（电工理论与新技术专业论文）反激变换器优化研究.pdf

j il lii i l li l l li ii iiii | y 17 3 7 6 9 0 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均己在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 王叮 2 0 1 0 年z 月拥 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 凼i 】时发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵 论文作者签名：不可 导师签名 口解密后发布 么月翻日 心 1 一，j 三、 反激变换器优化研究 摘要 反激变换器具有结构简单、成本低、易于实现多路输出等优点，在小 功率电源领域得到广泛应用。寄生参数对反激变换器的可靠运行和优化设 计尤为重要，然而，在多数研究中，为了简化分析，这些参数被不同程度 的忽略。随着开关电源的转换效率、可靠性、功率因数等指标的不断提高， 很有必要对考虑多数寄生参数的反激变换器进行全面的分析和研究。本文 的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过讨论电路中的寄生参数，建立起非理想反激变换器的时域模型， 分析了变换器的稳态工作过程，评估了工作模式、能量传输模式对变换器 的影响，推导出变换器支路电流、初级电感、转换效率、变压器a p 值等参 数与优化因子的关系，给出了反激变换器功率电路优化设计方法。 ( 2 ) 1 1 用平均法推导出非理想反激变换器在c c m 模式下的直流和交流小 信号方程，建立起电压控制和峰值电流控制反激变换器的频域闭环模型， 并推导出相关传递函数。另外，分析了五种常用频率补偿网络，给出了反 馈补偿器的优化设计方法。 ( 3 ) 分析了反激s m r 实现功率因数校正的原理，分别推导出恒频控制反 激s m 和恒导通时间控制反激s m r 的电路参数关系，并对这两种类型在控 制策略、功率因数、电流应力、e m i 方面进行对比，给出了反激s m r 的优 化设计建议。 最后，进行实验和仿真验证，实验和仿真结果与理论分析相吻合，论 文中的优化设计方法切实可行。 关键词：反激变换器寄生参数优化设计建模功率因数校正 r e s e a r c ho nt h eo p t i m l z a t i o nd e s i g n0 f f l y b a c kc o n v e r t er s a bs t r a c t f l y b a c kc o n v e r t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e di n t h el o w p o w e rr a t ep o w e r s u p p l i e sb e c a u s eo ft h e i rs i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n de a s yi m p l e m e n t a t i o no f m u l t i p l eo u t p u t s e t c i ti sw e l l k n o w nt h a tt h ep a r a s i t i c c o m p o n e n t s h a v e d r a m a t i c a l i m p a c t s o nt h e r e l i a b i l i t ya n do p t i m i z a t i o nd e s i g no ff l y b a c k c o n v e r t e r s h o w e v e r , t h e y h a v e b e e nm o r eo rl e s s n e g l e c t e db ym a n y r e s e a r c h e r si no r d e rt o s i m p l i f yt h ea n a l y s i s a st h er e q u i r e m e n t ss u c ha s c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t y a n dp o w e rf a c t o ro fs w i t c hm o d ep o w e r s u p p l i e sa r ei n c r e a s i n g l yi m p r o v e d ，i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z ea n di n v e s t i g a t et h e f l y b a c kc o n v e r t e r sc o n s i d e r i n gt h em o s to fp a r a s i t i c s t h em a j o rw o r k si nt h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ep a r a s i t i cc o m p o n e n t si nt h ec o n v e r t e ra r ed i s c u s s e da n dt h et i m e d o m a i nm o d e lo fn o n i d e a lf l y b a c kc o n v e r t e ri se s t a b l i s h e d t h ea n a l y s i so f s t e a d ys t a t ei sm a d eb yu t i l i z i n gp i e c e w i s el i n e a rs y s t e ma n a l y s i sa p p r o a c h t h e e f f e c t so fo p e r a t i n gm o d ea n de n e r g yt r a n s m i s s i o nm o d eo nt h ec o n v e r t e ra r e e v a l u a t e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nb r a n c h c u r r e n t ，p r i m a r yi n d u c t o r , c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , t r a n s f o r m e ra pe t c a n dt h eo p t i m u mf a c t o r si sd e r i v e d a n o v e lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do ft h ep o w e rc i r c u i to ff l y b a c kc o n v e r t e r si s p r o p o s e d ( 2 ) t h ed ca n ds m a l ls i g n a le q u a t i o n so ff l y b a c kc o n v e r t e r si nc c m a r e o b t a i n e db ya v e r a g e dm e t h o d t h ef r e q u e n c yd o m a i nc l o s e d - l o o pm o d e lo f f l y b a c kc o n v e r t e r sc o n t r o l l e d b yv o l t a g e - m o d e a n dp e a k - c u r r e n t - - m o d ea r e c o n s t r u c t e dr e s p e c t i v e l ya n dt h er e l a t i v et r a n s f e rf u n c t i o n sa r ef o r m u l a t e d i n a d d i t i o n ，t h ea n a l y s iso ff i v et y p i c a lf r e q u e n c yc o m p e n s a t o r si sp e r f o r m e da n d t h eo p t i m u md e s i g nc o n s i d e r a t i o n so ff e e d b a c kc o m p e n s a t o r sa r ep r e s e n t e d t t ( 3 ) t h ef l y b a c ks m r c a ne q u a lt oal i n e a rr e s i s t o rw h i c hh a sn op o l l u t i o nt o t h ep o w e rn e t w o r ki nt h e o r y t h ee q u a t i o n so fm a jo rp a r a m e t e r so