開關(guān)電源從分析→計(jì)算→仿真
發(fā)布時(shí)間:2019-04-29 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】在分析Flyback電路之前,我覺得有必要把變壓器模型做一個(gè)總結(jié),因?yàn)槲覀儗?duì)變壓器的分析其實(shí)是在一定的模型上面進(jìn)行分析的。這里闡述我的一個(gè)觀點(diǎn), 如果說實(shí)際測(cè)試和實(shí)驗(yàn)是非常重要的話,對(duì)分析對(duì)象有一個(gè)清晰的模型概念對(duì)電子工程師來說是非常必要的,建立的模型的目的完全是為了可以簡化問題。
功率變壓器模型
在分析Flyback電路之前,我覺得有必要把變壓器模型做一個(gè)總結(jié),因?yàn)槲覀儗?duì)變壓器的分析其實(shí)是在一定的模型上面進(jìn)行分析的。這里闡述我的一個(gè)觀點(diǎn), 如果說實(shí)際測(cè)試和實(shí)驗(yàn)是非常重要的話,對(duì)分析對(duì)象有一個(gè)清晰的模型概念對(duì)電子工程師來說是非常必要的,建立的模型的目的完全是為了可以簡化問題。當(dāng)然建立了模型進(jìn)行分析,可能和實(shí)際的測(cè)試結(jié)果有出入,每一個(gè)對(duì)象的實(shí)際總有偏差,但大規(guī)模生產(chǎn)有個(gè)前提就是需要控制對(duì)象的參數(shù)分布在一定范圍內(nèi)。
功率變壓器在電源中起著能量變換和能量傳送的作用(聯(lián)接信號(hào)源與負(fù)載的中介)。一般的變壓器模型是一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò),在大部分仿真軟件中的模型如下:
不過因?yàn)殡p端口模型不利于我們的分析,我們一般不直接使用這種模型。(當(dāng)然軟件中大部分都是這么分析)這種模型忽略了漏磁電感和激磁電抗,需要進(jìn)行改進(jìn)才能得出比較精確的結(jié)果。
我們也可以將變壓器與負(fù)載分開(獨(dú)立的器件), 變壓器則等效成為附加一定電抗的電感器, 次邊電磁參數(shù)以一定變換歸一化到原邊進(jìn)行處理, 可看成一個(gè)單口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效, 從而使模型得以簡化。最簡單的模型如下:
圖中各個(gè)參數(shù)為:
C:端口分布電容
Rc:線圈交流電阻
Rm:磁心損耗電阻
Ls:線圈漏感
Lm:磁心磁化電感
RL’:負(fù)載折合到原邊的等效電阻
主要缺點(diǎn)有兩個(gè):
1)I.c=I.m+I.lm+I.l,變壓器的銅損(線圈電阻損耗)與鐵損(磁芯損耗)是相關(guān)的,很難成為獨(dú)立的兩個(gè)參量。
2)當(dāng)開關(guān)通斷的頻率比較高時(shí),不同繞組間的電容效應(yīng)已較為明顯, 次邊繞組的銅損折合至原邊的等效阻抗已經(jīng)能夠明顯的影響變壓器的響應(yīng)。
如果各位對(duì)上面的模型不太清楚,以下這張圖能夠比較清晰的反應(yīng)變壓器線圈的分布參數(shù):
我們可以建立了一個(gè)繞組的模型,端口電容也可以認(rèn)為是繞組的分布電容(匝間電容和層間電容),分布電容經(jīng)過疊加折算得:繞組的等效并聯(lián)電容C′= Ci/ ( N - 1) ( N > 1)Φm為主磁通(產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))對(duì)應(yīng)磁芯磁化電感Lm,Φc為漏磁通對(duì)應(yīng)線圈漏感
第一個(gè)改進(jìn)型模型:
Cp:端口并聯(lián)等效分布電容(初級(jí)線圈)
Rp:端口并聯(lián)等效介質(zhì)損耗電阻(次級(jí)線圈)
Cs:初級(jí)和次級(jí)繞組間等效耦合電容
