单端反激变换器的建模及应用仿真
单端反激变换器的建模及应用仿真摘要： 介绍一种单端反激式高压DC/DC变换器 , 叙述其工作原理, 工作模式，波形的输出。并对两种工作模式进行了分析。通过对单端反激变换器的Matlab/Simulink建模与仿真，研究电路的输出特性，以及一些参数的选择设置方法。关键词 ：单端反激变换器Matlab/Simulink建模与仿真1. 反激变换器概述换电路由于具有拓扑简单，输入输出电气隔离，升/ 降压范围广，多路输出负载自动均衡等优点，而广泛用于多路输出机内电源中。在反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，由于变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，漏感较大。当功率管关断时，会产生很高的关断电压尖峰，导致开关管的电压应力大，有可能损坏功率管；导通时，电感电流变化率大。因此在很多情况下，必须在功率管两端加吸收电路。反击变换器的特点：1、电路简单，能高效提供多路直流输出，因此适合多组输出要求。反激变换器是输出与输入隔离的最简单的变换器。输出滤波仅需要一个滤波电容，不需要体积、重量较大的电感，较低的成本。尤其在高压输出时，避免高压电感和高压续流二极管。功率晶体管零电流开通，开通损耗小。而二极管零电流关断，可以不考虑反向恢复问题2、输入电压在很大的范围内波动时，仍可有较稳定的输出，无需切换而达到稳定输出的要求。3、转换效率高，损失小。4、变压器匝数比值较小。5. 小功率多组输出特别有效 ;6. 变压器工作原理与其他类型的隔离变换器不同，隔离变压器还起到了存储能量的作用;7. 变压器铁芯必须加气隙 , 以防磁饱和；2. 反击变换器的工作原理反激变换器的原理图如图2-1 所示。图 2-1反激变换器的原理图反激变换器工作原理是：主开关管导通时，二次侧二极管关断，变压器储能；主开关管关断时，二次侧二极管导通，变压器储能向负载释放。它和正激变换器不同，正激变换器的变压器励磁电感储能一般很小，各绕组瞬时功率的代数和为零，变压器只起隔离、变压作用。而反激变换器的变压器比较特殊，它兼起储能电感的作用，称为储能变压器（或电感 - 变压器）。为防止负载电流较大时磁心饱和，反激变换器的变压器磁心要加气隙，降低了磁心的导磁率，这种变压器的设计是比较复杂的。在开关管关断时，反激变换器的变压器储能向负载释放，磁心自然复位，因此反激变换器无需另加磁复位措施。磁心自然复位的条件是：开关导通和关断时间期间，变压器一次绕组所承受电压的伏秒乘积相等。反激电路存在两种工作模式：电流连续和电流断续模式。与非隔离DC/DC变换电路不同， 反激电路电流连续与否指的是变压器副边绕组的电流。当 S 导通时，变压器副边绕组中电流未下降到0，则电路工作于电流连续模式；当S 导通时，变压器副边绕组中电流下降到0，则电路工作于电流断续模式；值得注意的是电路工作于电流连续模式时，其变压器铁心利用率显著降低，因此实际使用中通常避免电路工作于电流连续模式。2.1 电流连续模式反激电路工作于电流连续模式时，在一个开关周期经历S 导通，关断2 个开关状态，如图2-2所示。 对应于1 个开关周期T 的2 个时段：t0-t1和t1-t2，电路中主要的电压和电流波形如图2-3所示。t0-t1时段：如图2-2(a)所示， S 导通，根据绕组间同名端关系，二极管VD反向偏置而截止，变压器原边绕组w1电流线性增加，变压器储能增加。t1-t2时段：如图2-2(b)所示， S 关断，二极管VD导通，变压器原边绕组w1 的电流被切断，变压器在t0-t1时段储存的能量通过变压器副边绕组w2 和二极管向输出端释放。