反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤

1、反激变换器(Flyback)的设计和计算步骤齐纳管吸收漏感能量的反激变换器:D0.设计前需要确定的参数A开关管Q的耐压值：VmqB输入电压范围：VinminVinmaxC输出电压VoD电源额定输出功率：Po (或负载电流Io)E电源效率：XF电流/磁通密度纹波率：r (取0.5，见注释C)G工作频率：fH最大输出电压纹波：Vopp1.齐纳管DZ的稳压值VzVz <= Vmq x 95% - Vinmax，开关管 Q承受的电压是 Vin + Vz,在 Vinmax处还应为 Vmq 保留5%裕量，因此有 Vinmax + Vz < Vmq X95%。2. 一次侧等效输出电压 VorVo

2、r = Vz / 1.4 (见注释 A) 3.匝比 n ( Np/Ns)n = Vor / (Vo + Vd)，其中Vd是输出二极管 D的正向压降，一般取 0.51V。4.最大占空比的理论值Dmax100%时的理论值，用于粗略估计占空比Dmax = Vor / (Vor + Vinmin)，此值是转换器效率为 是否合适，后面用更精确的算法计算。一般控制器的占空比限制Dlim的典型值为70%。上面是先试着确定 Vz，也可以先试着确定 n,原则是 n = Vin / Vo, Vin可以取希望的工作 输入电压，然后计算出 Vor， Vz， Dmax 等，总之这是计算的 “起步 ”过程，根据后面计算考

3、 虑实际情况对 n 进行调整,反复计算,可以得到比较合理的选择。5. 负载电流 Io10 = Po / V o ,如果有多个二次绕组,可以用单一输出等效。6. 一次侧有效负载电流 Iorlor = Io / n ，由 lor)Np = Io NS 得来。7. 占空比 DD = lin / (lin + lor)，其中 lin = Pin / Vin，而 Pin = Po / X。这里 Vin 取 Vinmin。(见注释 B)8. 二次电流斜坡中心值 Il11 = lo / (1 - D)9. 一次电流斜坡中心值 Ilrllr = ll / n10. 峰值开关电流 Ipklpk = (1 + 0

4、.5 r) SlSlr11. 伏秒数 EtEt = VinminSD / f ,( Et = Von STon = VinminSD/f )12. 一次电感 LpLp = Et / (llr r) S13. 磁芯选择(1) Ve = 0.7 S(2 + r)A2) / r)(PinSf) , Ve 单位 cmA3 ; f 单位 KHz，根据此式确定磁芯有效体积Ve,寻找符合此要求的磁芯。(见注释D)(2) 最适合反激变压器的磁芯是“ECores”和“UCores”，“ETD" ” ER、“RM这三种用于反激性能一般，而“Planar E” “EFD" ” EP、"

5、 “P" ” Ring型不适合反激变压器。(3) 材质选锰锌铁氧体，PC40比较常用且经济。14. 一次匝数 NpNp = (1 + 2/r) (Von XD)/(2Bpk >Ae S)，其中 Von = Vinmin - Vq , Vq 是开关管 Q 的导通压降；Bpk不能超过0.3T , 一般反激变压器取 0.3T; Ae是磁芯的有效截面积，从所选磁 芯的参数中查的。(公式推导见注释 E,说明见注释F) 15. 二次匝数 NsNs = Np / n，此值小数不可忽略时向上取整，如1.62T取2T,然后重新计算 Np = Ns冶。16. 匝数调整后实际磁通密度变化范围验证Bp

6、k = BpkO Np0 / Np , BpkO、Np0是调整前的磁通密度峰值和一次匝数。(根据：Bpk与匝数成反比)dB = (2r/(r + 2) Bpkx17. 气隙系数 zz = (1 / Lp) (u xu0 於e / le) Np2 ,其中u是磁芯材料的相对磁导率，Ae、le分别是磁芯的有效截面积和有效长度，这些参数由磁芯手册提供，uO是真空磁导率，值为4 X PI X10A(-7)。(见注释 G)18. 气隙长度 lglg = le (zX- 1) / u ,其中u是磁芯材料的相对磁导率。(见注释G)19. 绕组导线的集肤深度 hh = 66.1(X+ 0.0042 (TX 20

7、) / fA0.5，所得单位为 mm ,其中T是工作温度，可取 80,即卩最高环境温度 4O 摄氏度时可以有 4O 度的温升。20. 绕组导线的线径 dd = 2h，若选用铜皮，则铜皮厚度同样按此计算，即2h。21. 绕组导线的电流承载能力 ImIm = PI(X/2)A2JX其中J是电流密度，反激变压器一般取典型值493 A/cmA2 (400 cmil/A )。22. 一次绕组导线的股数 MpMp = Ilr / Im 23. 二次绕组导线的股数 MsMs = Il / Im24. 确定变压器组装结构根据上面计算的变压器各项参数, 合理安排绕组排列、 绝缘安排等, 绕组安排 (从磁芯由近

