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反激式开关电源占空比计算方法

2017年11月14日 18:22 次阅读

  反激式(Flyback)变压器又称单端反激式或“Buck-Boost”转换器。因其输出端在原边绕组断开电源时获得能量故而得名。反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱。反激式变压器适合小功率电源以及各种电源适配器。但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式,而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式。基本原理

  当开关晶体管Tr ton时,变压器初级Np有电流 Ip,并将能量储存于其中(E = LpIp / 2)。由于Np与Ns极性相反,此时二极管D反向偏压而截止,无能量传送到负载。当开关Tr off 时,由楞次定律: (e = -N△Φ/△T)可知,变压器原边绕组将产生一反向电势,此时二极管D正向导通,负载有电流IL流通。反激式转换器之稳态波形

  导通时间 ton的大小将决定Ip、Vce的幅值:

  Vce max = VIN / 1-Dmax

  VIN: 输入直流电压 ; Dmax : 最大工作周期

  Dmax = ton / T

  由此可知,想要得到低的集电极电压,必须保持低的Dmax,也就是Dmax《0.5,在实际应用中通常取Dmax = 0.4,以限制Vcemax ≦ 2.2VIN.

  开关管Tr on时的集电极工作电流Ie,也就是原边峰值电流Ip为: Ic = Ip = IL / n. 因IL = Io,故当Io一定时,匝比 n的大小即决定了Ic的大小,上式是按功率守恒原则,原副边安匝数 相等 NpIp = NsIs而导出。 Ip亦可用下列方法表示:

  Ic = Ip = 2Po / (η*VIN*Dmax)η: 转换器的效率

  公式导出如下:

  输出功率 : Po = LIp2η / 2T

  输入电压 : VIN = Ldi / dt设 di = Ip,且 1 / dt = f / Dmax,则:

  VIN = LIpf / Dmax 或 Lp = VIN*Dmax / Ipf

  则Po又可表示为 :

  Po = ηVINf DmaxIp2 / 2f Ip = 1/2ηVINDmaxIp

  ∴Ip = 2Po / ηVINDmax

  上列公式中 :

  VIN : 最小直流输入电压 (V)

  Dmax : 最大导通占空比

  Lp : 变压器初级电感 (mH)

  占空比是脉冲宽度调制(PWM)开关电源的调制度,开关电源的稳压功能就是通过自动改变占空比来实现的,开关电源的输出电压与占空比成正比,开关电源输出电压的变化范围基本上就是占空比的变化范围。由于开关电源输出电压的变化范围受到电源开关管击穿电压的限制,因此,正确选择占空比的变化范围是决定开关电源是否可靠工作的重要因素;而占空比的选择主要与开关电源变压器初、次级线圈的匝数比有关,因此,正确选择开关电源变压器初、次级线圈的匝数比也是一个非常重要的因素。

  占空比

  占空比一般是指,在开关电源中,开关管导通的时间与工作周期之比,即:

  反激式开关电源占空比计算方法

  式中:D为占空比,Ton为开关管导通的时间,Toff为开关管关断的时间,T为开关电源的工作周期。对于一个脉冲波形也可以用占空比来表示。

  反激式开关电源占空比计算方法

  在反激式开关电源中,开关管导通的时候,变压器次级线圈是没有功率输出的,D1、D2有下面关系:

  反激式开关电源占空比计算方法

  开关变压器初次级线圈的输出波形

  反激式开关电源占空比计算方法

  图是输出电压为交流的开关电源工作原理图。为了便于分析,我们假说变压器初次级线圈的变压比为1:1(即N1=N2,L1=L2),当开关K又导通转断开时,变压器初级、次级线圈产生感应电动势为:

  反激式开关电源占空比计算方法

  (3)式中:iu为变压器初级线圈的励磁电流,由此可知,变压器初、次级线圈产生的反电动势主要是由励磁电流产生的。我们从(2)可以看出,当变压器初、次级线圈的负载电阻R很大或者开路的情况下,变压器初、次级线圈产生的感应电动势峰值是非常高的,如果这个电压直接加到电源开关管两端,电源开关管一定会被击穿。为了便于分析,我们引进一个半波平均值的概念,我们把Upa、Upa-分别定义为变压器初、次级线圈感应电动势正、负半周的半波平均值。半波平均值就是把反电动势等效成一个幅度等于Upa或Upa-的方波,如图中的Upa-所示。