(a ）S 导通（ b） S 截止图 2-2 反激电路的开关状态图 2-3反激电路电流连续模式下主要波形（注： Ug 开关管电压、 UT 开关管两端电压、UL2 变压器副边电压、I L1 变压器原边电流I L2 变压器副边电流）当 S 关断后所承受的电压为：US=Ui +K12U0式中 K12 为变压器原边与副边绕组的匝数比。当反击电路工作于电流连续模式时，输入输出电压关系为：U 0K 21D Ui1D2.2 电流断续工作模式反激电路工作于断续模式时，在一个开关周期内经历S 导通、关断和电感电流为0 的 3 个开关状态，对应的 3 个时段分别为 t0-t1、 t1-t2,t2-t3，电路中主要的电压和电流波形如图2-4 所示。t0-t1时段： S 导通，二极管VD截止，变压器原边绕组w1电流线性增加，变压器储能增加。t1-t2时段： S 关断，二极管 VD导通，变压器原边绕组电流被切断，变压器在t0-t1时段储存的能量通过变压器副边绕组w2 和二极管向输出端释放。直到t2 时刻，变压器中的能量释放完毕，绕组w2 中的电流下降为0，二极管截止。t2-t3时段：变压器原边绕组和副边绕组电流均为0，这时由电容 C 向负载供电。图 2-3反激电路电流断续模式下主要波形反激电路电流断续工作时，输出的电压U0 将高于电流连续时输出的电压U0，并且随着负载的减小而升高。电流断续工作模式下，S 关断后在t1-t2时间段所承受的电压为US=Ui +K12U0， t2-t3时间段为Ui ，这点与电流连续工作模式不同。3. 电路的仿真建模下面用 MATLAB软件对电路进行建模仿真。仿真模型如图3-1 所示：图 3-1 反激电路仿真建模图Simulink 仿真模型图中电压源为24V 直流电压； L 为滤波电感， C 为滤波电容。 Diode1 为电力二极管， 单向导通， 阻止电流反向流动； 电路的开关器件为 IGBT ，R 为负载。 Scope1 用于显示 IGBT的电流电压。 Scope2 用于显示变压器副边绕组电流、负载电压和负载电流。 Pulse Generator为 PWM脉冲发生器，用于驱动IGBT，调节其占空比就可以控制输出电压的大小。图中有几个比较重要的元件的参数需要设定。元件参数如下表3-1 所示：表 3-1仿真建模中元件参数DC Voltage100VC42e10-4 F变f10000HZ压V1100V器V220VPWM周期0 00001secDiode1R0.05 H-810Vf0.7Rs105CsInf图 3-2 当占空比 D=50%， Rm=50pu、 Lm=2pu,电阻 R=1各信号波形图 3-3 当占空比 D=8%，Rm=50pu、Lm=2pu,电阻 R=1 各信号波形从图 3-2 和 3-3 可以看出：当其他条件不变时，减小占空比，电路由连续模式变为断续模式。图 3-4 当占空比 D=50%，Rm=50pu、Lm=0.1pu,R=1 各信号波形从图3-2和3-4可以看出，当其他条件不变，减小变压器Lm值时，电路由连续模式变为断续模式。图 3-5 当占空比 D=50%，Rm=50pu、Lm=2pu,R=1e8 各信号波形从图 3-2 和 3-5 可以看出，其他条件不变增大输出电阻阻值，电路由连续模式变为断续模式，且输出电压 Uo 和输出电流 I o 将越来越大、趋于无穷。4. 总结从图中波形可以看出变压器的Lm 的大小直接影响反激电路的连续方式和断续方式。当负载一定，随着Lm的减小反激电路会从连续模式转为断续模式，但这时纹波较大。当 Lm一定时，随着R 的增加，电路会从连续续模式转为断续模式。并且R 越小，电路稳定的越快， 输出电压越小。 当 R 大到一定程度， 电路进入断续工作模式，输出电压也变大。极端情况下，由于 T 导通时储存在变压器电感中的磁能无处消耗，故输出电压将越来越高，损坏电路元件，所以反激式变换器不能在空载下工作。