ff l y b a c ks m r c o n t r o l l e d b yc o n s t a n t 一行e q u e n c y a n dc o n s t a n t o n - t i m ea r e e x p r e s s e d r e s p e c t i v e l y t h ec o m p a r i s o no f c o n t r o ls t r a t e g y , p o w e rf a c t o r , c u r r e n ts t r e s sa n d e m ib e t w e e nt h et w ot y p e si sm a d ea n dt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g ns u g g e s t i o n sa r e g i v e n f i n a l l yt t h ee x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o na r ec a r r i e do n t h ee x p e r i m e n t a la n d s i m u l a t e dr e s u l t sa r ei na g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n y a l y s i sa n dt h e o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d si nt h et h e s i sa r eq u i t ef e a s i b l e k e yw o r d s ：f l y b a c kc o n v e n e r ；p a r a s i t i cc o m p o n e n t ；o p t i m i z m i o nd e s i g n ； m o d e l i n g ；p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ； i i i 目录 摘习臣i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题的研究背景1 1 2 课题的研究现状，1 1 2 1 拓扑结构的优化与改进2 1 2 2 建模与控制3 1 2 3 功率因数校正3 1 - 3 课题的研究意义与主要研究内容3 1 3 1 研究意义3 1 3 2 主要研究内容4 第二章反激变换器的稳态工作分析6 2 1 非理想反激变换器的时域模型。6 2 2 稳态工作分析8 2 3 工作模式对反激变换器的影响1 2 2 4 能量传输模式对反激变换器的影响15 2 4 1 】 ：i c m i i s m 1 7 2 4 2c c m c i s m 17 2 4 3c c m i i s m 。18 2 5 功率电路优化设计方法，1 9 第三章反激变换器的建模与控制2 3 3 1 开关变换器的建模与控制方法简介2 3 3 1 1 建模方法2 3 3 1 2 控制方法2 4 3 2 非理想反激变换器建模2 5 3 3 反激变换器的频域闭环模型3 l 3 3 1 电压控制型3 1 3 3 2 峰值电流控制型3 2 3 4 反馈补偿器的优化设计方法3 5 3 4 1 常用的反馈补偿器：3 5 i v 3 4 2 优化设计建议3 7 第四章反激s m r 优化研究3 9 4 1 谐波电流的产生、危害及改善方法3 9 4 1 1 谐波电流的产生及危害。3 9 4 1 2 功率因数校正方法：4 0 4 2 反激s m r 的实现原理4 1 4 3 恒频控制反激s m r ：4 2 4 4 恒导通时间控制反激s m r 4 5 4 5 反激s m r 优化设计方法：4 8 4 5 1 控制方法对比4 8 4 5 2 反激s m r 优化建议4 9 第五章实验与仿真5 0 5 1 离线式反激开关电源5 0 5 1 1 电路设计5 0 5 1 2 实验结果5 6 5 2 反激s m r 5 8 5 2 1 恒频控制反激s m r 5 8 5 2 2 恒导通时间控制反激s m r 。6 0 第六章结论与展望6 5 6 1 主要工作内容及创新点6 5 6 2 “进一步工作设想6 5 参考文献6 6 致谢7 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录7 1 v 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 电源是电子设备的心脏，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及安全可靠运 行。