  反激式开关电源占空比计算方法

  反激式变压器初次级线圈的输出波形

  反激式开关电源占空比计算方法

  图为反激式开关电源的工作原理图,图为反激式开关电源变压器初、次级线圈的波形(N1=N2时)。图中的Ui、uL1、uL2、Up、Upa、Upa-、Ua、Ua-等前面都已经介绍过,图中只多了一个整流滤波输出电压Uo。所谓反激式开关电源,就是电源开关管导通时,开关电源无功率输出,仅在电源开关管截止时才有功率输出。在反激式开关电源中,由于整流二极管以及储能滤波电容的作用,它会把变压器初、次级线圈产生的反电动势进行平均,使峰值脉冲电压Up(Up-)被平均成半波平均值Upa(Upa-),这相当于限幅的作用,因为充满电的电容相当于一个电压等于Uo的电池。这种限幅作用是假说开关电源变压器初、次级线圈没有漏感的情况下才能成立。

  占空比的选择和计算

  1.图中uL1为变压器初级线圈N1产生的反电动势,蓝、红色箭头分别表示开关接通和关断时,感应电动势的方向。

  2.图4b蓝色为开关接通时变压器初级线圈N1产生的感应电动势波形;红色为开关关断时N1产生的感应电动势波形。

  在图中,由于变压器存储的能量和释放的能量相等,所以蓝色波形的面积等于红色波形的面积。

  即:

  Upa-&TImes;Ton=Upa&TImes;Toff

  或

  Ui&TImes;Ton=Upa&TImes;Toff

  把占空比:待入上式就可以求得:

  Upa=(Ui+Upa)×D………(4)

  该式就是我们用来选择和计算占空比D的关系式。

  由图中可以看出,(4)式括弧中的值(Ui+Upa)正好就是电源开关管两端的电压,电源开关管的耐压有限,因此,开关电源的最大占空比要受到电源开关管的最高耐压BVm值的限制。

  在实际应用中,由于变压器初级线圈的漏感是不能忽视的,因为,这个漏感产生的反电动势不能通过次级整流滤波电路对其进行限幅。从(2)式可知,这个反电动势的峰值非常大。因此,在变压器初级线圈回路中还要另设一个限幅电路。

  反激式开关电源占空比计算方法

  图中L0为变压器初级线圈的漏感(一般为5~10%,与初次级线圈的绕法有关),L0产生的反电动势会迭加在初级线圈L1产生的半波平均值电压上。通过D1、C1、R1的作用可以对L0产生的反电动势进行限幅,其半波平均值的大小,可以通过调整R1和C1的大小来改变,使之不要超过L1产生的半波平均值的5%。

  如果把漏感L0产生的反电动势也一起进行考虑,当输入电压为最大值时,上面(4)式应该改写为:

  Upm=(Uim+Upm)Dmax……………(5)

  (5)式中,Upm为变压器初级线圈产生感应电动势的最大峰值,当采用限幅电路之后,Upm的值就等于初级线圈L1和L0分别产生反电动势的半波平均值之和。此值与漏感大小有关,Upm大约比无漏感时的Upa大5~8%。如果把上式括弧(Uim+Upm)中的值换成BVm,则(5)式又可以改写为:

  Upm=BVm×Dmax…………(6)

  (6)式中,BVm=(Uim+Upm),为电源开关管的最高耐压,Dmax为:当输入电压为最大值(Uim),且改变占空比使电源开关管两端电压达到最高耐压值时,此时占空比所能达到的最大值,即极限值。

  值得指出的是:占空比是随着输入电压变化而变化的,当输入电压为最大值时,此时动态变化的D应该为最小值Dmin,但(6)式中的极限值Dmax则另有意义,它表示:当输入电压为最大值,且此时的占空比D也达到极限值Dmax时,电源开关管将会过压被击穿。因此,实际工作中的最小占空比Dmin应该比(6)式中的Dmax小好多,一般取Dmin=0.7Dmax较为合适。由此我们可以得出结论:

