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反激拓撲6—反激變壓器之漏感

在我們常用的反激變壓器中,主要的寄生參數是漏感和分布電容,對于兩繞組的變壓器等效電路如圖所示。

其中,Lp表示原邊漏感,Ls表示副邊漏感,Cp和Cs分別表示原邊和副邊的分布電容,Cw表示原副邊之間的寄生電容,Rp和Rs分別表示原副邊繞組等效阻抗,Re表示與磁芯損耗等效的并聯電阻。本節我們有限聊聊漏感。

漏感

(1)漏感的形成原因

變壓器的漏感是初級(次級)線圈所產生的磁感線無法全部通過磁芯耦合到次級(初級)線圈,因此產生漏磁,該部分漏磁通過空氣形成閉合磁感線,該部分漏磁形成的電感稱為漏感。

漏感示意圖

我們常用的變壓器磁芯為鐵氧體,其磁導率大約為空氣磁導率的100倍左右,隨著反激變換器的頻率升高,鐵氧體磁芯的磁導率會有所降低,漏磁現象會更為嚴重,如下是某款鐵氧體磁芯磁導率與頻率關系的示意圖。

對反激變壓器工作過程有影響的漏感,不僅僅包含初級不能耦合到次級的電感,還包括變壓器次級繞組的漏感通過匝比折算到初級的漏感以及布線所產生的電感,所以總的漏感為

(2)漏感的計算和測量

我們可以通過經驗值對漏感進行簡單的估算,常規的反激變壓器漏感是其繞組勵磁電感的1%~5%左右,小編曾經看到過一個漏感的估算公式,從公式的因素相關性來看是可以的,準確性有待驗證,大家可以作為參考。

控制漏感的主要因素是選擇磁心中柱長的磁心。繞組越寬,漏感就越小。把繞組的匝數控制在最少程度,對減小漏感是有很大幫助的,因為匝數對漏感的影響是二次方關系。另外,一次二次耦合的好壞對一次漏感也有很大的影響。這點可以從把一次繞組分成兩半,二次繞組夾在中間或交錯在中間的繞法中看出來。

(3)變壓器漏感對反激電源的影響

①漏感引起開關管尖峰電壓漏感實際上分布在變壓器的整個線圈中,跟繞組是串聯的關系,且漏感中存儲的能量無法向副邊傳遞,所以在開關管關斷時刻會產生較大的電壓尖峰,同時由于從變壓器等效模型中可以看出,漏感串聯在原邊的開通回路中,當開關管開通時,由于電感電流無法突變,也會引起開關管電流前邊沿斜率的變化。簡化得示意圖如下圖所示。

在實際應用時,CCM模式中,因為次級持續有電流流過,初級勵磁繞組兩側的電壓Vp等于次級電壓通過匝比折算到初級側的電壓,勵磁繞組被次級鉗位,不會參與初級側的諧振過程,故在CCM模式下,開關管關斷時刻,開關管的輸出寄生電容Coss、變壓器初級側匝間電容Cp與初級側漏感Llk發生諧振,該諧振的尖峰電壓疊加在開關管的DS兩端,諧振引起的電壓尖峰大小為

諧振部分的頻率為

因為漏感的能量無法傳遞至次級,該部分漏感會造成一定的損耗

故根據前幾節對反激工作原理的分析,開關管兩端承受的電壓應力總和為

其中Cp表示變壓器初級匝間寄生電容的總和(后續會專門進行講解寄生電容)關于CCM模式圖示如下

在DCM模式下,開關管關斷時和CCM模式的工作狀態是一樣的,所以諧振的原理和參數都是一致的,但是當次級電流為0后,由于初級側的勵磁電感不再被次級電壓鉗位,故初級繞組的勵磁電感開始參與諧振過程,即下圖中藍色虛線圈內的震蕩波形,這也是準諧振式反激可以應用的根本原因所在(準諧振反激后續有機會專題講解)。電流為0階段的諧振波形頻率為

②漏感影響多路輸出電源的交叉調整率負載調整率和電源調整率大家可能熟知,都是針對同一路輸出而言,在多路輸出的反激變換器中,有必要再介紹一下交叉調整率的定義。交叉調整率:在某種電壓等級輸入下,某一路輸出電壓由于其他路負載變化而導致的最大電壓變化量△Vn與其在額定工況下實際輸出的電壓Vn的百分比。

多路輸出反激變換器如下圖所示,其中Vo1為主輸出(反饋調節),Vo2為副輸出(無反饋調節)。Rs1、Rs2表示兩個輸出繞組以及走線的阻抗,Ls1、Ls2表示兩個輸出繞組的漏感。假設主輸出Vo1負載電流突然增加,在此時刻,Rs1、Ls1以及二極管D1的壓降增大,輸出電壓Vo1會存在一定程度的跌落,由于其是主反饋輸出,為了維持輸出電壓Vo1不變,反饋環路會調節開關管的占空比,使變壓器次級側的輸出電壓增大,故而引起Vo2輸出電壓飄高,而且Vo2的負載越輕,飄高越嚴重。詳細過程為Vo1負載加重→Rs1、Ls1和D1壓降增加→Vo1減小→占空比增加,Vs1增加(維持Vo1不變)→Vs2增加→Vo2飄高Vo1負載減小→Rs1、Ls1和D1壓降減小→Vo1增大→占空比減小,Vs1減?。ňS持Vo1不變)→Vs2減小→Vo2降低

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