4 反激电源变压器计算方法 - DCM模式

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各位大家好 我是邵革良 现在我们开始讲 反激电源变压器设计计算方法的第四讲 那么第四讲呢是我们 讲 DCM 的这个计算 这个工作模式的计算方法 那么前面呢 我们第三讲讲了一个 CCM 的模式 那么 CCM 和 DCM 有一点不一样的地方 那么从我们这个图上来看 最大的不同在哪里 就是在这个 CCM 和 DCM 最大的不同 就在这一段区域 那么 DCM 呢实际上是在这个位置 在波形的这个位置啊直接就关闭了 直接就导通了 导通的话呢 那么原边的导通了之后呢 那么电流就继续往上涨 就是电流呢是连续的 那么一旦它超越了这个中点 这个震荡的中点 那么这个中点呢正刚好是 CCM 就临界模式超越了这个中点 那么往后面就是一直往后面 这个地方如果是打通的话呢 实际上它就有一个死区了 那么这个死区呢实际上是原边的 理论上讲原边的电感电流为零 那么副边的电流 这个线圈的电流也是为零 那么这个区域呢是一个死区 那么我这边给它定义成一个 Ddead 就是说死区的这个占空比 那么存在这个死区占空比呢 是我们这个 DCM 工作模式的 一个非常重要的特征 那么我们从知道了这个特征 那么我们再看中间这个图 这个图呢 黑颜色呢是代表原边的电流波形 就是 IDS 那么这个红颜色呢 是代表副边的电流波形 当然了如果是一比一的话 那么这两个点是完全是重合的 那么现在呢 我假定输出电流呢会比较大 就是变比呢是原边比副边呢是大于 Vin 的 那么这这一块呢就是我们的这个死区时间 所以说我们这也是一个几何算法啊 那么跟我们的连续模式是一样的 连续模式呢 我们也有一个就是平均电流是 IDC 对吧 那么有效值电流是 I 那么知道了有效值电流和平均电流呢 自然我们就按照这个公式 可以算出来 IAC 就是交流分量 那么这个呢也同样可以参照上一讲讲过的 就是 TI 的这个 winding 这个资料里面它有关 这个模型的这个具体的这个参数和算法 那么为什么我们要讲这个图呢 实际上我们从这个公式可以看到 我们输出电流是 IO 那么它等于多少呢 它是这个就是有效值的电流 那么 IO 呢我们也等于这个变比 乘上原边的电流的峰值 对吧 那么原边的电流峰值 对这个点呢实际上是一个变比关系 对吧 那么再加上二分之D 2分之D呢是这个 这个 D 是指在它这个的占空比 就是 reset 就是这个复位的 也就是说原边复位 实际上副边电流正好往外输出 那么这个时间呢正好是个二分之 D 那么实际上我们通过输出电流这个定义 那么我们就把这个原边的峰值电流 和这个场效应管关闭之后 二极管导通这段时间 这个占空比呢跟它联系起来 那么我们再看这个公式 就是副边的电感量呢 当然也在于变比的平方 跟这个原边电感量的关系 对吧 那么然后这个公式呢是 deta IS 副边的电流的变化率 对吧 就是实际上就是这个这个值吧 就是一直掉到零了嘛对不对 所以说 deta I 呢副边的电流呢 就是就是实际上是这个值的变化率 变化率呢它是什么呢 在关闭的时候 这个场效应管关闭的时候 那么这地方是往外输出电流的 对吧 那么这个电感两端电压 是上面正下面负 那么输出为 Vo 加上这个 VF 对不对 这个正向压降 所以说这两端电压呢就等于 VF 加上 Vo 那么 VF Vo 呢就是反向加在这上面 那么使它电流呢逐步在慢慢变小 就是这么个过程 所以说呢这个变小了变到零为止 那么这个变化呢 deta IS呢 就等于这个电压对吧 整个的电压除以这个副边的电感量 然后乘上这一段的时间 对吧 我们这地方写的是 Treset 是这一段时间 那么 好 刚才呢 我这地方写的是 Vo 对吧 那么我实际上我把这部分不删这漏掉了 那么对 deta IS 就副边的电流呢 这个变化率就这个变化率呢实际上就是 在反过来加上这个 线圈的 Vo 加 VF 对吧 除以这个副边的电感量 然后乘上这个时间 那么就是这个公式 那这个公式呢 我们副边的电流呢这个变化率 当然跟你原边的 Ip IPK 这个峰值 对这边的关系是什么 就是他们差一个变比对吧 那实际上就是这个 deta IS 那就是这个部分对吧 那么我们把这部分写下来写下来呢 Ls 呢跟原边的电感量的关系 那就是也是跟一个变比的平方成正比 我们前面讲过了啊 那么这样的话把它写过来 那么经过这方面的那个简化之后呢 