淺議羅耶變換器的設計

最近論壇上討論自激類型的逆變器相當多,而且每開一帖都很多關注,我也來湊個熱鬧,順便復習下以前學習的知識.

這類變換器有點多諧振蕩器的味道,總的占空為1,所以沒有電壓調整功能,但是電路簡單,設計和維修都相對容易,在對電源要求不嚴的地方還是有用武之地,如:背光燈電路,逆變器的DC-DC升壓電壓.

下圖是基本電路:

電路中,A繞組和B繞組相同,C和D繞組也相同,繞組E為輸出繞組.

R1=R2,Q1和Q2是相同型號的三極管,整個電路從理論上對稱.

實際上電路不會對稱,Q1或是Q2總會有一個先導通,由電路的同名端可以得出先導通的管子會能更好的開通,最終達到飽和;另一個管子的基極-發射極則受到反向偏壓而截止.

當初級線圈中的電流達到某個數值后,變壓器磁芯進入飽和,原先飽和的管子會退出飽和狀態,由于正反饋,會快速的進入截止,電路翻轉;另一邊管子開始導通.

對照上圖:

過程一、假設Q1先導通,有一個比基極電流大了N倍的電流渡過Q1的CE極,由于正反饋的原因,在變壓器引腳6上感應出高電平,R2中的電流得以增強,Q1導通更加充分,很快達到飽和,只要驅動繞組5-6感應到的電壓能夠維持Q1的飽和狀態,電路將一直保持現狀;

過程二、Ｑ1飽和時，流過變壓器1-2繞組的電流持續增加，當電流達到某一個數值時，變壓器磁芯飽和，電流快速增加，Q1壓降增大退出飽和區。1-2繞組上的電壓減少，5-6繞組上的電壓也跟著減少，由于正反饋的原因，這個過程將會持續到Q1截止;

過程三、其實這個過程在Q1退出飽和區的時候就開始了，繞組1-2電壓降低時，繞組7-8電壓極性也在改變， Q1關斷后Q2開通，由反饋繞組得到足夠的電流并保持到變壓器反方向飽和，和Q1開通時的狀態一樣，在變壓器反向飽和后，它也將退出飽和狀態，之后回到過程一，Q1導通。

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qinzutaim

2012-12-04 20:19

分析上述工作過程，發現這個電路變壓器飽和時翻轉，此時電流最大，而且三極管由飽和轉為截止的過程較長，損耗大；同時變壓器由正向飽和轉到反向飽和，磁損也大。

開關管的轉換時間我們現在可以選擇更快的MOS管，但是變壓器雙向飽和的問題只能在電路上加以改造。

這個電路出現時并沒有現在這么好的MOS管，因而直接應用這個變換器的電源都是些小功率的。

為了得到更大的功率，前人在這個電路的基礎上改進了一下，用一個小變壓器工作在雙向飽和區域作為驅動，用一個比較大的變壓器作為功率轉換，稱之為改進型羅耶變換器，典型電路如下圖：

對照上圖，R1＝R2，R4＝R5，Q1＝Q2，電路也是理論上的對稱狀態，但是比上一個電路多了個驅動變壓器，這個小變壓器就得注意相位關系和同名端了，呵呵，不小心的話會出問題……

由于Q1和Q2總會有一個先導通，由于正反饋的緣故，先導通的那個管子會進入飽和狀態并保持一定時間，這個時間將由T2的狀態確定，當T2進入飽和時電路將翻轉，如同電路一的過程一樣。

這個電路中R3的作用是限制T2飽和時流過T2原邊繞組的電流。

分析穩定工作時的狀態，不難發現：

T2是個雙向飽和的變壓器，原邊繞組的輸入電壓是個方波；

T1是功率變壓器，為了減小磁損不能讓它進入飽和，同時它還同時擔負著給T2提供方波的責任。

正是因為T1沒飽和，所以開關管Q1、Q2的損耗也會小很多，這個電路就可以提供更大功率輸出。

電路的占空為1，當功率達到很大值時，由于Q1、Q2關斷速度的原因，其中一個管子開通時另一個管子并沒有完全截止，損耗會變得相當可觀，有必要給驅動信號加上延時電路，以減小這種損耗。常用的有RC，RDC等，下圖為典型的RDC延時電路（網絡截圖）