Rs:初級(jí)和次級(jí)繞組間等效介質(zhì)漏
Ls:線圈漏電感,分為Lse和Lsm
Lm:勵(lì)磁電感,分為Lma和Lml
Rm:磁心損耗等效電阻
Rcp:原邊繞組的等效電阻
Rce:次邊繞組的等效電阻
RL:折算到原邊的負(fù)載等效電阻
模型主要特點(diǎn):
流過Rce的電流I.Rce ,流過Rcp的電流I.Rcp ,流過Rm的電流I.Rm 相互獨(dú)立, 模型使源邊副邊的銅損與磁芯損耗(鐵損)不再相關(guān)。
不過個(gè)人認(rèn)為下面這個(gè)模型更好理解一些:
Cps為初級(jí)和次級(jí)繞組之間的電容
Lkp:初級(jí)繞的漏感
Cp:初級(jí)繞組的寄生電容(分布電容)
Rp:初級(jí)繞組的線圈電阻
Lks:次級(jí)繞的漏感
Cs:次級(jí)繞組的寄生電容(分布電容)
Rs:次級(jí)繞組的線圈電阻
Lm:變壓器勵(lì)磁電感
Rm:磁芯損耗的電阻
RL:折算到原邊的負(fù)載等效電阻
CL:折算到原邊的負(fù)載等效電容
這個(gè)模型可能好理解一些,不過我們分析的時(shí)候可以從這些模型開始參照,或者說分析的時(shí)候通過某些參數(shù)的變化來分析整個(gè)趨勢(shì)。
激式電源的開關(guān)過程分析
關(guān)于這個(gè)論題很多人已經(jīng)給出了它們的分析,不過呢寥寥幾句有時(shí)候帶給人更多的是疑惑和迷茫。參考了一些論文和分析,把我個(gè)人對(duì)這個(gè)問題的分析表述出來,可 能和設(shè)計(jì)的分析會(huì)有一些誤差,不過提出一個(gè)大家看得懂的問題總是比努力去看懂一些生澀的文字要好些(這里說明一點(diǎn),做的分析和示意可能并不是對(duì)的)。
我們分析的主要問題還是在Q1管子在關(guān)斷過程中的響應(yīng),至于設(shè)計(jì)電路減小這個(gè)響應(yīng)的影響,方法有很多,個(gè)人以為就取值和影響合在一起做一個(gè)小專題。
在關(guān)斷過程中,如果不考慮加入抑制暫態(tài)過程的電路,我們看到的波形將不會(huì)是理想的,如下圖所示:
把上面的功率變壓器模型改進(jìn)模型2帶入其中分析:
Mos管關(guān)斷前的穩(wěn)態(tài)分析:
勵(lì)磁電感和漏電感中均儲(chǔ)存能量,同時(shí)由于二極管的結(jié)電容存在,次級(jí)電容上都存在一定的電壓,次級(jí)漏感中無電流。
然后我們把Mos管關(guān)掉,看下圖:
我們來吧上面的過程整理一下:
1.MOS管關(guān)斷后,初級(jí)電流(勵(lì)磁電感和初級(jí)漏電感和電源的綜合作用)給MOS輸 出電容充電,初級(jí)電容,初次級(jí)之間電容,次級(jí)電容,次級(jí)二極管電容,負(fù)載電容則開始放電(你可以這樣理解,因?yàn)閴翰钚×?,電容放電,也可以理解為反向?電),Mos管DS端電壓是上升的(這里可以認(rèn)為是上面所涉及的分布參數(shù)之間的諧振,這個(gè)電路的Q之很小的),此時(shí)的電壓可以認(rèn)為是線性上升的。注意此時(shí)的次級(jí)的二極管是沒有導(dǎo)通的,因?yàn)镈S端電壓比較小。
2.當(dāng)DS端電壓上升,次級(jí)的電壓達(dá)到輸出電壓(這是客觀存在的,因?yàn)槲覀円WC輸出電壓的穩(wěn)定)+整流管的電壓后,如果沒有次級(jí)漏感,次級(jí)回路就導(dǎo)通了,因此DS端電壓會(huì)繼續(xù)上升,當(dāng)克服了次級(jí)漏感的影響后,次級(jí)電流開始上升,在這個(gè)時(shí)候勵(lì)磁電感的能量由于有更小的阻抗通路,從初級(jí)來看,初級(jí)電流會(huì)減小。
3.這個(gè)時(shí)候起決定性作用的就變成了初級(jí)漏感,它不能耦合到次級(jí)上沒有小的阻抗通路,因此初級(jí)漏電感就和Mos管輸出電容之間和初級(jí)電容之間諧振,電壓形成幾個(gè)震蕩(如果沒有吸收和clamped電路這個(gè)過程會(huì)持續(xù)很久)。