我们就可以得到一个 Ik 对吧 Ipk 呢把这个去掉 对吧 把这个变比去掉 这地方两次方就变成一次方了 那么实际上就得到了这么个关系式 所以说我们从这里头 从我们这个输出的直流电流对吧 联系到这个峰值 这是峰值电流 对吧 原边的峰值电流 这是一个关系 那么从这个它的下降这个下降的时间 那么我们把这个也得到了另外一个方程 就是 Ipk 跟我们这个 这个 Dreset 这个占空比 也得到了另外一个方程 这就是我们这一个方程 再加上这个方程 是两个方程两个未知数 对吧 那么自然我们就可以解出来 这个 Dreset 等于多少对吧 那就是这么一个关系 这是我们从这里头呢 就把这个时间实际上就算出来了 那么这个时间算出来 对吧 那么当然了 我们就可以算出这个占空比 和这些都可以算出来了 好 那么从这里头来看啊 我们既然这一部分已经算出来了 对吧 那么回过头来呢 我们把 Ipk 也算出来 那么 Ipk 实际上呢 跟我们输入的电压除以电感 对吧 然后乘上 Ton 的时间就等于 Ipk 对吧 所以说这样的话 把原边把那个原边导通的占空比 也就算出来了 就说好我们一个周期里面是吧 这个 Dreset 的时间算出来了 占空比算出来了 然后我们的导通 Ton 的占空比算来了 那么剩下的就是这个死区 对吧 就这一段时间 其实我们到这为止 实际上我们就把这个从零开始的电流 都不用算了 跑到顶就是 Ipk 那这个就算出来了 对吧 然后这个 D 算出来了 Ddead 也算出来了 Dreset 也算出来 对吧 那么实际上到现在为止呢 就是我们通过这样的算法呢 把我们不连续的这种模型呢 电流波形就可以准确的计算出来 那么这一部分呢 就跟我们上一讲讲过的 CCM 的思路是一模一样 对吧 那么我假定说我有一个关闭的时候 有一个尖峰 是吧 有个毛刺 这个方向有个阿尔法 就是一个 spike 的电压 那么50伏也好 多少伏也好 假定是这么一个具体的 到时候我们先规定上 那么 VC 呢实际上也是一样 就是反过来跟输出电压相关 对吧 那么这部分是输入的电压 那么我还是按这个例子来举例啊 就是说假设我这个变压器 前面呢是连续模型 对吧 我们是按这个方式来算 那么 DCM 呢也是按这个方式算 也就是为 Vds 我还是选90%的这个利用率 那么是540伏 对吧 那么这个阿尔法呢我还是把它定到 任意选取到50伏 那么输出电压都是一样 那么得到了我们的变比呢是这么个关系 那从这里头我们就知道 DCM 和 CCM 其实变比是一样的 对不对 那么这个道理上也应该是这样 如果是 DCM CCM 变比呢必须不一样 那我们电源就不知道该怎么设计了是吧 那么因为我们一个电源固定频率的时候 它有时候工作在 CCM 有时候它也会自动随着负载的变化 输入输出电压的变化 那么它又会工作在 DCM 上 那么你说如果 CCM 是一个变比 DCM 另外一个变比的情况下 那我们这个电源就没法做了 我们要做一个随着这个工作模型 来变那个变比在跳的这样变压器 我们估计谁也做不出来是吧 好 那么这一部分呢 实际上我们就是跟原先的 CCM 一样 是来确定变比的 就是通过我们我所喜欢的 比如说600伏的管子 对吧 那么我把它这个变比确定下来 好 那么同样的道理 我们 CCM 其实也讲过 我们通过电感的定义 电感等于这个磁通对电流的变化率 对吧 然后有 N 匝就是有 N 倍 那么通过这个呢也同样得到了一个什么 得到了一个电感等于 N 的平方 匝数的平方乘上一个 L 值 L 值呢其实就是磁阻的倒数 对吧 那么磁阻呢实际上反映什么 就是反映我们给你一个磁芯 里头带气隙也好 不带气隙也好 反正他就给你一个物理性的磁芯 一个物理磁场 那么磁芯的材料已经确定了 那么它的导磁率也决定了 所以说它磁阻就确定了。 所以说那么也就意味着 它的倒数就是L值就是一匝的电荷量 那么这个呢是我们从电感定义 来 我们来复习一下啊 我们的磁通密度 就是等于原边的电流对吧 乘上原边的电感量 除以匝数变比匝数乘上这个有效面积 是这么过来的 这个都是完全按定义过来的 没有去考虑是有没有误差的问题 那么这是理想的定义 对应到 DCM 的时候呢 对应到 DCM 的时候呢 就是无非是 IDS1 等于0 对不对 那么实际上 detaB 呢就是等于 Bmax 好 那我们看右边 实际上你看啊前面 CCM 是这样的 那么 DCM 这个完全一样 对吧 那么这个地方呢只不过是把这个 deta 就是 Ipk 