电压,输出是60V、12V,15V直流电压。
电路原理框图如图15
图15电路原理框图
交流电压220V经过整流电路整流后得到直流电压150V，开关管脉冲控制器采用UC3843，其工作频率为50kHz，；反馈信号是通过光电耦合器控制输入UC3843的反馈端，采用光电耦合器可以使输入和输出端有效的隔离，防止产生电源正常工作的干扰信号，电源带有限压和限流保护功能，反馈信号来自60V输出端。
当输出电压低于60伏，电压控制回路将关掉光电耦合器，使得UC3843将开关管打开，输出电压升高；当电压高于60V的电压控制回路，将光电耦合器导通，此外，开关管UC3843切断，使输出电压下降，因此达到60V稳压。
当输出电流小于3A时，电流控制回路将光电耦合器关断，使UC3843将开关管开口，输出电流增大；当输出电流大于3A时，光电耦合器开通，UC3843将开关管关断，导致输出电流下降，进而达到稳定的3A电流。
4问题与讨论
反激DC-DC功率变换器存在的问题：
不能可靠工作。
开关电源的稳定工作技术可以提高设计
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