吴炳娇

（上海矽睿半导体科技有限公司，上海201800）

单端反激电路在适配器中的应用及其在SIMetrix下的仿真

吴炳娇

（上海矽睿半导体科技有限公司，上海201800）

摘要：基于MOSFET的单端反激式拓扑电路原理，讨论了由单端反激电路组成的开关电源在SIMetrix下建立的仿真电路，并进行了仿真研究。为了进行对比分析，结合开关电源在适配器中的实际应用电路，搭建了开关电源实验电路，用示波器检测了核心器件MOSFET在工作过程中两端的电压和电流波形，并将仿真结果和实验结果进行了对比，证明了此仿真电路的可行性。根据仿真参数的变化，可以优化单端反激电路开关电源各器件的参数。

关键词：金属氧化物场效应晶体管；变压器；单端反激；开关电源；适配器；SIMetrix

1　引言

任何一种拓扑结构都是基于一个或者多个电力电子器件，并结合控制电路、滤波电路、保护电路等构成。随着电力电子技术的发展，单端反激电路因其结构简单、效率高等优点而被广泛应用于小功率输出的场合，尤其作为中小型充电器、DVD播放器、开关电源等的主拓电路而获得广泛应用。单端反激电路因其不需要磁通复位装置的去磁电阻，且结构简单，易于实现，因此它被广泛应用于开关电源中。本文针对由Buck电路延伸来的单端反激基本变换电路，对其进行原理分析和建模仿真，并对其在适配器中的实际应用进行研究。

2　单端反激变换电路的特点及其理论基础

不同材质的铁芯用于不同的工作频率下，对于单端反激电路中的变压器，归根到底是开关电源类的应用，变压器需在高频状态下工作。由于铁氧体材料有很好的储能和抑制信号传输过程中尖峰和振铃的作用，因此被广泛用作高频状态下变压器的铁芯。常规铁氧体的工作频率是十kHz量级至百kHz量级，其低频下的特性不如硅钢片，但普通硅钢片的最高工作频率不超过400Hz。铁氧体无法工作于数十赫兹的工频下，所以无法用它来做工频变压器。开关电源上的铁氧体高频变压器很小且匝数很少，其本质原因在于铁氧体的磁通量很大，理论上如果磁芯的磁通量趋于无穷，线圈的匝数可以趋于零。

开关电源中的铁氧体芯变压器，一般不能将磁通密度用到饱和，经常只用到饱和磁通密度的几分之一。这是因为磁通密度用到饱和时铁损太大，变压器温度会太高。即使变压器散热很好，也有启动时的暂态过程问题，不能用到接近饱和。在实际应用中单端反激变压器具有储存能量和隔离的作用，是拓扑结构元件的重要组成部分。

单端反激电路的一个最明显的特点是不需要考虑磁通复位原则，但这并不代表没有磁通复位电路，反激也存在磁芯复位电路。在MOS关断期间,输出电压感应到原边的反射电压就是复位电压，只不过复位电路用的是原边的绕组。

变压器磁芯中的磁通在开关管T导通期间，随原边绕组的增大而增大，在T截止期间随副边绕组中电流的减小而减小。如果在每一个周期结束时，磁通大于这个周期开始时的磁通大小，则它将随着周期的重复而逐渐增加，工作点逐渐上移，使励磁电流增大，磁芯饱和，变压器工作不能正常进行，造成开关的损坏。因此在每个周期结束时变压器磁芯中的磁通必须回归到原来的位置，这就是磁通复位原则。单端反激变换器不需要专门的去磁绕组，电路简单。当变压器磁饱时就相当于变压器被短路了，就不能实现电-磁-电的转换，所以它就不能带负载工作了。

单端反激电路最大的限制就是输出功率有限制，一般只有几十瓦到一百瓦，其限制原因在其拓扑结构上，因为输出功率取决于通过变压器原边的电流峰值，也即变压器能够存储的能量，而电流峰值又跟原边的电感量、开关频率、占空比等因素有关。如果想把电源的功率做得很大，那么变压器的原边线圈的电感量会跟分布参数（比如漏感量）相近，最后没有办法绕制成一个合适的变压器来。因此Flyback一般应用在设计功率在100W以内的场合，根据电路的特点，选用耐压较小的功率器件，一般是选用MOSFET。这里占空比比较小，不是因为磁通复位，而是由于开关管的耐压值的限制，由于MOSFET的承受电压=US+n*U0，也就是说MOSFET所能承受的电压与输出电压有关，而输出电压又与占空比有关，所以一般考虑管子的耐压，会限制占空比的大小，一般占空比会在0.5左右。

