《電子技術(shù)應(yīng)用》
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有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計(jì)方法
摘要: 有源鉗位正激變換器并非完美無(wú)缺,零電壓軟開(kāi)關(guān)特性也并非總能實(shí)現(xiàn),。因而,,在工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)該電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要,。本文針對(duì)有源鉗位正激變換器拓?fù)?,進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析,指出了該電路的局限性,,并給出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,。
Abstract:
Key words :

中心議題:

  • 正激有源鉗位" title="有源鉗位">有源鉗位變換器的工作原理
  • 靜態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

解決方案:

  • 儲(chǔ)能電容電壓及開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力
  • 增加勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)工作條件
  • 應(yīng)用磁飽和電感實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)工作的條件
  • 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法


1 引言

單端正激變換器" title="正激變換器">正激變換器拓?fù)?/a>" title="拓?fù)?>拓?fù)?/a>以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠,、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨(dú)立的離線(xiàn)式中小功率電源設(shè)計(jì)中,。在計(jì)算機(jī)、通訊,、工業(yè)控制,、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域,,這類(lèi)電源具有廣闊的市場(chǎng)需求,。當(dāng)今,節(jié)能和環(huán)保已成為全球?qū)哪茉O(shè)備的基本要求,。所以,,供電單元的效率和電磁兼容性自然成為開(kāi)關(guān)電源的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。而傳統(tǒng)的單端正激拓?fù)?,由于其磁特性工作在第一象限,,并且是硬開(kāi)關(guān)工作模式,決定了該電路存在一些固有的缺陷:變壓器體積大,,損耗大,;開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力高,開(kāi)關(guān)損耗大,;dv/dt和di/dt大,,emi問(wèn)題難以處理。

為了克服這些缺陷,提出了有源鉗位正激變換器拓?fù)?,從根本上改變了單端正激變換器的運(yùn)行特性,,并且能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)工作模式,從而大量地減少了開(kāi)關(guān)器件和變壓器的功耗,,降低了dv/dt和di/dt,,改善了電磁兼容性。因此,,有源鉗位正激變換器拓?fù)溲杆佾@得了廣泛的應(yīng)用,。

然而,有源鉗位正激變換器并非完美無(wú)缺,,零電壓軟開(kāi)關(guān)特性也并非總能實(shí)現(xiàn),。因而,在工業(yè)應(yīng)用中,,對(duì)該電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要,。本文針對(duì)有源鉗位正激變換器拓?fù)?,進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析,,指出了該電路的局限性,并給出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,。

2 正激有源鉗位變換器的工作原理

如圖1所示,,有源鉗位正激變換器拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單端正激變換器拓?fù)浠鞠嗤皇窃黾恿溯o助開(kāi)關(guān)sa(帶反并二極管)和儲(chǔ)能電容cs,,以及諧振電容cds1,、cds2,且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路,。磁飽和電感l(wèi)s用來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān),,硬開(kāi)關(guān)模式用短路線(xiàn)替代。開(kāi)關(guān)s和sa工作在互補(bǔ)狀態(tài),。為了防止開(kāi)關(guān)s和sa共態(tài)導(dǎo)通,,兩開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)間留有一定的死區(qū)時(shí)間。下面就其硬開(kāi)關(guān)工作模式和零電壓軟開(kāi)關(guān)工作模式分別進(jìn)行討論,。為了方便分析,,假設(shè):

1)儲(chǔ)能電容cs之容量足夠大以至于其上的電壓vcs可視為常數(shù);
2)輸出濾波電感l(wèi)o足夠大以至于其中的電流紋波可忽略不計(jì),;
3)變壓器可等效成一個(gè)勵(lì)磁電感l(wèi)m和一個(gè)匝比為n的理想變壓器并聯(lián),,并且初次級(jí)漏感可忽略不計(jì);
4)所有半導(dǎo)體器件為理想器件,。


2.1有源鉗位正激變換器硬開(kāi)關(guān)工作模式
硬開(kāi)關(guān)的有源鉗位正激變換器工作狀態(tài)可分為6個(gè)工作區(qū)間,,關(guān)鍵工作波形如圖2(a)所示。

 


