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description
2006/07/28
1
返馳式轉換器Flyback converter
關鍵字:轉換器、交換式電源供應器、返馳式
2006/07/28
2
摘要
本文先探討返馳式轉換器其動作原理,再來進行連續導通模式、不連續導通模式穩態模式分析與討論。最後由 IsSpice模擬與分析驗證其正確性。
2006/07/28
3
電路架構 動作原理 連續導通模式之穩態分析 非連續導通模式之穩態分析 返馳式轉換器變化型式 IsSpice 模擬與分析 結論 參考文獻
大綱
2006/07/28
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電路架構降昇壓轉換器變化至返馳式轉換器之過程
2006/07/28
5
動作原理
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
Lm
iLm
iin iO
Vin
n1 : n2
C R
VO
+
-
Q
VSVP
-
- +
+
D
Lm
iLm iD
iC
iO
Mode 1(0≤t<DT):Q on
Mode 2(DT≤t<T):Q off
Vp
iLm
VQ
iD
t
t
t
t
iC
t
∆IiC,max
-iO
TDT
DT T
Q-Q+
n·ILm(DT)
n·ILm(T)
Vin+n·VO
ILm,max
ILm(0)
Vin
-n·VO
DT T
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6
連續導通模式之穩態分析 (1/2)
【Mode 1(0≤t<DT)】
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
Lm
iLm
iin iO
)1).......(0()( Lmm
inLm
inp
ItL
Vti
VV
Vp
iLm
t
tDT T
ILm,max
ILm(0)
Vin
-n·VO
2006/07/28
7
【Mode 2(DT≤t<T)】
)2)........(()()(
2
1
2
1
DTIDTtL
nVti
n
nnLet
Vn
nV
Lmm
oLm
op
Vp
iLm
t
tDT T
ILm,max
ILm(0)
Vin
-n·VO
連續導通模式之穩態分析 (2/2)
2006/07/28
8
D
D
n
n
Dn
D
V
V
dttVndtV
dttV
in
O
DT T
DT oin
p
1)1(
0)(
0)(
1
2
0
T
0
轉移函數 (CCM)Vp
iLm
VQ
iD
t
t
t
t
iC
t
∆IiC,max
-iO
TDT
DT T
Q-Q+
n·ILm(DT)
n·ILm(T)
Vin+n·VO
ILm,max
ILm(0)
Vin
-n·VO
DT T
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
根據伏 -秒平衡
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9
)1(2
)]0()([
)4.......()1()0()(
)3.......(..........)0()(
,, DIDTIn
II
TDL
VnIDTI
DTL
VIDTI
LmLmaveDaveO
m
oLmLm
m
inLmLm
臨界電感 (1/2)
iLm
iD
t
t
DT T
n·ILm(DT)
n·ILm(T)
ILm,max
ILm(0)
DT T
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
由 (1) 、 (2)
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10
臨界電感 (2/2)
iLm
iD
t
t
DT T
n·ILm(DT)
n·ILm(T)
ILm,max
ILm(0)
DT T
critm
crit
m
ininLm
m
ininLm
LL
TRDnL
L
DTV
DRn
DVDTI
L
DTV
DRn
DVI
2
)1(
)6.......(2)1(
)(
)5.(..........2)1(
)0(
22
22
22
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
由上述方程式可求得
2006/07/28
11
輸出電壓漣波
fCR
D
V
VC
IDTV
IDTVC
IDT
c
c
oc
oc
o
-ΔQ
iLm
iD
t
t
iC
t
∆IiC,max
-iO
TDT
DT T
Q-Q+
n·ILm(DT)
n·ILm(T)
ILm,max
ILm(0)
DT T
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
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非連續導通模式之穩態分析
Vin
n1 : n2
C R
VO
+
-
Q
VSVP
-
- +
+
D
Lm
Io
Vp
iLm
VQ
iD
t
t
t
t
T
n·ILm(DT)
Vin
-n·VO
DT T
Vin
D1TDT
D1T
Vin+n·VO
【Mode 3(D1T≤t<T)】
inQ
DLmin
VV
iii
0
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Vp
iLm
t
tT