  在设计反激式开关电源时,可根据(5)式和(6)式来计算占空比Dmax的最大值。

  占空比计算举例

  设计一个反激式开关电源,输入电压最大值为AC260V,假设,电源开关管的最大耐压为650V,求开关电源的最小占空比Dmin。

  第一步,求极限占空比Dmax:

  Upm=BVm×Dmax——(6)

  已知:

  Uim=260×1.414=368(V);

  BVm=650V;

  Upm=650-368=284(V)

  把上面结果代入(6)式:Upm=BVm×Dmax得:

  284=650×Dmax,即:Dmax=0.437

  第二步,求最小占空比Dmin:

  在实际应用中,为了安全,最小占空比Dmin最少要比极限占空比Dmax多留30%的余量,由此可求得:

  Dmin=Dmax×0.7=0.437×0.7=0.306……(7)

  Ip : 变压器原边峰值电流 (A)

  f : 转换频率 (KHZ)

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隔离变压器 除了能改变电压外,还可以把输入绕组和输出绕组在电气上彼此隔离,用以避免同时触及带电体(或...

发表于 2018-02-23 09:45 145次阅读
三相干式隔离变压器介绍

干式隔离变压器该如何接线

常见的变压器绕组有二种接法,即“三角形接线”和“星形接线”;在变压器的联接组别中“D表示为三角形接线...

发表于 2018-02-23 09:28 114次阅读
干式隔离变压器该如何接线

单相隔离变压器接线图分享

隔离变压器的主要作用是:使一次侧与二次侧的电气完全绝缘,也使该回路隔离。另外,利用其铁芯的高频损耗大...

发表于 2018-02-23 09:09 355次阅读
单相隔离变压器接线图分享

变压器二次侧能接地吗

单相变压器的二次侧可以接地,是否接地要看二次侧的具体需要;如果二次侧直接接用的是人能触及的用电设备,...

发表于 2018-02-23 08:53 208次阅读
变压器二次侧能接地吗

想自己绕变压器,这种变压器应该怎么绕啊!~请各位大神指教一下

发表于 2018-02-11 20:59 677次阅读
想自己绕变压器,这种变压器应该怎么绕啊!~请各位大神指教一下

什么是变压器并列运行_变压器并列运行的优点_运行...

本文开始介绍了什么是变压器并列运行与变压器并列运行的目的,其次介绍了变压器并列运行应满足的条件和变压...

发表于 2018-02-08 11:06 172次阅读
什么是变压器并列运行_变压器并列运行的优点_运行...

变压器瓦斯保护的结构与工作原理

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能...

发表于 2018-02-08 09:31 237次阅读
变压器瓦斯保护的结构与工作原理

变压器十大品牌排行榜_变压器生产厂家推荐

2017-2018年最新的变压器品牌榜发布了,一起来看下本次发布的榜单的品牌数据情况吧。变压器十大品...

发表于 2018-02-07 16:16 534次阅读
变压器十大品牌排行榜_变压器生产厂家推荐

变压器的零序电流保护详解

零序电流保护指利用接地时产生的零序电流使保护动作的装置,叫零序电流保护。在电缆线路上都采用专门的零序...

发表于 2018-02-07 15:58 240次阅读
变压器的零序电流保护详解

什么是配电变压器_配电变压器的作用

中国变压器产品按电压等级一般可分为特高压(750KV及以上)、超高压(500KV)变压器、220-1...

发表于 2018-02-07 15:43 185次阅读
什么是配电变压器_配电变压器的作用

变压器线圈作用是什么_如何计算变压器线圈

变压器分为互感变压器和自耦变压器两种。一次线圈中通过变化的电流,产生变化的磁场,二次线圈处在变化的磁...

发表于 2018-02-07 15:26 217次阅读
变压器线圈作用是什么_如何计算变压器线圈

变压器线圈有几种绕线方法

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能...