[t0~t1]期間主開(kāi)關(guān)s導(dǎo)通,輔助開(kāi)關(guān)sa斷開(kāi),。變壓器初級(jí)線(xiàn)圈受到輸入電壓vin的作用,,勵(lì)磁電流線(xiàn)性增加,次級(jí)整流管導(dǎo)通并向負(fù)載輸出功率,。t1時(shí)刻,,主開(kāi)關(guān)s斷開(kāi)。

[t1~t2]期間負(fù)載折算到變壓器初級(jí)的電流io*和勵(lì)磁電流im給電容cds1充電和cds2放電,,電壓vds1迅速上升,。t2時(shí)刻,vds1上升到vin,,變壓器輸出電壓為零,,負(fù)載電流從整流管d3轉(zhuǎn)移到續(xù)流管d4。

[t2~t3]期間只有勵(lì)磁電流im通過(guò)lm,、cds1,、cds2繼續(xù)諧振,并在t3時(shí)刻vds1達(dá)到(vin+vcs),。輔助開(kāi)關(guān)sa的反并二極管d2導(dǎo)通,,勵(lì)磁電流給電容cs充電并線(xiàn)性減小,此時(shí),,可驅(qū)動(dòng)輔助開(kāi)關(guān)sa,。

[t3~t4]期間變壓器初級(jí)線(xiàn)圈受到反向電壓vcs的作用,勵(lì)磁電流由正變負(fù),。t4時(shí)刻,,sa斷開(kāi)。

[t4~t5]期間電容cds1,、cds2與lm發(fā)生諧振,,并在t5時(shí)刻電壓vds1下降到vin,變壓器磁芯完成磁恢復(fù),。

[t5~t0′]期間次級(jí)整流管導(dǎo)通,,變壓器次級(jí)繞組短路,給勵(lì)磁電流提供了通道,。在此期間,,vds1維持在vin,勵(lì)磁電流保持在-im(max),。t0′時(shí)刻,,主開(kāi)關(guān)s被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通,下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始,。

很明顯,,有源鉗位正激變換器的變壓器磁芯工作在一,、三象限,變換器工作占空比可超過(guò)50%,。由于電容cds1,、cds2的存在,開(kāi)關(guān)s和sa均能自然零電壓關(guān)斷,,而且sa能實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通,。但主開(kāi)關(guān)管s工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2.2有源鉗位正激變換器零電壓軟開(kāi)關(guān)模式
從上面的分析可明顯地看出,,當(dāng)變壓器勵(lì)磁電感l(wèi)m減小,,勵(lì)磁電流足夠大時(shí),[t5~t0′]期間勵(lì)磁電流除了能提供負(fù)載電流外,,剩余部分可用來(lái)幫助電容cds2,、cds1充放電。電壓vds1有可能諧振到零,,從而實(shí)現(xiàn)主功率開(kāi)關(guān)管s的零電壓軟開(kāi)通,。二極管d1可為負(fù)的勵(lì)磁電流續(xù)流。關(guān)鍵工作波形如圖2(b)所示,,具體的軟開(kāi)關(guān)條件將在下一節(jié)中詳細(xì)討論,。很顯然,軟開(kāi)關(guān)的代價(jià)是變壓器勵(lì)磁電流和開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電流峰值大幅增加,,開(kāi)關(guān)管及變壓器電流應(yīng)力和通態(tài)損耗明顯加大,。

2.3應(yīng)用磁飽合電感器實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)
為了克服上述零電壓軟開(kāi)關(guān)工作時(shí)電流應(yīng)力過(guò)大的缺點(diǎn),??梢栽谧儔浩鞔渭?jí)整流二極管上串聯(lián)一個(gè)磁飽和電感l(wèi)s,如圖1所示,。當(dāng)電壓vds1下降到vin時(shí),,[t5~t0′]期間磁飽和電感l(wèi)s瞬時(shí)阻斷整流二極管,使得變壓器勵(lì)磁電流不必負(fù)擔(dān)負(fù)載電流,,而可完全用來(lái)給電容cds2,、cds1充放電。這樣,,不必大量減小變壓器勵(lì)磁電感,,較小的勵(lì)磁電流就可以保證電壓vds1諧振到零,實(shí)現(xiàn)主功率開(kāi)關(guān)管的零電壓軟開(kāi)通,。關(guān)鍵工作波形如圖2(c)所示,。