初級(jí)漏感電流是初級(jí)電流的一部分,因此伴隨著初級(jí)漏感電流的下降的是次級(jí)電流的上升,如果沒有clamped電路,電流的下降會(huì)非常快,如果加入clamped電路等于把這個(gè)過程拉長,電壓應(yīng)力也就減小了。
反激DCM模式RCD參數(shù)計(jì)算
首先我們將關(guān)心的因素縮小,把主要考慮的元素分為Mos管的等效輸出電容Coss,變壓器勵(lì)磁電感Lm,變壓器的初級(jí)漏感Lkp作為考慮對(duì)象。
如圖所示,如果不加RCD鉗位,電路在DCM模式下,電路可能發(fā)生兩次振蕩,第一次主要是初級(jí)漏感Lkp和Coss的電容引起的,第二次主要是在電路能量耗盡后,勵(lì)磁電感和Coss電容振蕩引起的這里需要補(bǔ)充一下,在仿真的時(shí)候,已經(jīng)觀察到了這個(gè)明顯的現(xiàn)象了。
下面開始我們的計(jì)算:
計(jì)算過程,把Flyback的計(jì)算過程帶入其中:
找了好些文檔都是這么計(jì)算的,不過我發(fā)現(xiàn)幾個(gè)問題
1.消耗的能量不僅僅是漏感的,也包括勵(lì)磁電感的能量
2.在鉗位過程中,電壓是變化的,并不存在徹底鉗位在V.c_mx的情況發(fā)生
因此我們需要修改模型
RCD吸收電路的影響和設(shè)計(jì)方法(定性分析)
介紹RCD電路的影響。
先分析過程:
對(duì)應(yīng)電路模型:
我們可以定性的分析一下電路參數(shù)的選擇對(duì)電路的暫態(tài)響應(yīng)的影響:
1.RCD電容C偏大
電容端電壓上升很慢,因此導(dǎo)致mos 管電壓上升較慢,導(dǎo)致mos管關(guān)斷至次級(jí)導(dǎo)通的間隔時(shí)間過長,變壓器能量傳遞過程較慢,相當(dāng)一部分初級(jí)勵(lì)磁電感能量消耗在RC電路上 。
波形分析為:
2.RCD電容C特別大(導(dǎo)致電壓無法上升至次級(jí)反射電壓)
電容電壓很小,電壓峰值小于次級(jí)的反射電壓,因此次級(jí)不能導(dǎo)通,導(dǎo)致初級(jí)能量全部消耗在RCD電路中的電阻上,因此次級(jí)電壓下降后達(dá)成新的平衡,理論計(jì)算無效了,輸出電壓降低。
3.RCD電阻電容乘積R×C偏小
電壓上沖后,電容上儲(chǔ)存的能量很小,因此電壓很快下降至次級(jí)反射電壓,電阻將消耗初級(jí)勵(lì)磁電感能量,直至mos管開通后,電阻才緩慢釋放電容能量,由于RC較小,因此可能出現(xiàn)震蕩,就像沒有加RCD電路一樣。
4.RCD電阻電容乘積R×C合理,C偏小
如果參數(shù)選擇合理,mos管開通前,電容上的電壓接近次級(jí)反射電壓,此時(shí)電容能量泄放完畢,缺點(diǎn)是此時(shí)電壓尖峰比較高,電容和mos管應(yīng)力都很大
5.RCD電阻電容乘積R×C合理,R,C都合適
在上面的情況下,加大電容,可以降低電壓峰值,調(diào)節(jié)電阻后,使mos管開通之前,電容始終在釋放能量,與上面的最大不同,還是在于讓電容始終存有一定的能量。
以上均為定性分析,實(shí)際計(jì)算還是單獨(dú)探討后整理,需要做仿真驗(yàn)證。
反激開關(guān)過程和RCD電路的影響(仿真結(jié)果)
下面做了一些仿真,果然和上面的文章分析的相互印證
先看看無RCD電路的情況:
CCM的電路:
Duty cylce=0.75
DCM的電路:
Duty cylce=0.25
CCM補(bǔ)償RCD電路后電壓和電流波形
1) C較大
2) RC過小
3) RC合適
DCM補(bǔ)償RCD電路后電壓和電流波形
1) C過大(R=20,C=50nF)
從圖上看,對(duì)輸出影響確實(shí)很大。
2) RC過小
3) RC合適,C略小
4)RC合適,C略大
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