根据功率器件的工作状态，直流稳压电源可分为线性电源和开关电源两大类。线性 电源由于效率低、体积大等缺点，在军事装备、邮电通信、交通设施、工业设备、仪器 仪表、家用电器等领域逐渐被丌关电源所取代。目前，开关电源正朝着高功率密度、高 变换效率、高可靠性、无污染、数字化、智能化的方向发展i l 剖。 开关电源的核心是开关变换器。根据是否电气隔离，开关变换器分为两大类【1 2 j ： ( 1 ) 非电气隔离型d c d c 变换器，包括b u c k 变换器、b o o s t 变换器、b u c k b o o s t 变 换器、c u k 变换器、z e t a 变换器及s e p i c 变换器，这些变换器适用于升降压范围窄、输 入输出间无须电气隔离的场合。 ( 2 ) 电气隔离型d c d c 变换器，包括反激变换器、j 下激变换器、半桥变换器、全桥 变换器及推挽变换器，这些变换器适用于升降压范围宽、输入输出间需要电气隔离的场 厶 口0 随着化石能源的日益枯竭，各国对电源的待机损耗和转换效率提出了更高、更严的 要求，如美国的能源之星( e n e r g ys t a r ) 、欧盟的能效行为准贝j ( c o d eo f c o n d u c t ) 。另一方 面，为了减小电源对电网的污染，谐波电流限制标准相继出台，并不断加严，如国际电 工委员会制定的i e c l 0 0 0 3 2 ，我国制定的g b l 7 6 2 5 1 2 0 0 3 。鉴于此，节能和环保已经 成为电力电子的重要研究课题，受到广大科研人员的日益关注，促使了开关变换技术的 进步和发展。 1 2 课题的研究现状 反激变换器的典型电路如图1 1 所示，几s 、见、c d 、几分别是变压器、开关管、 整流二极管、滤波电容和负载电阻。在开关管导通期间，能量储存在变压器初级电感中； 在开关管关断期间，变压器中储存的能量通过整流二极管传递给负载电阻。可见，变压 器起着储能和电压变换的双重作用，与其它隔离式开关变换器相比，反激变换器的二次 侧不需要储能电感，具有结构简单、成本低、易于实现多路输出等优点，广泛应用于小 功率电源领域。近年来，反激变换器的研究主要在拓扑结构的优化与改进、建模与控制 以及如何实现功率因数校正等几个方面。 广西大掌硕士学位论文 1 2 1 拓扑结构的优化与改进 ( 1 ) 电路参数优化 文献【6 】【1 0 】研究了反激变压器的寄生参数，提出了一些优化建议，但变压器的绕 制工艺变的复杂，并降低了系统的e m i 性能。文献【11 1 - 1 5 研究了反激变换器中的应 力抑制技术，给出了吸收电路参数设计方法。文献 1 6 】【1 7 给出了反激变换器的 m o s f e t 的优化设计建议。在文献【l1 - - - 1 7 1 的研究中，由于变换器的一些寄生参数被 忽略，所得结论不够精确。 + 哆 - 图1 - 1 反激变换器电路 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff l y b a c kc o n v e r t e r s ： ( 2 ) 拓扑结构改进 拓扑结构改进主要是开关管的软开关化，即在开关管开通或关断瞬间，使开关管 的管压降或流过开关管的电流为零，分别称为零电压开关( z e r o v o l t a g es w i t c h i n g ，z v s ) 和零电流开关( z e r o c u r r e n ts w i t c h i n g ，z c s ) 。可分为两类：一类需要增加辅助开关来实 现软开关f 1 8 也o 】；另一类不需要增加辅助开关，如近几年广泛应用的准谐振反激变换器 2 1 - 2 3 1 ，变换器工作在不连续导电模式( d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e ，d c m ) ，通过相应 的检测电路，使开关管在谐振谷底( 接近零电压) 时开通。前者增加了电路复杂性，在 工程中应用不多；后者仅在一定条件下才具有优势，而在多数的研究中并没有说明。 ( 3 ) 新技术应用 为了减小整流二极管的导通损耗，同步整流技术在大电流场合得到应用【2 4 , 2 5 】；为 了提高多路输出电源的输出电压精度，磁放大器在反激变换器中得到研究【2 6 】；为了提 高反激变换器的功率应用范围，交错并联技术在反激变换器中得到广泛关注【2 7 枷】。以 上技术虽然拓宽了反激变换器的应用范围，却显著增加了系统的成本，需要根据系统 2 i h - 西大学硕士学位论文 设计指标来谨慎选取。 