3　反激变换电路的三种工作模式

单端反激变换器的电路如图1所示，单端反激变换器和Buck电路一样也存在电流连续、电流断续和电流临界连续三种工作模式。这里的电流指的是变压器原边和副边电流，也称作磁化电流。要分析它的三种工作模式，我们以经常使用的功率器件MOSFET为例进行分析。不同工作模式下涉及到变压器和MOSFET的一些寄生器件。次级电流在MOSFET没有打开之前已经归零，就是断续模式，反之为连续模式，当触发脉冲使MOSFET开通时，恰好次级电流变为0，那么就是临界连续模式。

图1　包含变压器、MOSFET、二极管寄生器件的单端反激电路

MOSFET关断的时候，初级电流会给Coss充电。当已经关断时，初级的线圈会阻碍电流变小，此时会给MOSFET的Coss充电，初级电感会感应出下正上负的电动势，次级电压变为上正下负，二极管会导通但还未能导通。当充电的电压超过了输入电压与次级输出电压感应到初级电压之和时，二极管才会导通，励磁电感上的电压才会降到了nV0。这是因为，在次级二极管阴极的电压是与输出电压相同的，由于初级电感上的电流不能突变则会通过MOSFET上端产生很大的电压，Ui=Ldi/dt。由于开关的瞬间关断会使电流变化很大，会产生很大的尖峰电压。所以根本原因是二极管的阴极与电容相连，使二极管阳极的电压必须大于V0时二极管才会导通。Lk1和Coss之间的振荡发生在开关管关断时候，由于Lk1上的电压不会突变，但会产生下正上负的电动势。

图2　单端反激电路的仿真模型

图3　连续工作模式下的MOSFET两端电压输出仿真波形

图4　断续工作模式下的MOSFET两端电流输出仿真波形

4　单端反激电路在SIMetrix下的仿真分析及电压、电流检测

在SIMetrix下建立单端反激电路的仿真模型，其主要包括变压器、核心功率器件MOSFET及其控制模块等，其保护和检测电路仿真模型如图2所示。图中一个PROBE测量点在MOSFET的D极测量电压，另一个PROBE测量点在S极分别测量MOSFET两端的电压和电流。仿真波形如图3、图4所示。

在实际应用中，单端反激电路主要应用于小功率的拓扑结构电路中，比如电脑适配器中。实际应用中会着重关注MOSFET的开通和关断过程，也就是一次和二次侧换流过程中与MOSFET本身的寄生器件的谐振电路。在现有条件下，我们利用示波器对适配器中应用于单端反激电路的MOSFET两端的电压与电流进行测试。实际测试波形如图5、图6所示。

图5　连续工作模式下MOSFET两端的电压波形

图6　断续工作模式下MOSFET两端的电流波形

通过对适配器的测试波形与仿真波形对比可知，在SIMetrix下搭建的仿真模型是正确的，单端反激电路在断续和连续工作模式下与理论分析是一致的，利用控制核心器件MOSFET的导通和关断来控制其两端的电压和电流是有效和可行的。

5　结束语

Flyback电路有很多种形式，本文所讨论的是Flyback最基本的一个电路。本文结合Flyback的基本原理对整个电路建立了仿真模型，并结合MOSFET在适配器中的实际应用，用示波器测量了不同工作状态下MOSFET两端的电压和电流，通过仿真波形对比和分析，表明在SIMetrix下搭建仿真模型是正确的，这为以后单端反激电路多种拓扑结构的设计和参数改进奠定了基础。

参考文献：

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［5］王旭光，房绪鹏.电力电子技术［M］.东营：中国石油大学出版社，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

中图分类号：TM13；TP211＋.51

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）05—0038—03

作者简介：

吴炳娇，天津宁河县人，中共党员，硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术与电力传动技术。

收稿日期：2015－04－30