8、及远)可参考如下：( 1 )一般排列是,一次,二次,反馈。(2) 二次,反馈,一次,这种排法有利于一次绕组对磁芯的绝缘安排。( 3)一半一次,二次 /反馈,一半一次,这种排法有利于减少漏感。25. 输出二极管的额定电流 IdmIdm = 2 XIo (见注释 H)26. 输出二极管的额定电压 VdmVdm = (1 + 20%) X(Vo + Vinmax / n) (见注释 I )27. 开关管的额定电流 IqmIqm = 2 Nr (ID >(1 + rA2/12)A0.5(见注释 J) 28. 开关管的额定耐压 VqmVqm = (1 + 20%)>(Vor + Vinmax

9、) (见注释 K) 29. 输入电容值 CinCin = Kcp>Po / X ，系数 Kcp 取经验值 3uF/W 。30. 输入电容额定电流纹波 IcindIcind = Ilr(D>>(1 - D + rA2/12)A0.5 (见注释 L) 31. 输入电容的耐压 VcinVcin = (1 + 30%)V>inmax ，30% 为保留裕量。32. 输出电容值 CoCo = Io >D / (f Vo>pp) ，(见注释 M) 33. 输出电容额定电流纹波 IcodIcod = Io(>D + rA2/12) / (1 - D)A0.5 (见注释

10、 N) 34. 输出电容的耐压 VcoVco = (1 + 30%) V>o ，30% 为保留裕量。35. 反向二极管D1 的耐压 Vd1Vd1 = (1 + 20%)V>inmax ， 20%为保留的裕量。36. 反向二极管的电流 Id1Id1 = 0.2Il>r(见注释 O) 37. 漏感 LlkLlk = Lp>05，根据经验取一次电感的5%, 般反激变压器为 2%20%。38. 齐纳管功率 PzPz = Llk1称人2(Vz / (Vz - V or) >此处为2倍计算的功率值以留足够裕量。(见注释 A)齐纳管损耗可能会比较大,以致无法找到合适器件,所以需

11、要对尖峰吸收电路进行更改, 实际应用中一般较多采用 RCD 电路对漏感尖峰进行吸收,下面的计算针对此 RCD 电路。RCD 吸收漏感能量的反激变换器：riyback 柘扑-RCD39. RCD电路电容最大电压 Vcmax (见注释P)Vcmax = Vor / D(忆 eA(2 In (D) / (1 - D)40. RCD电路电容值 Crcd （见注释P）Cred = IpkA2Lk / (VcmaxA2 41. RCD电路电阻值 Rrcd （见注释P）Rrcd = (D - 1) / (C f M(D) 42. RCD电路电阻功率 Pr （见注释P）Pr = Llk IpkA2 K 此值为

12、2倍的电阻实际消耗功率，以留出足够裕量。如果漏感损耗较大，或考虑进一步提高效率，齐纳管钳位和RCD吸收都无法满足要求，可以考虑LCD无损吸收网络，它可以把漏感能量重新返回输入电容，下面的计算针对此部分。LCD无损吸收的反激变换器:Flyback 拓扑-LCD43. 缓冲电容低压 VcrO (见注释Q)VcrO = Vor (根据情况可选择略高于此值)44. 缓冲电容高压 Vcr1 (见注释Q)Vcr1 = k¥cr0 , k是系数，可根据情况选1.53，也可以更高，但需注意Q的耐压。45. 缓冲电容值Cr (见注释Q)Cr = LlkIkA2 / (Vcr1A2 - Vcr0A2)4

13、6. 储能电感值Lr (见注释Q)Lr = Lr =。人2 / (Cr fA2 x(arccos(Vcr0 / Vcr1)A2)47. 储能电感额定电流Ilrm (见注释Q)Ilrm = 1.5 (Ct / Lr)A0.5 Vcrl Sin(D / (f(Lr x Cr)A0.5)，此值为最大电流值的1.5 倍，考虑了留出裕量。至此电路中所有元件的主要参数计算完毕。注释A 齐纳管钳位损耗 Pz = 0.5 Llk XpkA2 (Vz / (Vz - V or)f,其中Llk是所有漏感 -不只是一次漏感 Llkp , Ipk是一次电流的峰值。通过此式可看出若Vz接近Vor，则损耗巨大；若以Vz/