1 2 2 建模与控制 ( 1 ) 开关变换器的建模是分析开关变换器拓扑结构和控制方法的基础，开关变换器本 质上是一非线性时变系统，其动态特性的分析比较复杂，常用的建模方法有状态空间平 均法、开关元件平均模型法和开关网络平均模型法【3 1 。3 3 1 。近年来，考虑寄生参数的开关 变换器精确建模受到关注，然而，研究主要集中在b u c k 、b o o s t 、b u c k b o o s t 三大基本 变换器，反激变换器的精确建模报道不多 3 4 - 4 1 】。 ( 2 ) 开关变换器有多种控制方 2 , 3 1 - 3 3 , 4 2 - 4 5 】，例如：电压型控制、电流型控制、单周 期控制、电荷控制、准电荷控制、非线性载波控制、输入电流整形控制、滑模变结构控 制、神经网络控制、分俞与混沌控制。在工程应用中，反激变换器的控制芯片早期采用 电压型控制，近几年主要采用电流型控制，其它控制方法仍处于理论研究阶段。 1 2 3 功率因数校正 反激变换器因其电路拓扑简单、电流易于控制等优点在单级功率因数校正( p o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，p f c ) 方面得到广泛研究m 巧，分为两种情况： ( 1 ) f i j 置b o o s t 变换器加后置反激变换器串联工作，两级d c d c 变换器的丌关管及 控制电路共用，闭环控制仅稳定反激变换器的输出电压或输出电流，b o o s t 变换器设计 在d c m 模式，输入电流自动跟随输入电压，实现p f c 功能。由于b o o s t 级的能量不受 控，在负载变化时，存在平衡电容上电压泵升和开关管电压应力过大的问题。此后，科 研人员进行了大量改进研究，取得了可喜的成绩【5 5 1 。然而，由于可靠性和改进后的电路 复杂性等缺点，此类单级p f c 并没有在工程中广泛应用。 ( 2 ) 当反激变换器的输入电压按正弦信号绝对值变化时，合理设计电路参数，则整个 变换器可等价为一个线性电阻，对电网无谐波电流污染，此类反激变换器被称为反激开 关整流器- ( s w i t c hm o d er e c t i f i e r , s m r ) 4 4 , 4 5 1 ( 有些文献将其归为单级p f c 5 2 , 5 4 , 5 5 】，为了区 别第一类单级p f c 技术，本文采用反激s m r 的称法) 。随着谐波电流标准的制定与加严， 特别是l e d 电源驱动器对效率、功率因数( p o w e rf a c t o r ，p f ) 的严z 格要求【4 7 ，4 8 ，5 7 1 ，使得 反激s m r 近年来再度受到青睐。与普通的反激变换器相比，反激s m r 在控制策略和电 路参数设计上有所不同，然而相关的研究报道不多。 1 3 课题的研究意义与主要研究内容 1 3 1 研究意义 反激变换器的设计变量众多，各个指标之间需要相互权衡才能到达整体最优，举例 3 广西大掌硕士学位论文反激变换器优化研究 如f ： ( 1 ) 为了提高转换效率，可采取的措施有：变压器采用三明治绕法以降低漏感；提高 r c d 箝位电压以减小吸收电路损耗。然而，这些优化措施往往降低了变换器的电磁干扰 ( e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e m i ) 性能。 ( 2 ) 准谐振反激变换器在谐振谷底开通，降低了开关损耗，然而，变换器必须工作在 d c m 模式，支路电流有效值变大，增加了变换器的导通损耗，在低压大电流的场合，并 不具有优势。 ( 3 ) j j l l 大反激变压器初级感量或采用同步整流技术，减小了变换器的导通损耗，但会 显著增加系统成本。 ( 4 ) 降低系统闭环带宽，反激变换器的环路稳定性变好，反激s m r 的功率因数得到提 高，但系统的动态响应性能变差。 此外，变换器中的寄生参数众多，精确建模对稳态分析、反馈补偿器( 或称频率补 偿器) 优化设计变得不可忽略；由于输入电压按正弦绝对值变化，反激s m r 的优化设计 与普通反激变换器有一定的差异，然而，国内外相关的研究报道却很少。 本课题正是试图解决以上问题，通过对考虑寄生参数的非理想反激变换器进行全面 深入的研究，探索出主要性能指标与电路参数的关系，基于此，给出功率电路和控制电 路的优化设计方法，为高效率、低谐波污染、高可靠性、低成本的反激开关电源设计提 供理论依据。因此，课题研究具有重要的理论意义和实用价值。 。 1 3 2 主要研究内容 本课题的研究主要包括如下三个方面： 一： ( 1 ) 通过分析电路中的寄生参数，建立起非理想反激变换器的时域模型，以此模型为 基础，深入研究了变换器的稳态工作过程，评估了工作模式、能量传输模式对变换器的 影响，定义变压器初级电流波动值与峰值的比值、输出电压反馈到初级绕组的折射电 压以为优化因子，推导出变换器支路电流、初级电感、转换效率、变压器a p 值等参数与 优化因子的关系，给出了反激变换器功率电路优化设计方法。 ( 2 ) 利用平均法推导出非理想反激变换器在连续导电模式( c o m i u o u sc o n d u c t i o n m o d e c c m ) 下的直流和交流小信号方程，建立起电压控制和峰值电流控制反激变换器 的频域闭环模型，并推导出各个环节的传递函数。另外，分析了五种常用反馈补偿器的 优缺点，给出了反激变换器的反馈补偿器优化设计方法。 ( 3 ) 在分析反激s m r 实现p f c 原理的基础上，分别推导出恒频控制反激s m r 和恒导通 时间控制反激s m r 的电路参数关系，并对这两种类型在控制策略、功率因数、电流应力、 e m i 方面进行对比，给出反激s m r 的优化设计建议。 全文的章节安排如下： 4 广西大掌硕士学位论文 反激变换器优化研究 第一章介绍课题的研究背景、现状、意义及主要内容。 第二章对非理想反激变换器进行稳念工作分析，给出功率电路优化设计方法。 第三章对非理想反激变换器进行精确建模和闭环控制研究，给出反馈补偿器的优化设 计方法。 第四章研究反激变换器实现p f c 的原理，分别推导恒频控制反激s m r 和恒导通时间控 制反激s m r 的电路参数关系，给出反激s m r 功率电路和控制电路的优化设计方 法。 第五章对第二、三、四章的理论分析进行实验和仿真验证，简单介绍电路设计要点， 给出实验和仿真结果。 第六章对全文的工作进行总结，归纳本文的创新点，并指出论文进一步的研究工作。 广西大掌硕士学位论文 反激变换h - 优化研究 第二章反激变换器的稳态工作分析 本章建立了非理想反激变换器的时域分析模型，以此模型为基础，深入研究了变换 器的稳态工作过程，评估了工作模式、能量传输模式对变换器的影响，推导出支路电流、 初级电感、转换效率、变压器a p 值等参数与优化因子的关系，给出了反激变换器功率电 路优化设计方法。 2 1 非理想反激变换器的时域模型 反激变压器的寄生参数包括变压器漏感、匝问和层间分布电容及导线电阻等0 1 。 为了满足e m i 限制要求，变压器初次级线圈之间加有屏蔽层，此外，考虑到反激变换 ( a ) 反激变压器 ( b ) m o s f e t 6 1i ( 1 ) 由于三腩的存在，反激变换器中必须加入箝位或吸收电路以减小开关管的电压应 力。研究模型加入了最常用的r c d 箝位电路，由r ，、c ，、d ，组成。 ( 2 ) 为了简化分析，将变压器寄生电容g 、二极管寄生电容白以及丌关管寄生电容 白和c 出等效为一个电容e 。 假定图2 - 2 ( a ) 中的元件均为理想的，电路参数设计合理，反激变换器工作在d c m 模式，电路工作波形如图2 - 2 ( b ) 所示，其中、分别是箝位电压的最大值和最小值、 厶。p k 是变压器初级电流的最大值。在一个开关周期内，变换器在7 个时间段分段线性工 7 广西大掌硕士学位论文 作，可划分为血个工作模态， 模念。 i g + 分别是开通模态、磁化模态、传输模态、去磁模态、振荡 + v 也 一 ( a ) 等效电路 、 7 v v ! o f | ， t 、 3 【薯 ， t lt 2 限 ，v 【6t 7t 8 t ，t 、 ( b ) 工作波形 图2 - 2 非理想反激变换器 f i g 2 - 2f l y b a c kc o n v e r t e r sw i t hp a r a s i t i cc o m p o n e n t sc o n s i d e r e d i o + 蝠 2 2 稳态工作分析 ( 1 ) 模态l 开通模态 t o t l 】 在t o 时刻，p w m 驱动信号由低电平转向高电平，开关管栅源极电压升高，到t l 8 广西大掌硕士掌位论文反激变换器优化研究 时刻，该电压达到m o s f e t 的开启电压所，开关管完全导通，该过程结束，持续时i 司 为 。2 一f 。2r p w 惴c 伊1 n 矗( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中，如，聊是p w m 信号与m o s f e t 栅极之间的串联电阻( 用来减小d v d t ，改 善e m i 性能) ，掰是p w m 信- g - t 勺幅值。 。 此过程中的开通损耗为 只l ：1 1i 。( f 。) y 西( t o ) f 1 。六+ i 1c 。矿凼2 ( f 。) 厂 ( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中，z 是开关频率( z = l t ) 。在d c m 模式，厶倒为零，上式中的第一项 为零，在c c m 模式，厶倒不为零，开通损耗较大。 ( 2 ) 模态2 磁化模态 t l t 2 】 开关管完全导通，d o 因加反向电压而截止，变压器原边电流易线性增长，由下式 求得 7 ，忙，+ 卉卜) ( 2 - 3 ) 式( 2 3 ) 中，回路时间常数t = 丢 等。磁化过程持续的时间为 f 2 一叫：一- 引m i 可瓦南i 丽 矿 此过程中的损耗主要是由昂、r 册引起的导通损耗，该损耗将在2 3 节中分析。 ( 3 ) 模态3 传输模态阮纠 ( 2 4 ) 该模态可分为三个阶段： 第一阶段胁翻，在此期间变换器的等效电路如图2 3 ( a ) 所示，开关管由导通转向关 断，如何对c 充电，直到如时刻，d d 导通，该阶段结束，由于该过程持续时间很短，可看 成纠c 的恒流充电，持续时间为 岛2 = 岛一t 2 = l ( 名+ 昨) ( 2 5 ) 1 p ，肚 式( 2 5 ) 中，以定义为 ：坚监( 2 6 ) 刀 第二阶段 幻翻，在此期间变换器的等效电路如图2 - 3 ( b ) 所示，由于d d 导通，变压 器原边被箝位在巧，易继续对g 充电，直到以时刻，d j 导通，该阶段结束，由于持 续时间很短，仍可看成易础对g 的恒流充电，持续时间为 t 4 3 = 一如= = l ( 一k ) ( 2 7 ) 1 p ，肚 9 广西大学硕士掌位论文 反激变换器优化研究 二1 皓 l ：! i ) o c e = + 咯 + v d s ( a ) i t 2 一t 3 】 + 咯 ( b ) 【t 3 t 4 】 ( c ) 【t 4 t 5 】 图2 - 3 传输模态等效电路 f i g 2 - 3e q u i v a l e n tc i r c u i t so ft u r n - o f ft r a n s i e n ts t a t e + 咯 + 哆 + 缮 广西大学硕士学位论文 幻时刻，可认为开关管完全关断，开关管的关断损耗为 p s 2 = 半w = 孚( ”咿 ( 2 - 8 ) 第三阶段 t 4 - - t s ，在此期间变换器的等效电路如图2 - 3 ( c ) 所示，储存在l a 及部分 易中的能量的向a 转移，由于d 1 导通时间较短，箝位电压可看为常数，变压器原 边电流为 “归- 肚一警f 直到t 5 时刻，易等于零，d 1 截止，该过程结束，持续的时间为 铲= 糟 ( 2 - ，。， 在一个开关周期内，仅在【幻纠期间，箝位电容c 被充电，其余时间，c ，对r ，释放 能量，r c d 吸收电路的消耗能量由下式求得 ，耻掣= 糍鲁 ( 4 ) 模态4 去磁模态协，7 】 因漏感能量释放完毕，变压器励磁电感丌始释放能量，磁化电流线性下降，直到，7 时刻，该过程结束，切可由下式求得 i d ( f ) ：立一譬皇f ( 2 - 1 2 ) n l 。 伴随着去磁过程，在盼翻期间，舢如、c 发生欠阻尼振荡，储存于c 中的 能量的一部分转移到变压器副边，另一部分返回到输入电源，该过程到t 6 时刻结束，振 荡频率为 。 ， 1 卜百万露 ( 2 - 1 3 ) 由于上孙c 较小，该振荡频率较高，振荡过程对变换器稳态分析基本没有影响， 可以忽略。该模态中损耗主要是v f 引起的导通损耗，将在2 3 节中分析。 ( 5 ) 模态5 振荡模态 f 7 翻 t 7 时刻，变压器储存的能量释放完毕，d d 截止，如、乙、c 、昂产生欠阻尼振荡， 直到t s 时刻，新的开关周期到来时，该模态结束，俐为 二 垒! 嘣d 叱彬p2 一。k o s 而南 ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 4 ) 可知，如果通过适当的控制策略，在该振荡的谷底开通开关管，由( 2 2 ) 式可知，p ，变小，从而提高转换效率，这就是准谐振反激变换器的理论基础。 如果反激变换器工作在c c m 模式，在模态4 结束后，便进入新的工作周期，比d c m 广西大掌硕士掌位论文 反激变换器优化研究 模式少了振荡模态，其余工作过程完全相同，不再赘述。 由以上分析可知，电路中的寄生参数对变换器的影响可以归纳为： ( 1 ) 寄生参数增加了变换器的损耗，降低了变换器的转换效率。 ( 2 ) 寄生参数增加了变换器的功率传输时间。 2 3 工作模式对反激变换器的影响 个 i r 、o t ， 厂 l d td t t ， 图2 - 4 理想反激变换器的电流波形 f i g 2 - 4c u r r e n tw a v e f o r m so fi d e a lf l y b a c kc o n v e r t e r s 本节将分析不同工作模式下的变换器的支路电流、初级电感、转换效率。为了简化 分析，先忽略电路中的寄生参数，各支路电流波形如图2 4 所示， 厶、d 、d 分别为初 级电流的波动值、开关管导通时间与开关周期的比值、整流管导通时间与开关周期的比 值。