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1、反激式开关电源参数优化分析与反激式开关电源参数优化分析与反激式开关电源参数优化分析与反激式开关电源参数优化分析与 实践实践实践实践陈永真陈永真陈永真陈永真 辽宁工业大学辽宁工业大学辽宁工业大学辽宁工业大学 13841685729138416857294.1 4.1 问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出反激式开关电源是一种电路最简单、最容反激式开关电源是一种电路最简单、最容 易实现的开关电源电路拓扑，然而，反激易实现的开关电源电路拓扑，然而，反激 式开关电源的参数选择不合理就会导致反式开关电源的参数选择不合理就会导致反 激式开关电源的损耗增加、效率降低。然激式开关电源的损耗增加、效率降低。
2、然 而在设计制作时，时常会出现参数设置不而在设计制作时，时常会出现参数设置不 合理的现象，因此需要清楚参数设置与反合理的现象，因此需要清楚参数设置与反 激式开关电源效率的关系。最终确定反激激式开关电源效率的关系。最终确定反激 式开关电源的参数优化。式开关电源的参数优化。4.2 4.2 不同的占空比对开关管导通损耗不同的占空比对开关管导通损耗不同的占空比对开关管导通损耗不同的占空比对开关管导通损耗 的影响的影响的影响的影响在相同电源电压、相同输出功率条件下，在相同电源电压、相同输出功率条件下， 开关管峰值电流与占空比的关系如下式：开关管峰值电流与占空比的关系如下式：（4.14.1） 很显然，开关
3、管的占空比的减小会导致开很显然，开关管的占空比的减小会导致开 关管的峰值电流的增加。如图关管的峰值电流的增加。如图4.14.1。图图4.1 4.1 相同的平均值电流条件下开相同的平均值电流条件下开 关峰值电流与占空比的关系关峰值电流与占空比的关系MODFETMODFET漏漏源极波形源极波形分析分析开关周期：开关周期：5.85.8s s；导通时间；导通时间0.3 0.3 s s；输；输 出二极管导通时间小于出二极管导通时间小于0.6 0.6 s s；整个变压；整个变压 器储能与释放储能的时间不到器储能与释放储能的时间不到1 1 s s；总占；总占 空比小于空比小于0.20.2。其余。其余5.95
4、.9 s s处于休闲状态；处于休闲状态； 电源电压电源电压18V18V；复位电压约；复位电压约10V10V图中的横坐标为占空比，纵坐标为开关管图中的横坐标为占空比，纵坐标为开关管 或变压器一次侧峰值电流（一占空比为或变压器一次侧峰值电流（一占空比为1 1时时 的开关管峰值电流为单位）的开关管峰值电流为单位） 同样，开关管流过的电流有效值与占空比同样，开关管流过的电流有效值与占空比 的关系如公式（的关系如公式（4.24.2）或（）或（4.34.3）：）：（4.24.2）（4.34.3）式（式（4.24.2）表达的是，开关管流过的有效值电流随）表达的是，开关管流过的有效值电流随 占空比的减小而增加
5、，这样在相同的开关管导通占空比的减小而增加，这样在相同的开关管导通 电阻的条件下，开关管的导通电阻与占空比的关电阻的条件下，开关管的导通电阻与占空比的关 系如下式：系如下式：通过式（通过式（4.44.4）可以看到，在相同的导通电阻条件）可以看到，在相同的导通电阻条件 下，开关管的导通损耗与占空比成反比关系，也下，开关管的导通损耗与占空比成反比关系，也 就是说在相同的电源电压、相同的输出功率条件就是说在相同的电源电压、相同的输出功率条件 下占空比越低，开关损耗越大。下占空比越低，开关损耗越大。 在相同的开关管导通电阻和相同的平均值电流的在相同的开关管导通电阻和相同的平均值电流的 条件下，不同占空