对吧 就是等于 IDS2 那么 IDS1 等于0 所以说是满足这个关系 对吧 那么我们就得到了 detaB 就等于 Bmax 那么实际上就这么一个公式 就这个呢其实把这个地方 把 IDS 等于0代进去就好了 就得到这边东西这个是完全一样的 同样的道理 我们假定这个变压器呢 在某种负载或者某种工作状态下 他划进去了 变到了这个 DCM 的工作模式 那么变压器是没 原先做好变压器没变 比如说还是500个微亨 对不对 那么大小什么都一样 那这些调节通通是一样的 那么跟 DC 跟 CCM 的条件都一样 这些都是已知条件 那么这些已知条件呢有了之后 我们还要去检验一下 我这个 DCM 工作的时候呢是不是合适 所谓的合适是什么 就是我们又编写了这四个条件 一 磁芯不能饱和 对不对 也就是 Bmax 肯定要小于我们的 所谓选择磁芯的那个比 那个最大的饱和磁通密度就是 Bmax 对吧 那么第二呢变压器不能过热 不能过热 什么意思 就是我们这个瓦数不要太多是吧 选择多少瓦呢实际上 跟我们热阻有关系 对吧 就完全不能升上去 也就是控制一定的瓦数 那么当然呢还有这个 我们电流密度不能高 是吧 电流密度是这地方呢实际上变相呢 就是说间接的反映出了 我们的线包的发热是吧 磁芯的发热和线包的发热 那么在这种情况下 那么我们设计的限制呢调节限制条件呢 还有一个符合安规 那么符合安规什么意思呢 也就是说我们骨架选择绕线的时候 原边和副边的距离 绝缘距离对吧 原边和磁芯的距离和副边和磁芯的距离 那么按这个符合安规的情况呢 实际上我们这个骨架能绕的空间 就被限制住了 对吧 那么其他的一些个性化要求 那个性化是吧 比如说我愿意做扁的也好 做高的也好 还是做其他一些形状也好 那么按照这些条件 那么我们也是同样用这个办法 来验证就是合不合适对吧 那么从这个地方来 因为我们选了600伏的管子 假设它 对吧 那么回过头来呢通过这个选择管子 假定我的毛刺还是五十伏 对不对 那么我的管子利用率 还是要利用到90%以内 对不对 就是要低于90% 那么这样的话呢 对于我们的输出电压24伏来讲 实际上我变比就固定了对吧 就已经出来了 那么我一旦选定了500微亨 实际上 L 值是固定的。 那么这样的话原边匝数就知道 原边匝数知道当然副边匝数也知道 对吧 那么副边匝数知道了呢 副边电感量也都知道等等 就是通过这个呢都可以算出后面的 这个灰颜色的部分 对吧 那么这个蓝颜色的部分实际上是我们的已知量 这是从这个这个通道来讲呢 我们最终是怎么 最终是算选择这样的窗口去绕我读出的线 那我的电流密度 无论是原边还是副边到底是多少 那么同样在这个地方 因为我们刚才讲的 detaB 我们知道怎么算就是 Bmax 对不对 所以说我们也确定 如果在我的工作条件下 那么我 detaB 实际上是小于Bs 那我就是安全的 对不对 但是呢其实我们在 DCM 的时候 其实这个 Bmax 肯定不重要的 为什么不重要呢 因为 DCM 是指 detaB 就等于 Bmax 对不对 那么我们的限制往往都不是饱和的问题 更重要的是磁芯的损耗的问题 所以说这一部分是我们可能是 最重要的一个限制条件 但是你说 detaB 这边不重要呢 但是你说 detaB 这边不重要呢 其实有没有这种可能性 就是说我磁芯啊没怎么发热 它 detaB 已经超了呢也是可能的 为什么呢假设我输入电压特别低 那什么情况呢 比如说我正常工作的时候 它不会特别低 对吧 我一掉电的时候 它那个电压就往下降 对吧 输入电压就往下降 那么这个时候降到一定程度 它还要保持输出功率 这个时候可能 detaB 呢就会变得非常的高 那是由于他瞬时的就是把那些能量放光就没有了 所以变压器它不会很快发热起来 那么这种情况呢我们只关心 它一瞬间的 detaB 是不是过高 那么这个呢实际上 我们要根据我们电源工作的 实际情况进行去判断 那么到这儿为止呢 实际上很简单啊 就是说实际上跟 CCM 的工作呢是很类似 唯一不同的就是 前面我们做了一个 Ddead 是吧 或者是 Dreset 这个计算 那么把这一点特点搞清楚 那么他是波形是三角形的 所以说我们输出电流的 就等于输出的那个直流分量 那么通过这些方法呢 就可以把原边的电流波形 或者 detaIp 给它算出来 对吧 那么这样的话 实际上我们变压器所需要的一些电气参数 我们全部都清楚了 好 那么这一讲呢我们就到这 谢谢大家
课程介绍 共计17课时,3小时3分12秒