发表于 2018-02-07 15:20 445次阅读
变压器线圈有几种绕线方法

电力变压器的用途

在变压器的分类当中,有一种叫做箱式的变压器,它一般应用与电力工程施工中,根据具体的施工工程要求,一般...

发表于 2018-02-07 15:18 160次阅读
电力变压器的用途

电力变压器检测周期及检测方法

随着国内外研究和应用油中溶解气体在线监测设备的不断普及,虽然不同的装置在线的检测手段和取样方式的侧重...

发表于 2018-02-07 15:09 306次阅读
电力变压器检测周期及检测方法

电力变压器结构示意图

心式铁心的特点是铁轭靠着绕组的顶面和底面,但不包围绕组的侧面;壳式铁心的特点是铁轭不仅包围绕组的顶面...

发表于 2018-02-07 14:48 312次阅读
电力变压器结构示意图

电力变压器的油起什么作用

变压器中的主要保护措施是瓦斯保护,变压器油面降低以及变压器油箱内的故障都由瓦斯予以反映。当变压器出现...

发表于 2018-02-07 14:40 141次阅读
电力变压器的油起什么作用

电力变压器并列运行的条件

在实际运行中,两段母线由各自的变压器供电。于是,两段进线断路器QF1和QF2均闭合,而单母线分段的母...

发表于 2018-02-07 14:22 109次阅读
电力变压器并列运行的条件

关于电力变压器故障与诊断

变压器产生“嗡嗡”声的原因有:硅钢片的磁滞伸缩引起的振动;铁心的接缝与叠层之间的磁力作用引起的振动;...

发表于 2018-02-07 14:14 124次阅读
关于电力变压器故障与诊断

电力变压器和配电变压器的区别

配电变压器主要用于配电网络向用户提供电力般高压66KV低压380/220V、3KV、6KV、10KV...

发表于 2018-02-07 13:59 689次阅读
电力变压器和配电变压器的区别

电力变压器容量等级及规格

电力变压器的型号标注包括相数、绝缘方式、导体材料、额定容量、额定电压等内容。常用的字符含义如下:S―...

发表于 2018-02-07 13:51 1127次阅读
电力变压器容量等级及规格

重瓦斯保护原理是什么_变压器重瓦斯保护动作的处理...

 变压器在运行中,由于内部故障,有时候我们无法及时辨别和采取措施,容易引起一些事故,采取瓦斯继电器保...

发表于 2018-02-07 11:56 201次阅读
重瓦斯保护原理是什么_变压器重瓦斯保护动作的处理...

电力变压器分类及参数

为提高变压器的可靠性、经济性,亦即解决大型变压器的运输困难问题,近年来,主要是加强了对变压器原材料和...

发表于 2018-02-07 11:29 216次阅读
电力变压器分类及参数

检测电力变压器的好坏

听声音就可以判断正常的声响。当电力变压器受电后,电流通过铁心产生交变磁通,就会发出“嗡嗡”的均匀电磁...

发表于 2018-02-07 11:15 205次阅读
检测电力变压器的好坏

变压器零序保护原理_变压器零序电流保护工作原理解...

变压器(Transformer)是利用电磁感应的塬理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线...

发表于 2018-02-07 11:12 147次阅读
变压器零序保护原理_变压器零序电流保护工作原理解...

变压器的功能、产品分类、技术现状与前景预测

变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置,主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯(磁芯)。主要功能...

发表于 2018-02-07 10:59 490次阅读
变压器的功能、产品分类、技术现状与前景预测

变压器内部结构图_变压器的容量计算

本文介绍了变压器内部结构,其次详细的介绍了变压器工作原理,介绍了变压器特征参数,最后介绍了变压器的容...

发表于 2018-02-06 17:04 177次阅读
变压器内部结构图_变压器的容量计算

环形变压器应用领域介绍

选配环形变压器,要根据负载的电压、电流使用情况,来决定选取环形变压器的功率。环形变压器输标称出电流,...

发表于 2018-02-06 16:10 156次阅读
环形变压器应用领域介绍

环形变压器作用是什么

环形变压器的作用一般是升降压作用,通常我们使用的电压有多种,如生活照明电是220V,工业安全照明是3...

