單端反激電路在適配器中的應用及其在SIMetrix下的仿真

吳炳嬌

（上海矽睿半導體科技有限公司，上海201800）

單端反激電路在適配器中的應用及其在SIMetrix下的仿真

吳炳嬌

（上海矽睿半導體科技有限公司，上海201800）

摘要：基于MOSFET的單端反激式拓撲電路原理，討論了由單端反激電路組成的開關電源在SIMetrix下建立的仿真電路，并進行了仿真研究。為了進行對比分析，結合開關電源在適配器中的實際應用電路，搭建了開關電源實驗電路，用示波器檢測了核心器件MOSFET在工作過程中兩端的電壓和電流波形，并將仿真結果和實驗結果進行了對比，證明了此仿真電路的可行性。根據仿真參數的變化，可以優化單端反激電路開關電源各器件的參數。

關鍵詞：金屬氧化物場效應晶體管；變壓器；單端反激；開關電源；適配器；SIMetrix

1　引言

任何一種拓撲結構都是基于一個或者多個電力電子器件，并結合控制電路、濾波電路、保護電路等構成。隨著電力電子技術的發展，單端反激電路因其結構簡單、效率高等優點而被廣泛應用于小功率輸出的場合，尤其作為中小型充電器、DVD播放器、開關電源等的主拓電路而獲得廣泛應用。單端反激電路因其不需要磁通復位裝置的去磁電阻，且結構簡單，易于實現，因此它被廣泛應用于開關電源中。本文針對由Buck電路延伸來的單端反激基本變換電路，對其進行原理分析和建模仿真，并對其在適配器中的實際應用進行研究。

2　單端反激變換電路的特點及其理論基礎

不同材質的鐵芯用于不同的工作頻率下，對于單端反激電路中的變壓器，歸根到底是開關電源類的應用，變壓器需在高頻狀態下工作。由于鐵氧體材料有很好的儲能和抑制信號傳輸過程中尖峰和振鈴的作用，因此被廣泛用作高頻狀態下變壓器的鐵芯。常規鐵氧體的工作頻率是十kHz量級至百kHz量級，其低頻下的特性不如硅鋼片，但普通硅鋼片的最高工作頻率不超過400Hz。鐵氧體無法工作于數十赫茲的工頻下，所以無法用它來做工頻變壓器。開關電源上的鐵氧體高頻變壓器很小且匝數很少，其本質原因在于鐵氧體的磁通量很大，理論上如果磁芯的磁通量趨于無窮，線圈的匝數可以趨于零。

開關電源中的鐵氧體芯變壓器，一般不能將磁通密度用到飽和，經常只用到飽和磁通密度的幾分之一。這是因為磁通密度用到飽和時鐵損太大，變壓器溫度會太高。即使變壓器散熱很好，也有啟動時的暫態過程問題，不能用到接近飽和。在實際應用中單端反激變壓器具有儲存能量和隔離的作用，是拓撲結構元件的重要組成部分。

單端反激電路的一個最明顯的特點是不需要考慮磁通復位原則，但這并不代表沒有磁通復位電路，反激也存在磁芯復位電路。在MOS關斷期間,輸出電壓感應到原邊的反射電壓就是復位電壓，只不過復位電路用的是原邊的繞組。

變壓器磁芯中的磁通在開關管T導通期間，隨原邊繞組的增大而增大，在T截止期間隨副邊繞組中電流的減小而減小。如果在每一個周期結束時，磁通大于這個周期開始時的磁通大小，則它將隨著周期的重復而逐漸增加，工作點逐漸上移，使勵磁電流增大，磁芯飽和，變壓器工作不能正常進行，造成開關的損壞。因此在每個周期結束時變壓器磁芯中的磁通必須回歸到原來的位置，這就是磁通復位原則。單端反激變換器不需要專門的去磁繞組，電路簡單。當變壓器磁飽時就相當于變壓器被短路了，就不能實現電-磁-電的轉換，所以它就不能帶負載工作了。

單端反激電路最大的限制就是輸出功率有限制，一般只有幾十瓦到一百瓦，其限制原因在其拓撲結構上，因為輸出功率取決于通過變壓器原邊的電流峰值，也即變壓器能夠存儲的能量，而電流峰值又跟原邊的電感量、開關頻率、占空比等因素有關。如果想把電源的功率做得很大，那么變壓器的原邊線圈的電感量會跟分布參數（比如漏感量）相近，最后沒有辦法繞制成一個合適的變壓器來。因此Flyback一般應用在設計功率在100W以內的場合，根據電路的特點，選用耐壓較小的功率器件，一般是選用MOSFET。這里占空比比較小，不是因為磁通復位，而是由于開關管的耐壓值的限制，由于MOSFET的承受電壓=US+n*U0，也就是說MOSFET所能承受的電壓與輸出電壓有關，而輸出電壓又與占空比有關，所以一般考慮管子的耐壓，會限制占空比的大小，一般占空比會在0.5左右。