14、Vor为变量画出钳位损耗的曲线，则所有情况下，Vz/Vor = 1.4均为曲线上的明显下降点。B 1. 变压器中电流情况有 Iin / D = Ior / (1 - D) ，由此得 D = Iin / (Iin + Ior) ； 2. 所有设计均 在 Vinmin 下进行。C 设计离线变压器时，考虑降低损耗、减小体积等原因，通常将 r 设定为 0.5 左右。D 反激电源变压器一般绕线不成问题，即不大设计窗口面积使用问题，所以不必用 AP 法。E Von = Np >Ae XdB/dt) -> Von xdt = Np Ae >dB -> Np = ( Von xdt)

15、/ (dBAe= (Von xD/f) / (dB Ae) = (Von XD) / (dB A> X) = (Von XD) / (2r/(r + 2)Bpk XAe X) = (1 + 2/r)> (Von >D)/(2>Bpk >Ae >f)F Np 计算完后应验证此值是否适合磁芯的窗口面积，及骨架、隔离带、安全胶带、二次绕组和套管等，通常在反激变压器中这些都不会有问题；如果需要减少Np，可以考虑增大r,减小D，或增大磁芯面积，但磁导率和气隙不会解决问题。G电感与磁导率的相关方程：L = (1/z)(lX X0 >e / le) NAX，其中气隙

16、系数 z = (le + uIg) / le。对于铁氧体材料的气隙变压器，z取值1020是较好的折中选择。H反激(buck-boost)中二极管平均电流等于负载电流Io，损耗是Pd = IoXd，而二极管正向压降 Vd 随其额定电流上升而下降，故折中考虑，选取其额定电流为2 XIo 。I Buck-boost中二极管最大承压是 Vinmax + Vo，在反激中 Vinmax折算到二次侧为 Vinmax / n ，同时给额定值留出 20%的裕量，所以最终选择二极管的额定耐压定位 Vdm = Vdm = (1 + 20%) X(Vo + Vinmax / n) 。J 对所有拓扑，开关管有效值电流在

17、 Dmax 处最大，且 Iqrms = Il_dmax X (Dmax X (1 + r_dmaxA2/12)A0.5，开关管的损耗Pq = lqrmsA2 Rds，其中Rds是开关管的正向压降，此压降随开关管的额定电流增大而减小，所以折中选择开关管的额定电流为2 XIqrms 。K Buck-boost中开关管最大承压是 Vinmax + Vo，在反激变换器中 Vo折算到一次侧为 Vor, 同时给额定值预留 20%的裕量，所以最终选择开关管的耐压为 Vqm = (1 + 20%) X(Vor + Vinmax)L Buck-boost中输入电容最恶劣电流有效值发生在Dmax，其值为 lrms

18、_cin = ll_dmax X(Dmax X(1 - Dmax + r_dmaxA2/12)A0.5 ，一般选择电容时其额定纹波电流应等于或大于此 值。M根据如下：Co实际上需要维持t_on时的电荷流失，此电荷量为dQ = Io t_on，而此时电容电压的变化是 dUco = dQ / Co = Vopp，由此得 Co = lo X_on / Vopp。N Buck-boost 中输出电容最恶劣有效值发生在 Dmax， 其值为 lrms_co = lo X (Dmax + r_dmaxA2/12) / (1 - Dmax)A0.5 ，一般选择电容是器额定纹波电流应等于或大于此值。O 考虑漏感

19、电流不超过一次绕组电流的20%，仅为估计，无计算根据。P RCD 电路的分析和计算如下：(1) 工作过程：开关管截止后，漏感电流通过D对C迅速充电，然后 C通过R放电，消 耗漏感能量于 R 上。(2) 充电过程时间很短，相对整个周期可以忽略。(3) C 不能太大， 否则吸收能量过多， 影响变压器能量传递， 同时 R 成为变换器的死负载。(4) R不能太小，否则放电太快，C电压降到反射电压(Vor)时R开始消耗二次传过来的 能量，所以 R 要使 C 的放电电压在开关导通时不小于反射电压。根据以上分析，计算推导如下：Vcmax > Vor，把Vc线性化，可得 Vcmax / Vor = T

20、/ t_ON , T为开关周期，t_ON为开关导 通时间，由此得Vcmax = Vor / D (式 1)当开关导通时 C上电压刚好等于反射电压有：Vcmax X eA(-(1 - D) TX(R C) = Vor,由T= 1 / f 整理得R XC = (D - 1)/ (f in(D)(式 2)Vc 的最小值 Vcmin = Vcmax XeA(-T / (RC)X (式 3)此时漏感能量全部被 RC 电路吸收，有如下方程：0.5 XLikXIpkA2 = 0.5CXX(VcmaxA2 - VcminA2) (式 4)整理式 3 和式 4 可以得到C = IpkA2XLik / (VcmaxA2(1X- eA(2in(XD) / (1 - D)由上式和式 2 可以得R = (D - 1) / (C f Xin(D)电阻R消耗的功率是 Pr = 0.5 Xk X3kA2 XQ LCD 无损吸收网络的分析和计算：(1 )开关管