发表于 2018-02-06 16:07 155次阅读
环形变压器作用是什么

怎样用变压器改逆变器_变压器和逆变器的区别

本分开始分析了变压器能否当逆变器用,其次介绍了变压器和逆变器两者之间的区别,最后介绍了两种变压器改逆...

发表于 2018-02-06 15:26 649次阅读
怎样用变压器改逆变器_变压器和逆变器的区别

变压器匝间短路现象是什么

变压器匝间短路故障的匝数一般很少,故障时绕组中这部分被短接起来,但仍是闭合的线圈,相当于产生了一个新...

发表于 2018-02-06 15:13 281次阅读
变压器匝间短路现象是什么

音响为什么用变压器_变压器在音响中的作用

本文开始对变压器的功能和工作原理进行了介绍,其次介绍了音响用变压器的作用及音响使用环形变压器的原理进...

发表于 2018-02-06 14:30 427次阅读
音响为什么用变压器_变压器在音响中的作用

高频变压器原理是什么?

变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件,当初级线圈中通有交流电流时,铁芯(或磁芯)中便产生交流磁通,...

发表于 2018-02-06 14:10 381次阅读
高频变压器原理是什么?

变压器如何绝缘?关于变压器的绝缘问题讨论分析

变压器的纵绝缘包括匝间绝缘、层间绝缘以及段间绝缘这三个部分。纵绝缘设计时需要考虑的是作用在纵绝缘上的...

发表于 2018-02-06 13:44 60次阅读
变压器如何绝缘?关于变压器的绝缘问题讨论分析

三相自耦变压器的连接方式介绍

自耦变压器是输出和输入共用一组线圈的特殊变压器。升压和降压用不同的抽头来实现,比共用线圈少的部分抽头...

发表于 2018-02-06 13:40 220次阅读
三相自耦变压器的连接方式介绍

如何选择变压器的连接组别

变压器的连接组别就表示了一次绕组和二次绕组间线电动势的相位关系。分析可知,变压器一、二次电动势相位差...

发表于 2018-02-06 11:46 156次阅读
如何选择变压器的连接组别

变压器节能降耗的关键技术详解及措施分析

随着城市社会经济的快速发展,能源供需矛盾日益突出,对于供配电系统而言,推进节能降耗技术措施和设备装置...

发表于 2018-02-06 11:35 110次阅读
变压器节能降耗的关键技术详解及措施分析

变压器和逆变器有什么区别_变压器和逆变器区别介绍

本文开始对变压器进行了介绍,其中包括了变压器主要分类、变压器工作原理及变压器特征参数,其次对逆变器进...

发表于 2018-02-06 11:30 437次阅读
变压器和逆变器有什么区别_变压器和逆变器区别介绍

ei型变压器规格表

EI变压器按照尺寸分类,一般大的类别是按照硅钢片长度来分类。比如常用的EI-19、EI-28、EI-...

发表于 2018-02-06 11:26 193次阅读
ei型变压器规格表

12种三相变压器联结组别及向量图详细说明

变压器的联接组别的表示方法是:大写字母表示一次侧(或原边)的接线方式,小写字母表示二次侧(或副边)的...

发表于 2018-02-06 11:22 754次阅读
12种三相变压器联结组别及向量图详细说明

r型变压器如何绕制_r型变压器绕线方法

根据不同质量的硅钢片选取系数40~55:N=(40~55)/,求出的次级匝数应增加5~lO%(根据负...

发表于 2018-02-06 10:42 156次阅读
r型变压器如何绕制_r型变压器绕线方法

最完整的变压器资料

发表于 2018-02-01 17:29 626次阅读
最完整的变压器资料

【专家分享】电源磁元件技术的未来发展方向

发表于 2018-01-23 17:02 416次阅读
【专家分享】电源磁元件技术的未来发展方向

关于变压器的问题

发表于 2018-01-14 21:58 388次阅读
关于变压器的问题

桥式滤波硅稳压原理图

发表于 2017-12-08 18:37 712次阅读
桥式滤波硅稳压原理图