浅议罗耶变换器的设计

最近论坛上讨论自激类型的逆变器相当多,而且每开一帖都很多关注,我也来凑个热闹,顺便复习下以前学习的知识.

这类变换器有点多谐振荡器的味道,总的占空为1,所以没有电压调整功能,但是电路简单,设计和维修都相对容易,在对电源要求不严的地方还是有用武之地,如:背光灯电路,逆变器的DC-DC升压电压.

下图是基本电路:

电路中,A绕组和B绕组相同,C和D绕组也相同,绕组E为输出绕组.

R1=R2,Q1和Q2是相同型号的三极管,整个电路从理论上对称.

实际上电路不会对称,Q1或是Q2总会有一个先导通,由电路的同名端可以得出先导通的管子会能更好的开通,最终达到饱和;另一个管子的基极-发射极则受到反向偏压而截止.

当初级线圈中的电流达到某个数值后,变压器磁芯进入饱和,原先饱和的管子会退出饱和状态,由于正反馈,会快速的进入截止,电路翻转;另一边管子开始导通.

对照上图:

过程一、假设Q1先导通,有一个比基极电流大了N倍的电流渡过Q1的CE极,由于正反馈的原因,在变压器引脚6上感应出高电平,R2中的电流得以增强,Q1导通更加充分,很快达到饱和,只要驱动绕组5-6感应到的电压能够维持Q1的饱和状态,电路将一直保持现状;

过程二、Ｑ1饱和时，流过变压器1-2绕组的电流持续增加，当电流达到某一个数值时，变压器磁芯饱和，电流快速增加，Q1压降增大退出饱和区。1-2绕组上的电压减少，5-6绕组上的电压也跟着减少，由于正反馈的原因，这个过程将会持续到Q1截止;

过程三、其实这个过程在Q1退出饱和区的时候就开始了，绕组1-2电压降低时，绕组7-8电压极性也在改变， Q1关断后Q2开通，由反馈绕组得到足够的电流并保持到变压器反方向饱和，和Q1开通时的状态一样，在变压器反向饱和后，它也将退出饱和状态，之后回到过程一，Q1导通。

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qinzutaim

2012-12-04 20:19

分析上述工作过程，发现这个电路变压器饱和时翻转，此时电流最大，而且三极管由饱和转为截止的过程较长，损耗大；同时变压器由正向饱和转到反向饱和，磁损也大。

开关管的转换时间我们现在可以选择更快的MOS管，但是变压器双向饱和的问题只能在电路上加以改造。

这个电路出现时并没有现在这么好的MOS管，因而直接应用这个变换器的电源都是些小功率的。

为了得到更大的功率，前人在这个电路的基础上改进了一下，用一个小变压器工作在双向饱和区域作为驱动，用一个比较大的变压器作为功率转换，称之为改进型罗耶变换器，典型电路如下图：

对照上图，R1＝R2，R4＝R5，Q1＝Q2，电路也是理论上的对称状态，但是比上一个电路多了个驱动变压器，这个小变压器就得注意相位关系和同名端了，呵呵，不小心的话会出问题……

由于Q1和Q2总会有一个先导通，由于正反馈的缘故，先导通的那个管子会进入饱和状态并保持一定时间，这个时间将由T2的状态确定，当T2进入饱和时电路将翻转，如同电路一的过程一样。

这个电路中R3的作用是限制T2饱和时流过T2原边绕组的电流。

分析稳定工作时的状态，不难发现：

T2是个双向饱和的变压器，原边绕组的输入电压是个方波；

T1是功率变压器，为了减小磁损不能让它进入饱和，同时它还同时担负着给T2提供方波的责任。

正是因为T1没饱和，所以开关管Q1、Q2的损耗也会小很多，这个电路就可以提供更大功率输出。

电路的占空为1，当功率达到很大值时，由于Q1、Q2关断速度的原因，其中一个管子开通时另一个管子并没有完全截止，损耗会变得相当可观，有必要给驱动信号加上延时电路，以减小这种损耗。常用的有RC，RDC等，下图为典型的RDC延时电路（网络截图）

