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。

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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

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4

電路架構降昇壓轉換器變化至返馳式轉換器之過程

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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

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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)

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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

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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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12

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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13

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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15

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)

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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)

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17

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

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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

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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

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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

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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

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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

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27

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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28

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,

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29

報告完畢

敬請指教