正激变换器:从零开始的完整指南

反激先把负载能量储存在磁场中,关断后再释放;正激则在主开关导通期间直接通过变压器向负载传能,副边输出电感把整流电压滤成连续电流。因此它本质上是隔离型 Buck。

1. 隔离型 Buck

Q1/Q2 同时开关,D1/D2 把励磁能量回送输入;D3 为正激整流二极管,D4 为续流二极管。副边回路与原边隔离。 Open full size · Circuit source · Drawn with AIPE-Sketch

令 \(n=N_p/N_s\),开通时副边整流节点约为 \(V_g/n\),关断时由续流二极管把节点钳在近零。下游与 Buck 完全相同,因此理想 CCM 增益为

\[\boxed{V_o=D\frac{V_g}{n}}. \tag{1}\]

原副边负载电流在导通期间同时流动,变压器不需要像反激耦合电感那样储存全部负载能量;但励磁能量和磁芯磁通仍必须每周期复位。

2. 复位问题与占空比上限

导通期间原边承受 \(+V_g\),磁化电流上升。如果关断后不施加反向伏秒,磁通会逐周期偏移并饱和。经典单管正激使用第三复位绕组 \(N_r\) 把励磁能量送回输入。伏秒平衡要求

\[V_gDT_s=V_g\frac{N_p}{N_r}\delta_rT_s, \qquad \delta_r=D\frac{N_r}{N_p}. \tag{2}\]

复位必须在剩余周期内完成,所以

\[D\le\frac{N_p}{N_p+N_r}. \tag{3}\]

当 \(N_r=N_p\) 时,得到著名的 \(D\le0.5\)。单管关断还要承受输入与反射复位电压之和,1:1 复位时理想值为 \(2V_g\);72 V 高线即为 144 V,通常需要 200 V 器件。

正、负电压幅值相等时,复位时间等于励磁时间;D=1/2 时理想复位余量消失。 Open full size

3. 48 V→12 V、30 W 算例

输入 36–72 V、输出 12 V/2.5 A、100 kHz,取输出电感 150 µH、电容 100 µF。为在 36 V 低线仍将 duty 控制在 0.5 以下,选择 \(n=4/3\),低线 duty 约 0.444,标称为 0.333,高线为 0.222。

输出电感按 Buck 计算:

\[\Delta i_L=\frac{(V_g/n-V_o)D}{Lf_s} =\frac{V_o(1-D)}{Lf_s}. \tag{4}\]

还需分别校核整流与续流二极管反压/RMS 电流、输出电容 ESR、变压器励磁电流、磁通密度、铜损、漏感尖峰和绝缘。匝比降低能保留低线占空裕量,但会提高副边电压和二极管应力。

4. 双管与有源钳位变体

双管正激在原边对角放置两只开关和两只复位二极管。关断时励磁能量回到输入,每只开关理想只承受约 \(V_g\),无需复位绕组;复位电压仍为 \(V_g\),所以占空上限仍约 0.5。代价是第二只开关与高边驱动,这是中等功率常用方案。

有源钳位正激用辅助开关和电容建立复位电压。它可回收漏感/励磁能量、允许适当设计下 duty 超过 0.5,并利用这些能量实现 ZVS;代价是钳位电压、死区、启动和控制更复杂。不能只看到“可超过 0.5”就忽略磁通摆幅与器件应力。

5. 控制:本系列最简单的被控对象之一

输出级就是 Buck,仅把等效输入电压换成 \(V_g/n\):

\[G_{vd}(s)=\frac{V_g/n}{LCs^2+(L/R)s+1} \tag{5}\]

(暂忽略 ESR)。它没有 Boost 类 RHP 零点。本例的谐振和阻尼与 12 V Buck 算例相同,只是 DC duty 增益由 24 V/duty 变为 36 V/duty。补偿器仍需处理 LC 峰、采样/PWM 延时、占空上限、峰值电流和磁芯复位约束。

6. 仿真与应用

打开 双管正激 LTspice 网表,观察输出、整流节点、输出电感与原边电流。核对每只开关两端电压,而不是把某个节点电压当成两只器件应力;原边电流应包含叠加在反射负载电流上的小励磁斜坡,并在每周期复位到初值。

若故意超出复位允许时间,理想线性磁件模型只能显示伏秒偏置与励磁电流漂移,不能预测真实饱和和器件失效;需要经过验证的非线性磁芯模型和硬件保护。

正激适合隔离工业电源、通信与中等功率 DC–DC。与反激、推挽、半桥和全桥的边界应按输入范围、开关应力、磁件利用率、复位方案和损耗预算决定,而不是套用固定功率阈值。

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