图上用RC延迟了其中一个开关管导通的时间，让另一个开关管有足够的时间关断，从而减轻开关损耗。二极管VD1和VD2的作用在于加速关断。

qinzutaim

2012-12-04 20:20

@qinzutaim

分析上述工作过程，发现这个电路变压器饱和时翻转，此时电流最大，而且三极管由饱和转为截止的过程较长，损耗大；同时变压器由正向饱和转到反向饱和，磁损也大。开关管的转换时间我们现在可以选择更快的MOS管，但是变压器双向饱和的问题只能在电路上加以改造。这个电路出现时并没有现在这么好的MOS管，因而直接应用这个变换器的电源都是些小功率的。为了得到更大的功率，前人在这个电路的基础上改进了一下，用一个小变压器工作在双向饱和区域作为驱动，用一个比较大的变压器作为功率转换，称之为改进型罗耶变换器，典型电路如下图：[图片] 对照上图，R1＝R2，R4＝R5，Q1＝Q2，电路也是理论上的对称状态，但是比上一个电路多了个驱动变压器，这个小变压器就得注意相位关系和同名端了，呵呵，不小心的话会出问题……由于Q1和Q2总会有一个先导通，由于正反馈的缘故，先导通的那个管子会进入饱和状态并保持一定时间，这个时间将由T2的状态确定，当T2进入饱和时电路将翻转，如同电路一的过程一样。这个电路中R3的作用是限制T2饱和时流过T2原边绕组的电流。分析稳定工作时的状态，不难发现：T2是个双向饱和的变压器，原边绕组的输入电压是个方波；T1是功率变压器，为了减小磁损不能让它进入饱和，同时它还同时担负着给T2提供方波的责任。正是因为T1没饱和，所以开关管Q1、Q2的损耗也会小很多，这个电路就可以提供更大功率输出。电路的占空为1，当功率达到很大值时，由于Q1、Q2关断速度的原因，其中一个管子开通时另一个管子并没有完全截止，损耗会变得相当可观，有必要给驱动信号加上延时电路，以减小这种损耗。常用的有RC，RDC等，下图为典型的RDC延时电路（网络截图）[图片] 图上用RC延迟了其中一个开关管导通的时间，让另一个开关管有足够的时间关断，从而减轻开关损耗。二极管VD1和VD2的作用在于加速关断。

为了对这类电路加深印象，本着从简的原则，综合上面电路图设计了一个试验用的小电路，如下图：

简单说明一下：

电路相当于改进型的罗耶变换器，T1和周边电路组成罗耶变换器的驱动部分，只不过它的初级绕组和正反馈绕组合二为一，通过C1、C2加速；为了方便调试，使用了两组晶体管，Q1、Q2和T1原边绕组组成的方波发生器，代替了由功率变压器的方波输出绕组，这样可以不用考虑原来与之关联的相位关系。

工作时T1会进入饱和区，因此串入R1限制电流。

T1和T2没有相位上的关联之后，T1的输出绕组也可以从简，只用一个绕组即可，而且也不用考虑相位；

T2和Q3、Q4组成功率变换部分；

R6、C3和R7、C4组成延时电路，降低开关翻转时的损耗；

D1和D2为信号的电流通道，不让电流反向流经功率开关管的BE结。

电源网-fqd

2012-12-05 09:41

@qinzutaim

为了对这类电路加深印象，本着从简的原则，综合上面电路图设计了一个试验用的小电路，如下图：[图片] 简单说明一下：电路相当于改进型的罗耶变换器，T1和周边电路组成罗耶变换器的驱动部分，只不过它的初级绕组和正反馈绕组合二为一，通过C1、C2加速；为了方便调试，使用了两组晶体管，Q1、Q2和T1原边绕组组成的方波发生器，代替了由功率变压器的方波输出绕组，这样可以不用考虑原来与之关联的相位关系。工作时T1会进入饱和区，因此串入R1限制电流。T1和T2没有相位上的关联之后，T1的输出绕组也可以从简，只用一个绕组即可，而且也不用考虑相位；T2和Q3、Q4组成功率变换部分；R6、C3和R7、C4组成延时电路，降低开关翻转时的损耗；D1和D2为信号的电流通道，不让电流反向流经功率开关管的BE结。

aczg01987

LV.10

2012-12-05 09:48

学习

aczg01987

LV.10

2012-12-05 09:49

PSR电路的原始模型是不是这样的呢？

junestar520

LV.9

2012-12-05 09:50

@电源网-fqd

[图片]

