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在不连续工作模式中,电路的特性非常不同。小时间间隙裕量允许导通时间增加而不减小关断时间(在有限的裕量内),所以面前遇到的问题在这里不会发生,假设这个裕量足够大以满足脉冲宽度的调节。
2.3 BUCK-BOOST型拓扑结构
图2.4 BUCK-BOOST拓扑的精简模型
BUCK-BOOST拓扑的精简模型如图2.4所示。输出电压的产生:当K接通的时候,Ui开始对L加电,流过L的电流开始增加,同时电流在L中也要产生磁场;当K由接通转为关断的时候,L会产生反电动势,使电流继续流动,并通过整流二极管D进行整流,再经C储能滤波,然后向负载R提供电流输出。控制开关K不断地反复接通和关断过程,在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。BUCK-BOOST输出的是一个反极性的电压。 2.3.1 BUCK-BOOST型拓扑结构的工作过程分析
(a) (b) (c)
图2.5 BUCK-BOOST型拓扑的工作过程分析
1、当K导通时→IL线性增加, D1截止此时C向负载供电
2、当K截止时→ D1导通,L通过D、 C形成续流回路,向C充电,向R供电IL小于Io后,C也开始放电。若IL降为0,则只有C对负载R放电 2.3.2电流连续相关的各种工作模式
从上面的分析可以看到BUCK-BOOST电路L上的电流可能会断续,也会出现CCM,DCM,BCM三种工作模式,下图就是三种模式下的信号波形图,依次是BCM,DCM以及CCM。
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(a) (b) (c) 图2.6 电流连续相关的各种工作模式 2.3.3 电压增益比
这里简单推算下CCM(L上的电流连续时)模式下的电压增益比。 由L上应用伏秒定理
Ui*Ton?U0*Toff得增益比
M?U0/Ui?Ton/Toff?D1/D2
此时
D1?D2?1,
所以
M?D1/(1?D1)
从前面的分析可以看出BUCK-BOOST电路在K闭合时利用L蓄能,在K断开时向C和R释放能量。
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三、开关电源中的高频变压器设计
在开关电源的设计过程中,高频变压器可算是一个难关,一个复杂环节。磁芯材料、输送功率、工作频率、散热条件等都是变压器设计所要考虑的因素。同时,对于不同工作状态的开关电源,变压器的设计步骤也不同。下面介绍变开关电源中变压器的设计思路。
3.1 设计概述
“绕组匝数”和“几何尺寸”通常是开关电源中变压器设计制作首先要确定的。选用多少规格、什么结构的磁芯,每个绕组的匝数是多少,都对设计结果有着较大的影响,应该由线圈电感量、线圈最大工作电流以及储存的磁场能的多少来确定。如随着绕组匝数增多,相应的电感量会增大,磁饱和电流值则会减小。
高频变压器的磁芯材料一般选用铁氧体软磁。如果以其最大输出功率为约束条件,变压器的磁芯不会出现磁饱和为底限,在不计温度升高的条件下,开关电源变压器的设计流程便可简化,形成单向化设计,如图3.1所示。其中的激磁时间是指激励电压加于变压器主绕组的单次时间。
功率P0 磁芯体积与几何尺寸 初级绕组匝数N1 激磁时间
图3.1 以功率为约束的变压器参数设计流程
其他参数 3.2 磁芯的几何尺寸确定
磁芯的尺寸与输送功率的大小有关,但却没有固定的对应关系。在尺寸相同的条件下,工作频率升高时,其传输功率也会相应的增大。在变压器的设计过程中,为了缩小体积,不论其工作再正激状态还是反激状态,都会充分利用其电磁转换能力,且避免出现磁饱和状态。对于反激励式变压器而言,如果确定输出功率P0和开关周期T0。则磁芯的储能应为w=P0T0而磁场能与磁芯体积V及材料的关系为
w?
V?Bm2?0?r (1)
对于单极性激励的变压器,?Bm?Bs?Br0,?Bm是工作磁感应强度最大的变化量,BS是磁芯材料在饱和条件下的磁感应强度,Br是磁芯的材料剩磁。由此可得磁芯体积与开关周期T和输出功率P0的关系
V?
2?0?rP0T?Bm (2)
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在有效截面积相同的情况下,磁芯的磁阻越大,可以储存的能留就业越大。磁芯在能量传输中存在一定的转换效率,在实际使用中,磁芯的体积应该保证大于此值。根据此,便可确定磁芯几何尺寸。
正激式开关电源的输出不仅由磁芯的储能情况而定,使得它的输出功率与其储能没有固定的对应关系。这类变压器磁芯的尺寸便主要由绕组体积决定。此类磁芯尺寸同样适用于反激变压器。
3.3 变压器初级绕组匝数及电感量的独立设计
对变压器初级绕组匝数N1的确定在开关电源变压器设计中是十分重要的,而初级绕组匝数N1则影响着电感量L1的大小。然而,电感量L1的大小还受其他因素的影响。
L?N
?i (3)
??
Ni?Rmk (4)
其中?是磁通量的大小,Rmk是磁路中磁阻的总和。可得:
N1iN12L1?N1?N1?ii?Rmk?Rmk (5)
总磁阻确定以后,电感量L1同线圈匝数N1的平方成正比,同时与磁路的总磁阻成反比。在绕组的设计中,电感量L1可通过匝磁阻与匝数这两个因素共同控制。
电感量L1由线圈匝数N1决定,且影响着激磁电流i1,同时在磁芯中产生磁场B。要确定最少匝数N1min,就要在规定的激励时间里,使激励电流产生的磁场B不超过最大工作的磁场强度Bmax。令电感量一定,以Bmax为极限进行计算。电感的伏安关系为:
?U?L
Imt1 (6)
其中Im为激磁电流的最大值,t1为激磁时间。代入磁路欧姆定律4式可以得到:
N1ImaxN1Ut1N12Ut1?max????Rmk?RmkL1?RmkL1N1
?max?用5式代入,有
Ut1L1N1
用关系式?max?BmaxAe代入,可以得到:
N1min?Ut1BmaxAe (7)
其中U是加在主线圈上的激励电压;t1是最长激励时间;Bmax是最大工作磁感应强度;Ae是磁路的有效截面积,在E1型、EC型、EE型变压器的磁芯结构中,则是指中心磁柱的横截面积;对于磁环而言,则是环的截面积。
由7式可知,不让磁芯进入磁饱和状态,线圈最少匝数N1min与磁路磁阻Rm大小无关。这就使得变压器的初级绕组匝数N1与其电感量L1可以分开单独处理。首先确定最少激磁线圈
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