有源箝位反激变换器的数字化分析与设计

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随着以智能手机为代表的消费类电子产品的飞速发展,人们对手机快速充电器等中小功率电源的效率和功率密度要求不断提高。传统的反激变换器由于不能实现软开关和漏感能量回收,已越来越难以适应用户对小体积、高效率充电器的需求。有源箝位反激(Active Clamp Flyback,ACF)变换器能够较好的解决这一问题,目前已在50W~200W电源中得到了广泛应用。ACF变换器的工作过程较为复杂且工作性能受寄生参数的影响较大,特别是在副边谐振的概念引入后,变换器的参数设计变得更加困难。因此,本文以应用在手机快速充电器中的ACF变换器作为研究对象,针对其参数设计问题,从工作原理出发,围绕分析模型和数字化设计两方面开展研究工作。首先,从工作模式、谐振方式以及控制策略等多个方面对变换器的工作原理展开了详细分析,并建立等效电路对漏感电流跌落过程进行了数学推导,证明了副边谐振能改善电流波形,提高ACF变换器性能。其次,针对ACF变换器分析困难的问题,提出了基于模态迭代的时域模型,通过该模型能够准确获取变换器的稳态和暂态波形,并且模型中各模态的等效电路中包含各开关管的输出寄生电容,因此该模型能准确预测开关管寄生电容对工作波形的影响。与现有的通用仿真软件相比,提出的时域模型能够节约90%以上的计算时间,有效提高了ACF变换器数字化设计的便利性。再次,将ACF变换器的工作原理与时域模型相结合,提出了流程化的ACF变换器设计方法。该方法在确保稳定工作的前提下以尽可能提高效率为设计目标,根据变换器的工作原理和器件的电压电流应力对电路参数的设计空间进行约束,随后在时域模型的基础上进一步建立损耗模型实现对电路参数的效率预测,最后输出设计空间中的最优参数。基于此,本研究开发出了带有图形用户界面的ACF变换器自动设计软件。最后,针对手机快速充电器应用,使用开发出的设计软件,完成了ACF反激变换器的电路参数设计和器件选型。设计并制作出一台100W样机,验证了数字化设计方案的实用性。
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