圖上用RC延遲了其中一個開關管導通的時間，讓另一個開關管有足夠的時間關斷，從而減輕開關損耗。二極管VD1和VD2的作用在于加速關斷。

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qinzutaim

2012-12-04 20:20

@qinzutaim

分析上述工作過程，發現這個電路變壓器飽和時翻轉，此時電流最大，而且三極管由飽和轉為截止的過程較長，損耗大；同時變壓器由正向飽和轉到反向飽和，磁損也大。開關管的轉換時間我們現在可以選擇更快的MOS管，但是變壓器雙向飽和的問題只能在電路上加以改造。這個電路出現時并沒有現在這么好的MOS管，因而直接應用這個變換器的電源都是些小功率的。為了得到更大的功率，前人在這個電路的基礎上改進了一下，用一個小變壓器工作在雙向飽和區域作為驅動，用一個比較大的變壓器作為功率轉換，稱之為改進型羅耶變換器，典型電路如下圖：[圖片] 對照上圖，R1＝R2，R4＝R5，Q1＝Q2，電路也是理論上的對稱狀態，但是比上一個電路多了個驅動變壓器，這個小變壓器就得注意相位關系和同名端了，呵呵，不小心的話會出問題……由于Q1和Q2總會有一個先導通，由于正反饋的緣故，先導通的那個管子會進入飽和狀態并保持一定時間，這個時間將由T2的狀態確定，當T2進入飽和時電路將翻轉，如同電路一的過程一樣。這個電路中R3的作用是限制T2飽和時流過T2原邊繞組的電流。分析穩定工作時的狀態，不難發現：T2是個雙向飽和的變壓器，原邊繞組的輸入電壓是個方波；T1是功率變壓器，為了減小磁損不能讓它進入飽和，同時它還同時擔負著給T2提供方波的責任。正是因為T1沒飽和，所以開關管Q1、Q2的損耗也會小很多，這個電路就可以提供更大功率輸出。電路的占空為1，當功率達到很大值時，由于Q1、Q2關斷速度的原因，其中一個管子開通時另一個管子并沒有完全截止，損耗會變得相當可觀，有必要給驅動信號加上延時電路，以減小這種損耗。常用的有RC，RDC等，下圖為典型的RDC延時電路（網絡截圖）[圖片] 圖上用RC延遲了其中一個開關管導通的時間，讓另一個開關管有足夠的時間關斷，從而減輕開關損耗。二極管VD1和VD2的作用在于加速關斷。

為了對這類電路加深印象，本著從簡的原則，綜合上面電路圖設計了一個試驗用的小電路，如下圖：

簡單說明一下：

電路相當于改進型的羅耶變換器，T1和周邊電路組成羅耶變換器的驅動部分，只不過它的初級繞組和正反饋繞組合二為一，通過C1、C2加速；為了方便調試，使用了兩組晶體管，Q1、Q2和T1原邊繞組組成的方波發生器，代替了由功率變壓器的方波輸出繞組，這樣可以不用考慮原來與之關聯的相位關系。

工作時T1會進入飽和區，因此串入R1限制電流。

T1和T2沒有相位上的關聯之后，T1的輸出繞組也可以從簡，只用一個繞組即可，而且也不用考慮相位；

T2和Q3、Q4組成功率變換部分；

R6、C3和R7、C4組成延時電路，降低開關翻轉時的損耗；

D1和D2為信號的電流通道，不讓電流反向流經功率開關管的BE結。

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電源網-fqd

2012-12-05 09:41

@qinzutaim

為了對這類電路加深印象，本著從簡的原則，綜合上面電路圖設計了一個試驗用的小電路，如下圖：[圖片] 簡單說明一下：電路相當于改進型的羅耶變換器，T1和周邊電路組成羅耶變換器的驅動部分，只不過它的初級繞組和正反饋繞組合二為一，通過C1、C2加速；為了方便調試，使用了兩組晶體管，Q1、Q2和T1原邊繞組組成的方波發生器，代替了由功率變壓器的方波輸出繞組，這樣可以不用考慮原來與之關聯的相位關系。工作時T1會進入飽和區，因此串入R1限制電流。T1和T2沒有相位上的關聯之后，T1的輸出繞組也可以從簡，只用一個繞組即可，而且也不用考慮相位；T2和Q3、Q4組成功率變換部分；R6、C3和R7、C4組成延時電路，降低開關翻轉時的損耗；D1和D2為信號的電流通道，不讓電流反向流經功率開關管的BE結。

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aczg01987

LV.10

2012-12-05 09:48

學習

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aczg01987

LV.10

2012-12-05 09:49

PSR電路的原始模型是不是這樣的呢？

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junestar520

LV.9

2012-12-05 09:50

@電源網-fqd

[圖片]

沒看懂啊....

