正激变换器的工作原理
正激变换器
1
Forward converter (正激变换器)
一, 基本电路
Forward converter 是在Buck converter 中插入一个transformer 得到的.
特点:
电感不能省
1.电路比较简单,铜耗较低; 2.输出电压电流纹波较小; 3.变压器磁芯单边磁化; 4.开关管峰值电流较低; 5.变压器是个纯粹的变压器; 6.变压器铁芯不必加气隙; 但 在有的铁芯中为了减少Br,需 加很小的气隙.
U DRR

NR NP
Vin
考虑Q的耐压和变压器窗口的利用率,因此,一 般复位绕组NR取NP一样. 即
NP NS
正激变换器
11
最大占空比限制
正激变换器
12
NR
Vin
NP
UP
BS Br
NS
Lf
Vout
六,原副边电流的关系
US
Cf
1,副边电流 电感Lf上的电流平均值为输出电流Iout.即
I Lf
(6)
IS(rms) DIout
正激变换器
9
五. 磁通复位的关系
Vin LP
DTs

iMP
Vin DTs iMPLP N P () (6‘)
同理，可得
BS Br
B = Bmax - Br
Vin DRTs iMRLR N R () (6“)
Im(maxI)m
因为磁通复位，有 () ()
U P Vin UP(rms) DUP DVin U P(ave) DU P DVin
IP(rms) DIP I P(ave) DI P
由(1)得
I P(rms)
1 D
I in
I P(ave) Iin
IP

1 D
I in
(2)
(3)
8
四. 输出端电流电压关系
Pout Vout Iout U I S (rms) S (rms) I SVD (4)
US,IS
U S (Vout VD ) / D
US(rms) DUS (Vout VD ) / D
(5)
U S (ave) DU S Vout VD
IS(rms) DIS , I S (ave) DI S
由(4)得 I S Iout
I S (ave) DI out
七. 元器件的选择
UP
US D2 Cf
4. 滤波电感Lf的设计
Q D. 根据电流大小和选定磁芯确定电
感线圈匝数NL
由磁链公式 N LI max , 可得
NL

2Lf Iout Ae Bm
(31)
正激变换器
26
NR
Vin
NP NS D1
Lf
Vout
七. 元器件的选择
UP
US D2 Cf
(34)
正激变换器
29
NR
Vin
NP NS D1
Lf
Vout
七. 元器件的选择
UP
US D2 Cf
5. 变压器的设计
Q A.选定磁芯材料和型式---
根据工作频率,磁化形式,传输功率,线圈绕组的绕制等要求, 以及磁芯的磁化曲线,供货情况等来确定磁芯材料.
B.确定磁芯型材的大小---Ae,AW,lm 由电流密度参数法,有

I out

i i S (max) S (min) 2
(8)
同理，可得
iS
B = Bmax - Br
iS (max) iS (min)

(U S
VD ) Vout Lf
DTs
(9)
由(8),(9)和(5)可得到
Im(maxI)m
iS (max)

I out

(1
D)(Vout 2Lf
W1
d dt
Vin
( )

Vin W1
D
Ts
iMP

Vin LP
t
正激变换器
4
二, 基本工作原理(续) [Ton, Tr]
Q turned OFF
复位绕组的电压为: VW 3 Vin
原副边绕组上的电压为:
VW1 K13Vin VW 2 K23Vin
Where K13 = W1/W3, K23 = W2/W3
D1所承受的电压为
U D1R

NS NR
Vin(m ax)
(17)
D1所流过的最大电流为
I D1 iS (max)

I out

(1
D)(Vout 2Lf
VD )
Ts
(18)
正激变换器
17
NR
Vin
NP
UP Q
NS D1 Lf US D2 Cf
Vout
七. 元器件的选择 2.二极管D1, D2, DR
NR
Vin
NP NS
UP
US
Q
Lf
Vout
Cf
七. 元器件的选择 1.开关器件Q
2
iPL(m a x)

iPL(m in)

(1
D)DTsVin Lf

NS NP

iPL
IPL iM
正激变换器
16
NR
Vin
NP
UP Q
NS D1 Lf US D2 Cf
Vout
七. 元器件的选择 2.整流二极管D1, D2, DR
VD ) Ts
(10)
iS (m in)

I out

(1
D)(Vout 2Lf
VD
)
Ts
(11)
正激变换器
13
NR
Vin
NP NS
UP
US
Lf
Vout
六,原副边电流的关系
Cf
2,原边电流
iPL(max)
NS NP
I out

(1 D)DTsVin 2Lf

NS NP
2
D DR (7) NP NR
where DR 1 D
正激变换器
10
NR
Vin
NP
UP
Q DR
BS Br
NS
Lf
US
Cf
B = Bmax - Br
Im(maxI)m
Vout
五. 磁通复位的关系(续)
Q关断时,开关管上的耐压为
UQ Vin U P
Vin

NP NR
Vin
复位线圈箝位二极管的反向承压为
DR所承受的电压为
U DRR

NR NP
Vin(m ax)
(21)
DR所流过的最大电流为
I DR
iMR(max)

NP NR
iMP

NP NR
Vin DTs LP
(22)
正激变换器
19
NR
Vin
Iout Vout
NP NS D1
Lf
Vout
七. 元器件的选择
UP Q
US D2 Cf
3.滤波电容Cf C所承受的电压为
UP Q
US D2 Cf
3.滤波电容Cf
把(9)式
iLf
iS

(U S
VD ) Vout Lf
DTs

(1 D)(VD Lf
Vout ) Ts
代入(24), 有
Vopp
Cf
(1 D)(Vout VD )
8Lf
Vopp
f
2 s
(25)
正激变换器
21
NR
Vin
NP NS D1
Lf
UP
US D2 Cf
Vout
七. 元器件的选择 4. 滤波电感Lf的设计
Q
A, Lf电感量的确定
电感量大,对平滑输出电流电压有好处,同时减小
了变压器的铜耗;但电感器体积和重量增加,且Q,
和D1的开通损耗, D2的反向恢复损耗增大.
电感量小, 输出电流电压的纹波增加,变压器的铜耗增加些;但电感器体积和重 量减小,且Q, 和D1的开通损耗, D2的反向恢复损耗也降低了.
iLf
UC
Vout

1 2
Vopp(23)
Vopp
Cf的容量
假定电感上的电流连续. 事实上,在设计 电感时必须满足电流连续这一条件.
q
idt
1 Ts 22
iS 2
C f Vopp
(24)
正激变换器
20
NR
Vin
Iout Vout
NP NS D1
Lf
VS D1
Lf
Vout
七. 元器件的选择
UP
US D2 Cf
4. 滤波电感Lf的设计
Q E. 根据电流大小确定气隙长度lg(续)
由磁链公式 N LI max , 可得
Imax
LImax

(
lg
0kl
A,e

lFe
Fe Ae
)
进而, 有
lFe
Fe
lg
kl 0
去磁能量在磁场中而不是在 去磁线圈的电流里
关断时的电流与关断时去磁回路的电流不等，因为能量相等而匝数不一样
E 1 I 2L 2
正激变换器
2
二, 基本工作原理