为什么要选择反激拓扑结构？ (1)

2011-05-09 14:31:43 来源:互联网

关键字：反激拓扑结构

一、为什么选用反激拓扑？

许多书籍都有提到，反激拓扑适用于150W以下功率，但是具体的原因却很少分析，我尝试做些解释。从三个方面分析：开关管、磁性器件、电容。

初级开关管（MOSFET）。假设输入电压恒定为60V，情况同上。从两个方面考虑反激、正激、半桥：选用mosfet的最大耐压和流过mosfet的最大电流有效值。

可见在理想状态下，三种拓扑的差别并没有体现在初级mosfet的导通损耗上（注意半桥使用了两个功率mosfet），开关管的另一个损耗是开关损耗，公式的推导见EXEL文件。假设开通关断有相同损耗，电感量无穷大，则计算公式如下：

反激开关损耗：

正激开关损耗：

半桥：

从公式可以看出，在只针对一个输入电压点优化的情况下，反激的开关损耗最大，正激和半桥没有区别，这是限制反激大功率运用的一个原因。

次级mosfet

次级mosfet都是零电压开通关断，不存在开关损耗

次级mosfet的导通损耗同样限制了反激在大功率场合的运用，mosfet体内二极管的反向恢复同样产生损耗，值得注意的是这个损耗源于次级，发生在初级mosfet，计算公式如下

考虑到半桥的占空比D可以是0.9，所以以上三个公式基本上没有区别。

3、磁性器件。反激的变压器等效理想变压器和电感器的结合，不知道该如何正激和半桥的磁性器件比较，这里只讨论下为什么反激变压器中漏感的影响大。具体分析见EXEL中《磁性器件》页面

4、电容。同样关心电容的电流应力和电压。电压应力没什么区别。

输入电容电流应力基本没有区别，输出电容上反激的电流应力很糟糕，但需要注意的是，输出电容的电流应力与输出电流成正比，与输出功率并没有直接关系，正激和半桥的输出电容电流应力为0是因为电感假设为无穷大，实际值与△I有关。

5、总结：通过以上分析，反激不适合大功率引用原因如下：

初级mosfet开关损耗

次级mosfet导通损耗

变压器漏感导致的损耗

输出电容电流应力

上面的计算基于输入电压恒定为60V，但实际情况是25~125V。这个情况下，反激拓扑显示出它的优势，可能更恰当的说应该是正激、半桥变得更加难以设计，其原因在于占空比变化过大，导致次级开关管电压应力大，同时初级mosfet的开关损耗可能超过反激

因为功率为400W，我考虑三个方案：全桥，双相交错有源嵌位正激或反激。

全桥初级需要四个mosfet，且驱动要浮驱，比较难找到合适的驱动芯片；

双相交错有源嵌位正激需要两个N管，两个P管，同样有驱动芯片难找的问题；

同时因为以前没有做过反激，对反激比较感兴趣，在一个以前的同事建议下选择双相交错反激。后来事实证明我当时错误估计了漏感的影响，导致了使用复杂的吸收电路。

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为了表征各种电压或电流波形的好坏，一般都是拿电压或电流的幅值、平均值、有效值、一次谐波等参量互相进行比较。在开关电源之中，电压或电流的幅值和平均值最直观，因此，我们用电压或电流的幅值与其平均值之比，称为脉动系数S；也有人用电压或电流的有效值与其平均值之比，称为波形系数K。

　　因此，电压和电流的脉动系数Sv、Si以及波形系数Kv、Ki分别表示为：

　　Sv = Up/Ua —— 电压脉动系数 （1-84） 幅值与其平均值之比

　　Si = Im/Ia —— 电流脉动系数 （1-85）

　　Kv =Ud/Ua —— 电压波形系数 （1-86） 有效值与其平均值之比

　　Ki = Id/Ia —— 电流波形系数 （1-87）

　　上面4式中，Sv、Si、Kv、Ki分别表示：电压和电流的脉动系数S，和电压和电流的波形系数K，在一般可以分清楚的情况下一般都只写字母大写S或K。脉动系数S和波形系数K都是表征电压或者电流好坏的指标，S和K的值，显然是越小越好。S和K的值越小，表示输出电压和电流越稳定，电压和电流的纹波也越小。

反激式开关电源的优点和缺点

1 反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差。

反激式开关电源在控制开关接通期间不向负载提供功率输出，仅在控制开关关断期间才把存储能量转化为反电动势向负载提供输出，但控制开关的占空比为0.5时，变压器次级线圈输出的电压的平均值约等于电压最大值的的二分之一，而流过负载的电流正好等于变压器次级线圈最大电流的四分之一。即电压脉动系数等于2，电流脉动系数等于4。

反激式开关电源的电压脉动系数，和正激式开关电源的脉动系数基本相同，但是电流的脉动系数是正激式开关电源的电流脉动系数的两倍。由此可知，反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差。

特别是，反激式开关电源使用的时候，为了防止电源开关管过压击，起占空比一般都小于0.5，此时，流过变压器次级线圈的电流会出现断续，电压和电流的脉动系数都会增加，其电压和电流的输出特性将会变得更差。