3 靜態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

3.1儲(chǔ)能電容電壓及開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力
根據(jù)磁芯伏-秒平衡原則,可得式(1)

式中:vin為輸入直流電壓,;vo為輸出電壓,;d為主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通占空比,;ts為開(kāi)關(guān)周期;n為變壓器匝比,。

因此,,主開(kāi)關(guān)s和輔助開(kāi)關(guān)sa承受的最大電壓應(yīng)力均為vds:

上式說(shuō)明,當(dāng)變壓器匝比愈小時(shí),,對(duì)于一定的輸入電壓和輸出電壓的變換器,,開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力vds愈小。所以,,有源鉗位正激變換器一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可以降低開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力,,從而可選用額定電壓較低、通態(tài)電阻較小的功率開(kāi)關(guān)管,。另外,,當(dāng)變壓器變比n確定后,開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力僅與占空比有關(guān),,如圖3所示,。顯然,當(dāng)占空比為0.5時(shí),,開(kāi)關(guān)管承受最小的電壓應(yīng)力,。當(dāng)輸入電壓變化時(shí),如果將占空比設(shè)計(jì)運(yùn)行在以0.5為中心的對(duì)稱(chēng)范圍內(nèi),,則可使開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力基本保持恒定,。

3.2增加勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)工作條件
從開(kāi)關(guān)sa斷開(kāi)到電壓vds1諧振至零的過(guò)程,即工作區(qū)間[t4~t5]和[t5~t0′],。要實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)s零電壓軟開(kāi)通,,其導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)延遲時(shí)間必須大于以上兩區(qū)間之和。


[t4~t5]期間等效電路如圖4所示,。相應(yīng)的電路微分方程是:

微分方程的解為:




3.3應(yīng)用磁飽和電感實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)工作的條件
當(dāng)輔助開(kāi)關(guān)sa斷開(kāi)后,,由于磁飽和電感l(wèi)s瞬間相當(dāng)于開(kāi)路,因此變壓器勵(lì)磁電流可完全用來(lái)對(duì)cds2和cds1充放電,。[t4~t5],、[t5~t0′]期間,等效電路同圖4,。顯然,,令式(21)和(24)中io*或io為零,即可得到主開(kāi)關(guān)管零電壓導(dǎo)通的能量條件和時(shí)間條件,,im(max)≥cdsωvin,,即:

死區(qū)延遲時(shí)間,意味著pwm變換器有效占空比的損失,。為了盡量減小有效占空比的損失,,則k必須加大,。另一方面,變換器開(kāi)關(guān)頻率fs愈高,,則為保持相同的有效占空比,,k至少應(yīng)保持不變,即諧振頻率ω應(yīng)與開(kāi)關(guān)頻率fs成比例增加,。圖6給出了軟開(kāi)關(guān)所需要的死區(qū)時(shí)間td和最大勵(lì)磁電流im(max)與k的關(guān)系曲線(xiàn),。從圖中明顯看出,采用加大勵(lì)磁電流的方法實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)和采用磁飽和電感器比較,,要求的k較大,,因而有較大的勵(lì)磁電流損耗;另外,,從式(15)看出,,開(kāi)關(guān)頻率愈高,電流峰值也愈高,,變壓器的銅耗和開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗也愈大,。因此,軟開(kāi)關(guān)有源鉗位正激變換器工作頻率不宜太高,。


3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
對(duì)一給定技術(shù)指標(biāo)的dc/dc變換器,,其具體參數(shù)為:輸入電壓范圍vin(min)~vin(max),輸出電壓vo,,輸出功率po,,開(kāi)關(guān)頻率fs。設(shè)計(jì)步驟如下:

1)根據(jù)輸出功率po,、開(kāi)關(guān)頻率fs選定變壓器磁芯材料,,得到相應(yīng)的磁芯截面積ae,飽和磁密bs,,窗口面積aw等,。設(shè)定最大交變磁密δb。
2)確定最大電壓應(yīng)力vds及降額系數(shù)k1,。
3)據(jù)式(27)、(28)求出變壓器匝比n和最大,、最小占空比dmax,、dmin,及正常占空比dnorm,。