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zhenxiang

LV.10

2012-12-05 09:59

@電源網-fqd

[圖片]

我在入門時做的那些小的DC/DC模塊就是用的這種方案。

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qinzutaim

2012-12-05 15:10

@junestar520

沒看懂啊....[圖片]

不是吧，偶語言表達能力不怎么行，但還沒有公式出現就這么糟糕了？

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zhenxiang

LV.10

2012-12-05 16:55

@aczg01987

PSR電路的原始模型是不是這樣的呢？

樓上PSR和這個的原理不一樣，這個電路是固定占空比的，靠變壓器匝比實現電壓轉換

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junestar520

LV.9

2012-12-05 18:00

@qinzutaim

不是吧，偶語言表達能力不怎么行，但還沒有公式出現就這么糟糕了？[圖片]

我在好好消化消化，看不懂再請教樓主...

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dxsmail

LV.11

2012-12-05 21:40

@qinzutaim

坐下聽課。。。

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qinzutaim

2012-12-06 20:35

@dxsmail

坐下聽課。。。

不敢當！

現丑了……

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布老虎

LV.6

2012-12-06 20:50

先占位置，慢慢學習

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junestar520

LV.9

2012-12-06 21:18

@zhenxiang

我在入門時做的那些小的DC/DC模塊就是用的這種方案。

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hanhaifeng

LV.4

2012-12-07 15:03

@布老虎

先占位置，慢慢學習

不錯，學習中

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dxsmail

LV.11

2012-12-07 18:08

@qinzutaim

不敢當！現丑了……[圖片]

哈，太謙虛。。。。

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qinzutaim

2012-12-10 09:38

@qinzutaim

簡要歸納一下設計過程，個人的方法，和書上的可能的點不同，有板磚的輕砸哦……

T1主要是驅動功率的選擇，同時決定頻率。

先看Q3、Q4的電參數，耐壓400V，IC＝15A，最小HFE＝10，得到驅動電流最小為1.5A；

三極管為保證可靠驅動，一般驅動電壓取5V，靠串入電阻限制驅動電流，還有效率的問題，因而驅動變壓器應該能提供10W以上功率。

翻下抽屜里的磁芯，選了個EE22，截面積AE＝37平方毫米，就用它吧，呵呵，是選大了點，不過好繞線……

T1初級的電壓理論上是個占空100%的方波，可以按變壓器的公式進行計算，輸入電壓就是電源電壓減去三極管飽和電壓（取0.3V），約為（12-0.3）V，輸出選5V；

但是這電壓匝數不好算，還是取匝比為2：1好算，

這時的次級輸出電壓就變成（12-0.3）/2，約5.9V，電壓比取的值高了點，不過驅動電流可以由電阻限制。

由方波變壓器匝數的計算公式：Np =V*10⁸/(4*F*Bs*Ae)，

式中：

F：單位 Hz

Bs:單位Gs

Ae:單位Cm²

其中頻率由自己設定，這里設定為10KHZ，因為磁芯飽和，BS取磁材的飽和磁通，和材質有關，具體看磁芯的規格書，對于一般材質取3900高斯，AE：磁芯的有效截面積，具體看規格書。

套入公式，得到初級每一邊的匝數20，初級匝數10.