2 反激式开关电源的瞬态控制特性相对来说比较差。

由于反激式开关电源仅在开关关断期间才向负载提供能量输出，当负载电流出现变化时，开关电源不能立即对输出电压或电流产生反应，而需要等到下一个周期事，通过输出电压取样和调宽控制电路的作用，开关电源才开始对已经过去了的事情进行反应，即改变占空比，因此，反激式开关电源的瞬态控制特性相对来说比较差。有时，当负载电流变化的频率和相位与取样、调宽控制电路输出的电压的延时特性在相位保持一致的时候，反激式开关电源输出电压可能会产生抖动，这种情况在电视机的开关电源中最容易出现。

3 反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感都比较大，开关电源变压器的工作效率低。

反激式开关电源变压器的铁芯一般需要留一定的气隙，一方面是为了防止变压器的铁芯因流过变压器的初级线圈的电流过大，容易产生磁饱和。另一方面是因为变压器的输出功率小，需要通过调整电压器的气隙和初级线圈的匝数，来调整变压器初级线圈的电感量的大小。因此，反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感都比较大，从而会降低开关电源变压器的工作效率，并且漏感还会产生反电动势，容易把开关管击穿。

4 反激式开关电源的优点是电路比较简单，体积比较小，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多。

反激式开关电源的优点是电路比较简单，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感，以及一个续流二极管；其次，反激式开关电源的体积要比正激式开关电源的体积小，且成本也要低。此外，反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多，因此，反激式开关电源要求调控占空比的误差信号幅度要比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也要较小。由于这些优点，目前，反激式开关电源在家电领域中还是被广泛的应用。

5 反激式开关电源多用于功率较小的场合或是多路输出的场合。

6 反激式开关电源不需要加磁复位绕组。

在反激式开关电源中，在开关管关断的时候，反激式变换器的变压器储能向负载释放，磁芯自然复位，不需要加磁复位措施。

7.在反激式开关电源中，电压器既具有储能的功能，有具有变压和隔离的功能。

正激式开关电源的优点和缺点

1 正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好。

正激式变压器开关电源正好是在变压器的初级线圈被直流电压激励时，变压器的次级线圈向负载提供功率输出，并且输出电压的幅度是基本稳定的，此时尽管输出功率不停地变化，但输出电压的幅度基本还是不变，这说明正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好；只有在控制开关处于关断期间，功率输出才全部由储能电感和储能电容两者同时提供，此时输出电压虽然受负载电流的影响，但如果储能电容的容量取得比较大，负载电流对输出电压的影响也很小。

2 正激式变压器开关电源负载能力相对来说比较强。

由于正激式变压器开关电源一般都是选取变压器输出电压的一周平均值，储能电感在控制开关接通和关断期间都向负载提供电流输出，因此，正激式变压器开关电源的负载能力相对来说比较强，输出电压的纹波比较小。如果要求正激式变压器开关电源输出电压有较大的调整率，在正常负载的情况下，控制开关的占空比最好选取在0.5左右，或稍大于0.5，此时流过储能滤波电感的电流才是连续电流。当流过储能滤波电感的电流为连续电流时，负载能力相对来说比较强。

3正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好很多。

当控制开关的占空比为0.5时，正激式变压器开关电源输出电压uo的幅值正好等于电压平均值Ua的两倍，流过滤波储能电感电流的最大值Im也正好是平均电流Io（输出电流）的两倍，因此，正激式变压器开关电源的电压和电流的脉动系数S都约等于2，而与反激式变压器开关电源的电压和电流的脉动系数S相比，差不多小一倍，说明正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好很多。

4正激式开关电源比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。

正激式变压器开关电源的缺点也是非常明显的。其中一个是电路比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。此外，正激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于反激式变压器开关电源来说要低很多，这个从（1-77）和（1-78）式的对比就很明显可以看出来。

因此，正激式变压器开关电源要求调控占空比的误差信号幅度比较高，误差信号放大器的增益和动态范围也比较大。

5正激式开关电源的体积比较大。

正激式变压器开关电源为了减少变压器的励磁电流，提高工作效率，变压器的伏秒容量一般都取得比较大（伏秒容量等于输入脉冲电压幅度与脉冲宽度的乘积，这里用US来表示），并且为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿，正激式变压器开关电源的变压器要比反激式变压器开关电源的变压器多一个反电动势吸收绕组，因此，正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大。

6正激式开关电源的变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。

正激式变压器开关电源还有一个更大的缺点是在控制开关关断时，变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。因为一般正激式变压器开关电源工作时，控制开关的占空比都取在0.5左右，而反激式变压器开关电源控制开关的占空比都取得比较小。

7双管正激式转换器可以应用于较高电压输入，较大功率输出的场合。

双端隔离式PWM DC/DC转换器，在一个开关周期内，功率从隔离变压器的初级绕组的一端和另一端交替的输入，故称双端。双端隔离式PWM DC/DC转换器的磁芯在B-H平面坐标系的第一和第三象限运行，故磁芯可以得到充分的利用。

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