Vin
-n·VO
D1TDT
VQ
t
Vin+n·VO
Vin
iin
t
ILm,max
fL
RD
V
V
PP
L
TDVDT
T
II
L
DTVI
L
DTV
DRn
DVDTI
L
DTV
DRn
DVI
min
o
oin
m
inLmin
m
inLm
m
ininLm
m
ininLm
2
22
)6....(2)1(
)(
)5........(2)1(
)0(
2max,
max,
22
22
根據
轉移函數 (DCM)
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14
臨界電感Vp
iLm
t
tT
Vin
-n·VO
D1TDT
VQ
t
Vin+n·VO
Vin
iin
t
ILm,max
critm
crit
m
ininLm
m
ininLm
LL
TRDnL
L
DTV
DRn
DVDTI
L
DTV
DRn
DVI
2
)1(
)6.......(2)1(
)(
)5.(..........2)1(
)0(
22
22
22
Vin
n1 : n2
D
C R VO
+
-
Q
VPVS
+
+ -
-
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Flyback 變化型式Ⅰ ( 雙開關 )
C RL
D3
D1
D2
n1:n2
+
-
+
-
Vin
Q2
Q1
VQ 的耐壓需求變小 (VQ=Vin)
增加電路成本與複雜度 (Q2, D1, D2)
2006/07/28
16
Flyback 變化型式Ⅱ ( 多組輸出 )
Q1
C2
D2 +
-
C3
D3 +
-
C1
D1 +
-Vo,1
Vo,2
Vo,3
+
-
Vin
T1
提供額外電源 適合低功率應用 增加電路成本與複雜度 (Q2, D1, D2)
2006/07/28
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IsSpice 模擬 ( 參數設定 )臨界導通模式( BCM )
Vin (V) 48
Vout (V) 4
D(%) 45.5
Io,B (A) 0.5
n1:n2 10:1
Lp,crit
(H)1.19m
RL (Ω) 8
4
Vin48
1
5
X1xIRF3305
V7
3
2
Rp2
2
1
Lp1.19m
3
1
6
X1XFMR
3 3
1
111 1Vds
5 55
Vgs
4 3
V844
4
4 3 3
3
1
Vprimary
Iin
3
3
1
11 1
7
Co100u
7
RL8
6 6 7 77
7
7
7
IRL
7 7
ICo
7
VoId
6
Vsecond
6 7
D1MUR405
Ip
2006/07/28
18
BCM 電流波形 (Lp,B=1.19mH)1 ip 2 iin 3 id(d1)
2.480m 2.490m 2.500m 2.510m 2.520mtime in secs
-4.00
0
4.00
8.00
12.0id
(d1)
in a
mps
-800m
-400m
0
400m
800m
iin in
am
ps
-1.20
-800m
-400m
0
400m
ip in
am
psP
lot1
1
2
3
IP
Iin
ID
0.2A
0.2A
2A
2006/07/28
19
CCM 電壓波形 (Lp=5mH)1 vgs 2 vds 3 vprimary 4 vsecond 5 vo
1.980m 1.990m 2.000m 2.010m 2.020mtime in secs
0
20.0
40.0
60.0
80.0
vsec
ond
in v
olts
-170
-10.0
150
310
470
vprim
ary
in v
olts
-80.0
-40.0
0
40.0
80.0
vgs i
n vo
lts
-4.00
-2.00
0
2.00
4.00
vo in
vol
ts
-600
-400
-200
0
200
vds i
n vo
ltsP
lot1 1
2
3
5
4
Vo
VDS
VGS
Vprimary
Vsecond
3.5V
100V
4V
-4V
54V
-42V
2006/07/28
20
CCM 電流波形 (Lp=5mH)1 i(lp) 2 iin 3 id(d1) 4 ico 5 i(rl)
2.480m 2.490m 2.500m 2.510m 2.520mtime in secs
-1.00
1.00
3.00
5.00
7.00
ico i
n a
mp
s
-400m
-200m
0
200m
400m
iin in
am
ps
-200m
0
200m
400m
600m
i(lp
) in a
mp
s
-7.00
-5.00
-3.00
-1.00
1.00
i(rl) in
am
ps
-6.00
-4.00
-2.00
0
2.00
id(d
1) i
n a
mp
sP
lot1
1
2
3
5
4
IRLID
Iin
ILp
ICo
1A
0.6A
0.6A
-0.4A
0.4A
0.1A
0.1A
60mA
2006/07/28
21
CCM 電壓波形 (Lp=2mH)1 vprimary 2 vsecond 3 vo 4 vds
2.480M 2.490M 2.500M 2.510M 2.520Mtime in seconds
-350
-250
-150
-50.0
50.0
vprim
ary
in v
olts
0
100
200
300
400
vds in
vol
ts
-10.0
0
10.0
20.0
30.0
vo in
volts
-20.0
