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(jiǎn)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(jiǎn)化。最簡(jiǎn)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L(zhǎng)se和Lsm

Lm：勵(lì)磁電感,分為L(zhǎng)ma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×耍娙莘烹姡部梢岳斫鉃榉聪虺?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(zhǎng)，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(zhǎng)，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：

 

 

 

 

推薦閱讀：