接下來計算功率變壓器：

一、

先看一下2SC3320的飽和電壓降，以便估計一下變壓器初級能獲得多少電壓。規格書截圖如下：

由圖上得出，IC電流為10A時有約0.5V的壓降，15A時有1V的壓降。這里為了最大利用晶體管，取15A，壓降1V，這樣初級上約得到（12-1）V電壓。

二、確定晶體管開通時間：

盡管加入了延時電路，但是圖上的時間常數很小，可以忽略，仍然認為開通時間是周期的一半，10KHZ對應的周期是100微秒，晶體管開通時間就是50微秒。

三、計算變壓器初級匝數：

按功率大小選變壓器磁芯，得到磁芯截面積，用公式Np=Vin*Ton/(Bm*Ae)計算初級匝數，

式中Vin：變壓器初級凈輸入電壓，單位伏特；

Ton:晶體管開通時間，單位微秒；

Bm:變壓器工作磁通，單位特斯拉；

Ae:變壓器有效截面積，單位平方毫米。

這兩個管子估計能出個150W左右功率，廠里用得最多的就是EER35，就用它吧，查規格書知道它的有效截面積107平方毫米，100攝氏度時飽和磁通約3900高斯，線性較好的部分在3300高斯以下，取其75%，約2500高斯，但磁芯是雙向磁化，工作磁通為2500*2＝5000高斯，即0.5特斯拉。

套入公式，得到初級每邊10匝，每匝伏數1.1V；

次級取220V，算出要繞202匝。

搭好電路進行測試，總體如下圖：

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qinzutaim

2012-12-10 11:15

@qinzutaim

簡要歸納一下設計過程，個人的方法，和書上的可能的點不同，有板磚的輕砸哦…… T1主要是驅動功率的選擇，同時決定頻率。先看Q3、Q4的電參數，耐壓400V，IC＝15A，最小HFE＝10，得到驅動電流最小為1.5A；三極管為保證可靠驅動，一般驅動電壓取5V，靠串入電阻限制驅動電流，還有效率的問題，因而驅動變壓器應該能提供10W以上功率。翻下抽屜里的磁芯，選了個EE22，截面積AE＝37平方毫米，就用它吧，呵呵，是選大了點，不過好繞線……T1初級的電壓理論上是個占空100%的方波，可以按變壓器的公式進行計算，輸入電壓就是電源電壓減去三極管飽和電壓（取0.3V），約為（12-0.3）V，輸出選5V；但是這電壓匝數不好算，還是取匝比為2：1好算，這時的次級輸出電壓就變成（12-0.3）/2，約5.9V，電壓比取的值高了點，不過驅動電流可以由電阻限制。由方波變壓器匝數的計算公式：Np=V*108/(4*F*Bs*Ae)，式中： F：單位Hz Bs:單位Gs Ae:單位Cm2其中頻率由自己設定，這里設定為10KHZ，因為磁芯飽和，BS取磁材的飽和磁通，和材質有關，具體看磁芯的規格書，對于一般材質取3900高斯，AE：磁芯的有效截面積，具體看規格書。套入公式，得到初級每一邊的匝數20，初級匝數10.接下來計算功率變壓器：一、先看一下2SC3320的飽和電壓降，以便估計一下變壓器初級能獲得多少電壓。規格書截圖如下：[圖片] 由圖上得出，IC電流為10A時有約0.5V的壓降，15A時有1V的壓降。這里為了最大利用晶體管，取15A，壓降1V，這樣初級上約得到（12-1）V電壓。二、確定晶體管開通時間：盡管加入了延時電路，但是圖上的時間常數很小，可以忽略，仍然認為開通時間是周期的一半，10KHZ對應的周期是100微秒，晶體管開通時間就是50微秒。三、計算變壓器初級匝數：按功率大小選變壓器磁芯，得到磁芯截面積，用公式Np=Vin*Ton/(Bm*Ae)計算初級匝數，式中Vin：變壓器初級凈輸入電壓，單位伏特； Ton:晶體管開通時間，單位微秒；Bm:變壓器工作磁通，單位特斯拉；Ae:變壓器有效截面積，單位平方毫米。這兩個管子估計能出個150W左右功率，廠里用得最多的就是EER35，就用它吧，查規格書知道它的有效截面積107平方毫米，100攝氏度時飽和磁通約3900高斯，線性較好的部分在3300高斯以下，取其75%，約2500高斯，但磁芯是雙向磁化，工作磁通為2500*2＝5000高斯，即0.5特斯拉。套入公式，得到初級每邊10匝，每匝伏數1.1V；次級取220V，算出要繞202匝。搭好電路進行測試，總體如下圖：[圖片]

振蕩部分：