6、比条件下的有效值与平均值的条件下，不同占空比条件下的有效值与平均值的 比值以及与损耗（有效值比值以及与损耗（有效值2 2）的相对关系如表）的相对关系如表 4.14.1。表表4.1 4.1 不同占空比条件下的有效值不同占空比条件下的有效值 与平均值的比值以及与损耗的相对与平均值的比值以及与损耗的相对 关系关系占空比占空比0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0平 均 值有效值平 均 值有效值/平均 值平均 值3.652.5 82.1 01.8 31.6 31.4 91.3 81.2 91.2 11.1 51有效值有效值2/平均 值平均 值13.36.6 74.4 43.3 3
7、2.6 72.2 21.91.6 71.4 81.3 31通过表通过表4.14.1，可以更清楚地看懂随着占空比的减小，可以更清楚地看懂随着占空比的减小 不仅有效值增加，而且损耗增加的速度更快；不仅有效值增加，而且损耗增加的速度更快； 由图由图4.14.1和表和表4.14.1看到占空比小于看到占空比小于0.30.3以后，不仅有以后，不仅有 效值增加的速度加快，损耗的速度也更进一步的效值增加的速度加快，损耗的速度也更进一步的 加快。当占空比为加快。当占空比为0.20.2时，损耗为平均值的时，损耗为平均值的6.676.67 倍！为占空比为倍！为占空比为4.04.0时的时的2 2倍；如果占空比降低到倍
8、；如果占空比降低到 0.10.1则损耗为平均值的则损耗为平均值的13.313.3倍！为占空比倍！为占空比0.40.4时的时的4 4 倍！倍！ 为了获得相同的平均电流值，占空比越小，付出为了获得相同的平均电流值，占空比越小，付出 的损耗值越高。的损耗值越高。4.3 4.3 不同的占空比对开关管参数选择不同的占空比对开关管参数选择不同的占空比对开关管参数选择不同的占空比对开关管参数选择 的影响的影响的影响的影响在相同的输入电压的条件下反激式开关电在相同的输入电压的条件下反激式开关电 源的反冲电压与直流母线电压的关系如公源的反冲电压与直流母线电压的关系如公 式（式（4.54.5）：）：（4.54.5
9、）可以看到，随着占空比的提高，反冲电压可以看到，随着占空比的提高，反冲电压 也随之上升，反冲电压的上升会导致开关也随之上升，反冲电压的上升会导致开关 管的额定电压增加，开关管的额定电压选管的额定电压增加，开关管的额定电压选 择由公式（择由公式（4.64.6）决定：）决定：（4.64.6）式中的式中的V V为变压器漏感在开关管关断过程产生为变压器漏感在开关管关断过程产生 的尖峰电压，对于的尖峰电压，对于220Vac220Vac输入电压等级对应的尖输入电压等级对应的尖 峰电压一般取峰电压一般取100V100V。 如果电源电压最高值为如果电源电压最高值为370V370V，最低电压为，最低电压为 20
10、0V200V，开关管的最大导通占空比为，开关管的最大导通占空比为0.20.2、0.30.3、 0.40.4、0.50.5、0.60.6对应的反冲电压分别为：对应的反冲电压分别为：50V50V、 8787、133V133V、200V200V、300V300V，在直流母线电压为，在直流母线电压为 370V370V条件下对应的开关管峰值电压分别为：条件下对应的开关管峰值电压分别为： 520V520V、557557、603V603V、670670、770770，所选择开关管，所选择开关管 的峰值电压分别为：的峰值电压分别为：600V600V、600V600V、650V650V、700V700V 或或8
11、00V800V、700V700V或或800V800V、800V800V。表表4.2 4.2 电流临界状态下开关管的导电流临界状态下开关管的导 通占空比对反冲电压、开关管峰值通占空比对反冲电压、开关管峰值 电压的影响电压的影响占空比占空比0.20.30.40.50.6反冲电压反冲电压5087133200300开关管峰值电 压开关管峰值电 压520557603670770开关管的额定 电压开关管的额定 电压600600650800800表表4.3 4.3 不同额定电压的第三代不同额定电压的第三代 MOSFETMOSFET（IRFIRF系列）的导通性能系列）的导通性能型号型号IRF7 40IRF8