没看懂啊....

zhenxiang

LV.10

2012-12-05 09:59

@电源网-fqd

[图片]

我在入门时做的那些小的DC/DC模块就是用的这种方案。

qinzutaim

2012-12-05 15:10

@junestar520

没看懂啊....[图片]

不是吧，偶语言表达能力不怎么行，但还没有公式出现就这么糟糕了？

zhenxiang

LV.10

2012-12-05 16:55

@aczg01987

PSR电路的原始模型是不是这样的呢？

楼上PSR和这个的原理不一样，这个电路是固定占空比的，靠变压器匝比实现电压转换

junestar520

LV.9

2012-12-05 18:00

@qinzutaim

不是吧，偶语言表达能力不怎么行，但还没有公式出现就这么糟糕了？[图片]

我在好好消化消化，看不懂再请教楼主...

dxsmail

LV.11

2012-12-05 21:40

@qinzutaim

坐下听课。。。

qinzutaim

2012-12-06 20:35

@dxsmail

坐下听课。。。

不敢当！

现丑了……

布老虎

LV.6

2012-12-06 20:50

先占位置，慢慢学习

junestar520

LV.9

2012-12-06 21:18

@zhenxiang

我在入门时做的那些小的DC/DC模块就是用的这种方案。

hanhaifeng

LV.4

2012-12-07 15:03

@布老虎

先占位置，慢慢学习

不错，学习中

dxsmail

LV.11

2012-12-07 18:08

@qinzutaim

不敢当！现丑了……[图片]

哈，太谦虚。。。。

qinzutaim

2012-12-10 09:38

@qinzutaim

简要归纳一下设计过程，个人的方法，和书上的可能的点不同，有板砖的轻砸哦……

T1主要是驱动功率的选择，同时决定频率。

先看Q3、Q4的电参数，耐压400V，IC＝15A，最小HFE＝10，得到驱动电流最小为1.5A；

三极管为保证可靠驱动，一般驱动电压取5V，靠串入电阻限制驱动电流，还有效率的问题，因而驱动变压器应该能提供10W以上功率。

翻下抽屉里的磁芯，选了个EE22，截面积AE＝37平方毫米，就用它吧，呵呵，是选大了点，不过好绕线……

T1初级的电压理论上是个占空100%的方波，可以按变压器的公式进行计算，输入电压就是电源电压减去三极管饱和电压（取0.3V），约为（12-0.3）V，输出选5V；

但是这电压匝数不好算，还是取匝比为2：1好算，

这时的次级输出电压就变成（12-0.3）/2，约5.9V，电压比取的值高了点，不过驱动电流可以由电阻限制。

由方波变压器匝数的计算公式：Np =V*10⁸/(4*F*Bs*Ae)，

式中：

F：单位 Hz

Bs:单位Gs

Ae:单位Cm²

其中频率由自己设定，这里设定为10KHZ，因为磁芯饱和，BS取磁材的饱和磁通，和材质有关，具体看磁芯的规格书，对于一般材质取3900高斯，AE：磁芯的有效截面积，具体看规格书。

套入公式，得到初级每一边的匝数20，初级匝数10.