3　反激變換電路的三種工作模式

單端反激變換器的電路如圖1所示，單端反激變換器和Buck電路一樣也存在電流連續、電流斷續和電流臨界連續三種工作模式。這里的電流指的是變壓器原邊和副邊電流，也稱作磁化電流。要分析它的三種工作模式，我們以經常使用的功率器件MOSFET為例進行分析。不同工作模式下涉及到變壓器和MOSFET的一些寄生器件。次級電流在MOSFET沒有打開之前已經歸零，就是斷續模式，反之為連續模式，當觸發脈沖使MOSFET開通時，恰好次級電流變為0，那么就是臨界連續模式。

圖1　包含變壓器、MOSFET、二極管寄生器件的單端反激電路

MOSFET關斷的時候，初級電流會給Coss充電。當已經關斷時，初級的線圈會阻礙電流變小，此時會給MOSFET的Coss充電，初級電感會感應出下正上負的電動勢，次級電壓變為上正下負，二極管會導通但還未能導通。當充電的電壓超過了輸入電壓與次級輸出電壓感應到初級電壓之和時，二極管才會導通，勵磁電感上的電壓才會降到了nV0。這是因為，在次級二極管陰極的電壓是與輸出電壓相同的，由于初級電感上的電流不能突變則會通過MOSFET上端產生很大的電壓，Ui=Ldi/dt。由于開關的瞬間關斷會使電流變化很大，會產生很大的尖峰電壓。所以根本原因是二極管的陰極與電容相連，使二極管陽極的電壓必須大于V0時二極管才會導通。Lk1和Coss之間的振蕩發生在開關管關斷時候，由于Lk1上的電壓不會突變，但會產生下正上負的電動勢。

圖2　單端反激電路的仿真模型

圖3　連續工作模式下的MOSFET兩端電壓輸出仿真波形

圖4　斷續工作模式下的MOSFET兩端電流輸出仿真波形

4　單端反激電路在SIMetrix下的仿真分析及電壓、電流檢測

在SIMetrix下建立單端反激電路的仿真模型，其主要包括變壓器、核心功率器件MOSFET及其控制模塊等，其保護和檢測電路仿真模型如圖2所示。圖中一個PROBE測量點在MOSFET的D極測量電壓，另一個PROBE測量點在S極分別測量MOSFET兩端的電壓和電流。仿真波形如圖3、圖4所示。

在實際應用中，單端反激電路主要應用于小功率的拓撲結構電路中，比如電腦適配器中。實際應用中會著重關注MOSFET的開通和關斷過程，也就是一次和二次側換流過程中與MOSFET本身的寄生器件的諧振電路。在現有條件下，我們利用示波器對適配器中應用于單端反激電路的MOSFET兩端的電壓與電流進行測試。實際測試波形如圖5、圖6所示。

圖5　連續工作模式下MOSFET兩端的電壓波形

圖6　斷續工作模式下MOSFET兩端的電流波形

通過對適配器的測試波形與仿真波形對比可知，在SIMetrix下搭建的仿真模型是正確的，單端反激電路在斷續和連續工作模式下與理論分析是一致的，利用控制核心器件MOSFET的導通和關斷來控制其兩端的電壓和電流是有效和可行的。

5　結束語

Flyback電路有很多種形式，本文所討論的是Flyback最基本的一個電路。本文結合Flyback的基本原理對整個電路建立了仿真模型，并結合MOSFET在適配器中的實際應用，用示波器測量了不同工作狀態下MOSFET兩端的電壓和電流，通過仿真波形對比和分析，表明在SIMetrix下搭建仿真模型是正確的，這為以后單端反激電路多種拓撲結構的設計和參數改進奠定了基礎。

參考文獻：

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［5］王旭光，房緒鵬.電力電子技術［M］.東營：中國石油大學出版社，2009.

Application of single－ended flyback circuit in the adapter and the simulation in SIMetrix

WU Bing－jiao
（Shanghai Xirui Semiconductor Science and Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201800，China）

Abstract：The theory of the single－ended flyback topology circuit based on the MOSFET is introduced.The simulation circuit combined with the switching power supply composed of single ended flyback circuit is established and analyzed in SIMetrix.In order to further comparative analysis，combined with the practical application of the switching power supply in the adapter，a switching power supply experimental circuit is built.The voltages and current waveforms of both ends of the core device MOSFET during operation are detected with an oscilloscope.The simulation results are compared with the experimental results that proves the feasibility of this simulation.It establishes the foundation for optimizating the paramters of every part of the switching power supply devices based on the single－ended flyback circuit according to the changing of the simulation parameters.

Key words：MOSFET；transformer；single－ended flyback；switching power supply；adapter；SIMetrix

中圖分類號：TM13；TP211＋.51

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）05—0038—03

作者簡介：

吳炳嬌，天津寧河縣人，中共黨員，碩士研究生，主要研究方向為電力電子技術與電力傳動技術。

收稿日期：2015－04－30