5)求出開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力vds,,選定主開(kāi)關(guān)s和輔助開(kāi)關(guān)sa的額定電壓及確定諧振電容cds1和cds2。
6)設(shè)定死區(qū)延遲時(shí)間td,,針對(duì)不同的軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)方法,,分別從式(21),、(24)或(25)、(26)求出所需的系數(shù)k,。
7)根據(jù)式(14)和(12)求出諧振頻率ω及變壓器初級(jí)勵(lì)磁電感量lm,。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用上述設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)1臺(tái)用于通訊設(shè)備的ac/dc變換器電源,。具體技術(shù)指標(biāo)為:
輸入電壓viac140v~280v
輸出電壓vodc12v
輸出功率po150w
功率因數(shù)λ>0.95
效率η>0.80

采用常規(guī)的boost變換器進(jìn)行功率因數(shù)校正,,滿(mǎn)足功率因數(shù)大于0.95的指標(biāo)要求,且得到dc440v的直流電壓,??紤]到電源保持時(shí)間要求,設(shè)定有源鉗位dc/dc變換器輸入電壓工作范圍為dc330~450v,,開(kāi)關(guān)頻率為100khz,,即ts=10μs,vinmax=450v,,vinmin=330v,,vinnorm=440v。為提高效率,,有源鉗位dc/dc變換器采用了同步整流技術(shù),,設(shè)計(jì)結(jié)果如下:

1)選擇磁芯材料為tdk,pc40,,eer40,,ae=1.49cm2,bs=450mt,,取δb=300mt,。
2)設(shè)定開(kāi)關(guān)管最大電壓應(yīng)力為900v,降額系數(shù)k1為0.9,。
3)求出變壓器匝比n,,最大、最小占空比dmax,、dmin,,及正常占空比dnorm
考慮整流管壓降和輸出電感損耗,取vo為13v,,據(jù)式(27),、(28)求出:n≤15,取n=13.3,。則:dmax=0.524,,dmin=0.384,dnorm=0.393,。
4)據(jù)式(29),、(30)求出變壓器初次級(jí)匝數(shù)n1,,n2分別為40匝和3匝。
5)據(jù)式(3),,求出當(dāng)占空比為0.384時(shí),,開(kāi)關(guān)管承受最大的電壓應(yīng)力731v。s和sa可選900v之功率場(chǎng)效應(yīng)管,。等效漏源并聯(lián)電容cds1為330pf,,cds2為200pf,所以cds為530pf,。
6)設(shè)定死區(qū)時(shí)間td為350ns,,采用磁飽和電感方法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。則據(jù)式(26)求出k為15.4,。
7)據(jù)式(14)和(12)求出諧振頻率ω為1.54mhz,,變壓器勵(lì)磁電感l(wèi)m為800μh。

圖7(a),、7(b),、7(c)給出了實(shí)測(cè)的主開(kāi)關(guān)管工作電壓、電流波形,。圖7(a)顯示主開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài),。圖7(b)和圖7(c)分別是采用增加勵(lì)磁電流方法和應(yīng)用磁飽和電感器方法實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)的電壓電流波形,后者明顯地降低了勵(lì)磁電流和開(kāi)關(guān)管電流的峰值,。實(shí)測(cè)波形與理論分析完全一致,。圖8、9顯示出了實(shí)測(cè)的效率曲線(xiàn),。從圖9中看出,,當(dāng)變換器開(kāi)關(guān)頻率增加時(shí),變壓器勵(lì)磁電流損耗和開(kāi)關(guān)管通態(tài)損耗所占比重增加,,變換器效率降低了,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。



5 結(jié)語(yǔ)

有源鉗位正激拓?fù)浞浅_m合中小功率的dc/dc變換器電源設(shè)計(jì),。零電壓軟開(kāi)關(guān)條件是變壓器勵(lì)磁電感和諧振電容的諧振頻率必須足夠大,,并且有足夠的勵(lì)磁電流儲(chǔ)能。其代價(jià)是變壓器勵(lì)磁電流損耗和功率開(kāi)關(guān)管通態(tài)損耗加大,,并隨工作頻率提高而加劇,。因此該變換器拓?fù)涔ぷ黝l率受到限制。采用磁飽和電感可以改善電流應(yīng)力過(guò)大的缺點(diǎn),。本文給出了有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計(jì)方法。一臺(tái)應(yīng)用于通訊設(shè)備,,寬范圍輸入電壓的150w電源被設(shè)計(jì)出來(lái),,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了理論分析,。

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