接下来计算功率变压器：

一、

先看一下2SC3320的饱和电压降，以便估计一下变压器初级能获得多少电压。规格书截图如下：

由图上得出，IC电流为10A时有约0.5V的压降，15A时有1V的压降。这里为了最大利用晶体管，取15A，压降1V，这样初级上约得到（12-1）V电压。

二、确定晶体管开通时间：

尽管加入了延时电路，但是图上的时间常数很小，可以忽略，仍然认为开通时间是周期的一半，10KHZ对应的周期是100微秒，晶体管开通时间就是50微秒。

三、计算变压器初级匝数：

按功率大小选变压器磁芯，得到磁芯截面积，用公式Np=Vin*Ton/(Bm*Ae)计算初级匝数，

式中Vin：变压器初级净输入电压，单位伏特；

Ton:晶体管开通时间，单位微秒；

Bm:变压器工作磁通，单位特斯拉；

Ae:变压器有效截面积，单位平方毫米。

这两个管子估计能出个150W左右功率，厂里用得最多的就是EER35，就用它吧，查规格书知道它的有效截面积107平方毫米，100摄氏度时饱和磁通约3900高斯，线性较好的部分在3300高斯以下，取其75%，约2500高斯，但磁芯是双向磁化，工作磁通为2500*2＝5000高斯，即0.5特斯拉。

套入公式，得到初级每边10匝，每匝伏数1.1V；

次级取220V，算出要绕202匝。

搭好电路进行测试，总体如下图：

qinzutaim

2012-12-10 11:15

@qinzutaim

简要归纳一下设计过程，个人的方法，和书上的可能的点不同，有板砖的轻砸哦…… T1主要是驱动功率的选择，同时决定频率。先看Q3、Q4的电参数，耐压400V，IC＝15A，最小HFE＝10，得到驱动电流最小为1.5A；三极管为保证可靠驱动，一般驱动电压取5V，靠串入电阻限制驱动电流，还有效率的问题，因而驱动变压器应该能提供10W以上功率。翻下抽屉里的磁芯，选了个EE22，截面积AE＝37平方毫米，就用它吧，呵呵，是选大了点，不过好绕线……T1初级的电压理论上是个占空100%的方波，可以按变压器的公式进行计算，输入电压就是电源电压减去三极管饱和电压（取0.3V），约为（12-0.3）V，输出选5V；但是这电压匝数不好算，还是取匝比为2：1好算，这时的次级输出电压就变成（12-0.3）/2，约5.9V，电压比取的值高了点，不过驱动电流可以由电阻限制。由方波变压器匝数的计算公式：Np=V*108/(4*F*Bs*Ae)，式中： F：单位Hz Bs:单位Gs Ae:单位Cm2其中频率由自己设定，这里设定为10KHZ，因为磁芯饱和，BS取磁材的饱和磁通，和材质有关，具体看磁芯的规格书，对于一般材质取3900高斯，AE：磁芯的有效截面积，具体看规格书。套入公式，得到初级每一边的匝数20，初级匝数10.接下来计算功率变压器：一、先看一下2SC3320的饱和电压降，以便估计一下变压器初级能获得多少电压。规格书截图如下：[图片] 由图上得出，IC电流为10A时有约0.5V的压降，15A时有1V的压降。这里为了最大利用晶体管，取15A，压降1V，这样初级上约得到（12-1）V电压。二、确定晶体管开通时间：尽管加入了延时电路，但是图上的时间常数很小，可以忽略，仍然认为开通时间是周期的一半，10KHZ对应的周期是100微秒，晶体管开通时间就是50微秒。三、计算变压器初级匝数：按功率大小选变压器磁芯，得到磁芯截面积，用公式Np=Vin*Ton/(Bm*Ae)计算初级匝数，式中Vin：变压器初级净输入电压，单位伏特； Ton:晶体管开通时间，单位微秒；Bm:变压器工作磁通，单位特斯拉；Ae:变压器有效截面积，单位平方毫米。这两个管子估计能出个150W左右功率，厂里用得最多的就是EER35，就用它吧，查规格书知道它的有效截面积107平方毫米，100摄氏度时饱和磁通约3900高斯，线性较好的部分在3300高斯以下，取其75%，约2500高斯，但磁芯是双向磁化，工作磁通为2500*2＝5000高斯，即0.5特斯拉。套入公式，得到初级每边10匝，每匝伏数1.1V；次级取220V，算出要绕202匝。搭好电路进行测试，总体如下图：[图片]

振荡部分：