正激式电源的设计要求和原则

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：特别指出的是，反激式变换电路对储能元件L没有那么重要。从图1-2看出，滤波电感L在正激式变换电路里它的主要作用是储能，其电感量的大小由最低负载电流决定，它也分电流连续和不连续两种工作方式。这是一般对正激式电源的设计原则，使用的工作频率和占空比要比反激式低，这是因为正激式高频变压器的高频电阻比反激式高，高频电流流过变压器绕组会产生趋肤效应。

正激式变换电路与反激式变换电路的最大差别是高频变压器的一次与二次绕组的起点相反，这样变压器内外的励磁电压的方向相同。当开关管VT关断时，二次绕组的续流二极管VD₂和储能元件L构成放能面，向负载R_L供应电能。特别指出的是，反激式变换电路对储能元件L没有那么重要。如图1-2所示，当开关晶体管VT导通时，二次绕组上的储能电感L的电流直线增加，

图1-2正激式单晶体管变换电路

当开关晶体管VT关断时，在二次绕组的反激作用下，电感L上的电压反向，使VD₂导通，构成续流回路，电感L上的电流i_L向负载R_L供电，使i_L逐渐减少，有

正激式变换电路输出电压的大小决定于高频变压器的匝数比和开关电路的占空比D，这与反激式变换电路一样，只是工作频率和占空比的设计值要小一点。一次绕组的匝数比反激式多一点。

上式表明，当变压器二次电压V_S发生变动时，要保持输出电压V_o不变，只有改变占空比D，这就是开关电源脉宽调制的原理。

从图1-2看出，滤波电感L在正激式变换电路里它的主要作用是储能，其电感量的大小由最低负载电流决定，它也分电流连续和不连续两种工作方式。只要输出电流保持不变，并保持输出电流波形的斜率，不因负载的变化而改变。一般负载电流I_LC等于流经电感峰值电流的一半，即

当输出电流I_o小于负载电流I_LC时，电感上的电流i_L就进入电流不连续方式，否则，为连续方式。如果要使输出电流达到稳定，而输入电压（或V_S）有变动，就必须调整占空比来使输出电流I_o稳定，所以说，占空比D对正激式变换电路是重要的。

电感L对正激式多路电压输出时，选用值比设计值要大，这是因为输出电流在闭环上运行，由于多路输出，反馈电流分流，占空比的调节难以平衡负载电流的需求，就会出现各支路电流下降。但是电感值太大，将导致损耗加大，电源效率下降，同时还会出现负载变化率加大等不良现象。

多路输出的所有二次绕组，必须遵循各绕组的正、反向伏-秒值相等原则，各绕组不因某一组或几组负载加大影响设计输出电压稳定。同样，负载为零时，各路输出电压也不能发生变动。有公式为证：

因为n，也可nV_SD=V_o

为满足上式，根据V_S（min）、t_on（max）两参数变量，并考虑二次侧整流二极管压降V_DF代入得到

要保证磁心在输入最高电压V_P（max）、最大占空比（D_max）、电源承受的负载能力I_o（max）最大时，磁心不出现磁饱和，这是正激式电源设计的基本要求。要满足最大负载功率输出，必须最大限度降低铜耗和铁耗，正确选用工作频率，扩大占空比的调节范围。这是一般对正激式电源的设计原则，使用的工作频率和占空比要比反激式低，这是因为正激式高频变压器的高频电阻比反激式高，高频电流流过变压器绕组会产生趋肤效应。为降低趋肤效应以最高限度流入绕组的电流要适当地选用绕组铜线的线径，正确地计算出绕组运行在高频率下的阻抗。

式中，K′为高频直流电阻（R_HT）与直流电阻（R_DC）之比，直流电阻的计算公式如下：

式中，K为变压器绕组在磁心窗口的占有率。

变压器一次绕组的功耗为I²_PR_HF。若一次侧和二次侧的铜耗相等，则绕组上的总铜耗将下降，即。只要一次侧和二次侧的损耗相等，电源的损耗则最低。

变压器的铁损是按铁心磁感应强度的2.4次方增加的，这种损耗是根据材料种类、形状、温度及频率的不同而不同。

所有形式的变压器的铜耗和铁耗，其中的铜耗在变压器的一次绕组与二次绕组相等时，总损耗是最小的。对于绕线的方法，应将一次绕组和二次绕组的位置尽可能安排均等一些，一般采用一次绕组和二次绕组交替绕制。这种绕线方法可使漏感减小，使变压器的励磁交错均衡。对于大电流输出，二次绕组需采用多股导线绕制，防止或降低趋肤效应出现。

在同等功率输出下，正激式变换器的漏极电流峰值比反激式漏极峰值小一些，反激式变换电路的二次输出不需要电感，它一般用于功率较小的场合，而正激式变换电路可用在低电压、大电流、大功率的场合。但反激式并联工作容易，电流输出均衡。另外正激式可使用无气隙磁心，电感值高，一次和二次的峰值电流较小，因此铜耗低。另外正激式变换电路的二次电路有电感电流和续流电流存在，使得滤波电容的储能电流保持在较低的数值，但是工作状态进入不连续方式，就会在辅助绕组上产生过电压，如果加入假负载，则效率下降。

正激式电源的设计要求和原则

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