定义岛j i ，反激变换器的工作模式可定义如下： ( 1 ) i r = i p , p k ，k r p = j ，册d ， l ，变换器工作在d c m 模式。 ( 2 ) 胪如础，k p = j ，阱d ，_ l ，变换器工作在临界导电模式( b o u n d a r ) rc o n d u c t i o nm o d e ， b c m ) 。 ( 3 ) i r p ，p k ，雠 ( 2 - 2 8 ) 由( 2 2 7 ) 、( 2 - 2 8 ) 式，可知 。 i p ，肚一删 i v ，肚一胁 i p 。肚一砌 ( 2 2 9 ) 广西大掌硕士掌位论j r 反激变换器优化研究 由( 2 - 2 1 ) 、( 2 2 7 ) 式，司知 k ：垒坠 ip m s - c 伽x k , p - 3 k 节+ 3 玉堕：垒竺k 监 tip 删s - c c m 遗k 善一3 k 节+ 3 nd d c m 由( 2 2 8 ) 、( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) ，可知 i 口m s c c m lp ，慨s j 嗍 lp m s d 。m 由( 2 - 2 2 ) 、( 2 2 7 ) ，可知 。k ：至坠 i d 瑚u c m 、3 k 善- 3 k p + 3 i d m 。一d m 一 2 一k 中 d c c m i 伽* 一c c m k 善- 3 k 甲+ 3 nd 椭 ( 2 - 3 4 ) ，可知 i d ，m s c c m i d ，嘲s - b c ，i i d 糯s 一如m 可知 ( 2 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) i c m 。m i c m sb 嗍 i c ? 。s 缸m ( 2 - 3 6 ) 在考虑寄生参数的情况下，忽略寄生参数对各支路电流的影响，变换器的导通损耗 为 。= i p ，艄2 ( 尺p + r 。) + 珞l + l ，册，2 如， ( 2 - 3 7 ) 考虑到变换器的其它损耗，非理想反激变换器的转换效率为 i ，t _ r l2 历了瓦7 0 l i o 甄( 2 - 3 8 ) 圪l + l + 只2 + 匕。+ 7 式( 2 3 8 ) 中，只卜p s 2 、只鲫分别由公式( 2 2 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 1 1 ) 、 ( 2 - 3 7 ) 确定。 由以上分析，可得到如下结论： ( 1 ) 当初级电感取值大于厶时，变换器工作在c c m 模式；反之，变换器工作在d c m 模式。 ( 2 ) 各支路电流的峰值、有效值在c c m 模式下最小，b c m 模式次之，d c m 模式最 大。 ( 3 ) 在c c m 模式时，翰越小，各支路电流峰值、有效值越小，导通损耗越小。 ( 4 ) 结合( 2 2 ) 式可知，d c m 模式时，开通时电感电流为零，且g 存储的能量较少， 开通损耗较小。 ( 5 ) 结合( 2 1 1 ) 式可知，d c m 模式时，因锄较大，变换器漏感存储的能量较多， r c d 吸收损耗较大。 ( 6 ) 一般说来，d c m 模式适合于输出电压高、负载电流小的场合，c c m 模式适合于 1 4 广西大掌硕士学位论文 输出电压低、负载电流大的场合。 2 4 能量传输模式对反激变换器的影响 在开关管导通期i i j o - - d t ，电容c o 向负载提供能量，在开关管关断期f f l j d t - - d 7 丁， 供能方式比较复杂。借鉴文献 5 9 】对b o o s t 变换器的分析方法，在一个开关周期结束时， 根据变压器次级电流是否大于输出电流，将反激变换器划分为两种供能模式： ( 1 ) 如肼加 o ，变换器工作在完全电感供能模式( c o m p l e t ei n d u c t o rs u p p l ym o d e ， c i s m ) 。 由上节分析可知，在开关管导通期间，变压器初级电流的波动值和最大值分别为 = 筹 ( 2 - 3 9 ) i p , p k = 器呜 p 4 。， 在二极管导通期间，变压器的次级电流最小值为 l ，廊= 了p , p k 一万v o d 在开关周期结束时，令变压器次级电流的最小值等于输出电流， i i s m 的临界初级电感厶为 厶= 甏= 告 ( 2 4 1 ) 可得到c i s m 和 ( 2 4 2 ) 由于d t( 2 - 4 3 ) 由( 2 4 3 ) 式可知，d c m 模式的反激变换器必定工作在i i s m ，该能量传输模式可称 为不连续导电不完全电感供能