12、40IRFB C40IRF8 30IRFB C30IRFB E40IRFB F40IRFB G30开关管的额 定电压开关管的额 定电压400V 500V 600V500V 600V800V900V1000 V开关管额定 电流开关管额定 电流10A8A6.2A4.5A3.6A4.1A3.7A3.1A导通电阻导通电阻0.55 0.8 1.21.5 2.233.65.0导通电压导通电压5.5V6.4V7.446.75 V7.92V12.3V13.32 V15.5V很显然，随着很显然，随着MOSFETMOSFET的额定电压的上的额定电压的上 升，导通电压会急剧增加。为了很好的反升，导通电压会急剧增加。
13、为了很好的反 映不同额定电压下导通电阻的增加程度，映不同额定电压下导通电阻的增加程度， 可以将以上的可以将以上的MOSFETMOSFET折算成相同的额定折算成相同的额定 电流条件下的导通电阻。折算成电流条件下的导通电阻。折算成3A3A状态下状态下 的导通电阻为：的导通电阻为：表表4.4 4.4 将表将表4.2 4.2 的各的各MOSFETMOSFET折合成折合成 3A3A额定电流时的导通电阻额定电流时的导通电阻开关管的额定电 压开关管的额定电 压400V500V600V800V900V1000V导通电阻导通电阻1.833.375 3.966.146.667.75以上结果表明：如果选用常规以上结
14、果表明：如果选用常规MOSFETMOSFET， 很可能既是提高占空比也不会降低开关管很可能既是提高占空比也不会降低开关管 的导通损耗。为了减小开关管的导通损耗的导通损耗。为了减小开关管的导通损耗 由不明显的提高开关管的开关损耗，应选由不明显的提高开关管的开关损耗，应选 择择InfineonInfineon的的CoolMOSCoolMOS，CoolMOSCoolMOS的的C3C3系系 列是比较成熟的型号：列是比较成熟的型号：表表4.5 4.5 InfineonInfineon公司生产的公司生产的 CoolMOSCoolMOS的导通特性的导通特性型号型号VDSS额定电流额定电流 导通电阻导通电阻额
15、定电流下的导通电压额定电流下的导通电压SPD02N60C 3650V1.8A35.4VSPP02N80C3 800V2A2.75.4VIPW90R1K2 C3900V5.1A1.26.12V可以看到，可以看到，CoolMOSCoolMOS的额定定电压的提升的额定定电压的提升 并没有明显的提高导通电压。为了与并没有明显的提高导通电压。为了与IRFIRF系系 列具有可比性，需要将列具有可比性，需要将CoolMOSCoolMOS折算成折算成2A2A 额定电流下的导通电阻：额定电流下的导通电阻：表表4.6 4.6 的的MOSFETMOSFET折合成折合成2A2A额定电额定电 流时的导通特性流时的导通特
16、性型号型号VDSS折合电 流折合电 流折合后的导通 电阻折合后的导通 电阻折合电流下的导通电压折合电流下的导通电压SPD02N60 C3650V2A2.75.4VSPP02N80 C3800V2A2.75.4VIPW90R1K 2C3900V2A3.066.12V这个结果可以看到，尽管这个结果可以看到，尽管CoolMOSCoolMOS的额定的额定 电压提高，导通电阻并没有明显的提高。电压提高，导通电阻并没有明显的提高。 这时通过提高占空比可以有效地降低开关这时通过提高占空比可以有效地降低开关 管的导通损耗。公式（管的导通损耗。公式（4.44.4）的计算结果与）的计算结果与 实际结果很相近。实际结果很相近。 以上分析仅仅考虑开关管的导通损耗与占以上分析仅仅考虑开关管的导通损耗与占 空比的关系。开关