-10.0
0
10.0
20.0
vsec
ond
in v
olts
Plo
t1
2
3
4
1Vprimary
Vsecond
Vo
VDS
-40V
50V
4V
-5V
80V
3.5V
2006/07/28
22
IRL
ID
Iin
ICo
ILp
1 i(lp) 2 iin 3 id(d1) 4 ico 5 i(rl)
2.480M 2.490M 2.500M 2.510M 2.520Mtime in secs
-2.00
0
2.00
4.00
6.00
ico in
am
ps
-11.0
-7.00
-3.00
1.00
5.00id
(d1
) in a
mp
s
-400M
-200M
0
200M
400M
iin in a
mp
s
0
200M
400M
600M
800M
i(lp
) in
am
ps
-7.00
-5.00
-3.00
-1.00
1.00
i(rl
) in
am
ps
Plo
t1
1
2
3
5
4
CCM 電流波形 (Lp=2mH)
1.4A
30mA
140mA
0.4A
140mA
40mA
1A
-0.4A
2006/07/28
23
DCM 電壓波形 (Lp=0.6mH)1 vgs 2 vds 3 vprimary 4 vsecond 5 vo
2.480m 2.490m 2.500m 2.510m 2.520mtime in secs
0
10.0
20.0
30.0
40.0
vo in
vo
lts
-20.0
0
20.0
40.0
60.0
vse
con
d in
vo
lts
-140
-100
-60.0
-20.0
20.0
vgs i
n v
olts
-400
-200
0
200
400
vpri
ma
ry in
vo
lts
-500
-300
-100
100
300
vds i
n v
olts
Plo
t1
1
2
3
4
5
VGS
VDS
Vprimary
Vsecond
Vo
120V
50V
-60V
5.5V
6V
-4V
2006/07/28
24
DCM 電流波形 (Lp=0.6mH)1 i(lp) 2 iin 3 id(d1) 4 ico 5 i(rl)
2.480m 2.490m 2.500m 2.510m 2.520mtime in secs
-4.00
-2.00
0
2.00
4.00
i(rl
) in a
mp
s
-800m
-400m
0
400m
800m
iin in
am
ps
-5.00
5.00
15.0
25.0
35.0
ico i
n a
mp
s
-1.20
-800m
-400m
0
400m
i(lp
) in a
mp
s
-10.0
0
10.0
20.0
30.0
id(d
1) i
n a
mp
sP
lot1
1
2
3
4
5
ILp
IRL
Iin
ID
ICo
0.4A
0.4A
0.7A
4A
3A
2006/07/28
25
DCM 電壓波形 (Lp=0.1mH)1 vgs 2 vds 3 vprimary 4 vsecond 5 vo 6 i(lp)
2.465m 2.470m 2.475m 2.480m 2.485mtime in seconds
2.00
6.00
10.0
14.0
18.0
i(lp
) in a
mp
ere
s
-30.0
10.0
50.0
90.0
130
vse
con
d in
vo
lts
-152
-112
-72.0
-32.0
8.00
vgs i
n v
olts
-800
-400
0
400
800
vpri
ma
ry in
vo
lts
-1.10k
-700
-300
100
500
vds i
n v
olts
10.0
30.0
50.0
70.0
90.0
vo in
vo
ltsP
lot1
1
2
3
4
5
6
VGS
VDS
Vprimary
Vsecond
Vo
ILp
200V
50V
-120V
14V
-4V
13V
2006/07/28
26
DCM 電流波形 (Lp=0.1mH)1 i(lp) 2 iin 3 id(d1) 4 ico 5 i(rl)
2.480m 2.490m 2.500m 2.510m 2.520mtime in seconds
0
2.00
4.00
6.00
8.00
i(rl) i
n a
mp
ere
s
-10.5
-6.50
-2.50
1.50
5.50
iin in
am
pe
res
-13.0
-9.00
-5.00
-1.00
3.00
i(lp
) in a
mp
ere
s
-40.0
0
40.0
80.0
120
ico in
am
pe
res
-70.0
-30.0
10.0
50.0
90.0
id(d
1) in
am
pe
res
Plo
t1
1
2
3
4
5
ILp
Iin
ID
ICo
IRL
2.2A
2.2A
22A
20A
1.6A
2006/07/28
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結論 於 CCM 時,其輸出電壓不隨激磁電感改變
於 DCM 時,其輸出電壓會隨激磁電感減少而增加
於 CCM 下,開關導通時有突入電流產生
因無輸出電感,使得電路成本與複雜度降低
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參考文獻 高頻交換式電源供器原理與設計 梁適安編著
電力電子學 王順忠編譯
“Power Electronic Circuits”, Issa Batarseh,
2006/07/28
29
報告完畢
敬請指教