精通反激电源变压器及电路设计

电源 变压器 CCM 反激 DCM CRM Vds 电压尖峰毛刺 电压调整率 电源效率 电磁兼容

全面系统介绍反激电源控制模型,CCM,DCM,CRM的三种工作模式下的变压器,原副边半导体主功率器件的工作特点,推导出各工作状态下变压器设计计算方法;Excel变压器设计计算工具软件,针对电源工作的全范围的主功率器件,电容器,变压器,一目了然地展现出其电流,电压,磁通密度,电流密度,高频纹波,工作状态的实际数值,便于及时全面快速地优化变压器及反激电压的电路设计;针对反激电源设计,普遍困扰的Vds电压尖峰毛刺控制,各绕组间耦合度及电压调整率的设计优化,电源效率,电磁兼容等难题,对其机理及解决方法实例分析讲解,提高针对反激变压器及反激电源设计的实战能力。
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讲师

讲师: 邵革良

田村(中国)企业管理有限公司上海研发中心 所长中国电源学会专家委员会 委员中国电源学会磁技术专业委员会 委员中国电源学会磁元件技术服务专家组 副组长中国电源学会标准化委员会 委员深圳市科技专家协会 科技专家深圳市科技创新委员会 专家 20年的一线电源研发的资深经验,先后从事并主持过电机调速变频器、逆变焊机、通信一次电源系统、电力系统直流操作电源系统、CBB波音商用飞机宽带互联网机载电源系统、高效率DC/DC砖块电源、电流传感器、变频空调及光伏逆变器、新能源汽车等各种新型磁元件的众多研发项目。 拥有众多的与国际一流研发团队的合作经验,并精通于电源和磁元件产品的可靠性研发管理和实践。特别是在新能源磁元件领域,通过大量的原创性技术创新和行业应用推广,引导着世界功率磁元件的技术变革。 其中完成电源及磁技术等领域多国专利申请40余项,并已取得7项国家发明专利受权。

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