《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Saber的有源箝位反激電路設(shè)計與仿真
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
李志軍,秦曉雪,,張軒濤,,劉漢征,,劉 爽
河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與控制工程學(xué)院,,天津300130
摘要: 簡述了反激變換器的電路結(jié)構(gòu)及原理,,提出了有源箝位反激電路,,并對其工作過程進行了分析討論,。在此基礎(chǔ)上對有源箝位反激電路的關(guān)鍵器件的參數(shù)進行了理論設(shè)計,。基于Saber軟件搭建了仿真模型,,對分析結(jié)果進行仿真驗證,。仿真結(jié)果表明,引入有源箝位電路后,,不僅使得隔離變壓器漏感引起的能量傳輸損失得到了充分利用,,而且使主輔功率開關(guān)器件實現(xiàn)軟開關(guān),有效地降低了功率開關(guān)器件電壓應(yīng)力和開關(guān)損耗,,使得變換器的效率和可靠性得到了進一步提升,。
中圖分類號: TP391.9
文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.03.039
中文引用格式: 李志軍,秦曉雪,,張軒濤,,等. 基于Saber的有源箝位反激電路設(shè)計與仿真[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(3):141-143,,150.
英文引用格式: Li Zhijun,Qin Xiaoxue,,Zhang Xuantao,,et al. Design and simulation of active clamp flyback circuit by Saber[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(3):141-143,,150.
Design and simulation of active clamp flyback circuit by Saber
Li Zhijun,Qin Xiaoxue,,Zhang Xuantao,,Liu Hanzheng,Liu Shuang
Hebei University of Technology,,Control Science and Engineering Academy,,Tianjin 300130,China
Abstract: This paper sketches the circuit′s structure and principle of the flyback converter, and aimed at the existing problems, it puts forward the active clamp flyback circuit. Also, its working process is analyzed and discussed. On that basis, it has designed the parameters of the key devices in the active clamp flyback circuit. Finally, it builds the simulation model based on the Saber software to verify the analysis results. The simulation results show that if we introduce the active clamp circuit, it can not only make full use of the energy transmission loss caused by the leakage inductance of isolation transformer, but also can make the main and auxiliary power switch devices realize the ZVS, and it effectively reduces the voltage stress and switching loss of power switch devices. At last it further enhances the efficiency and reliability of the converter.
Key words : flyback converter,;switch loss,;active clamp;simulation

0 引言

    反激變換器具有電路拓撲簡單,、成本低,、電磁干擾小等優(yōu)點,,但是沒有對變壓器的漏感能量進行處理,從而導(dǎo)致開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力增大,、開關(guān)管損耗增加和變換器效率降低,,針對反激變換器存在的這些問題,有效的解決方法是引進箝位技術(shù)[1-2],,將變壓器漏感儲能輸送到變換器輸出端,,減小功率管漏源級的電壓應(yīng)力。通常采用的箝位方式有:LCD箝位技術(shù),、RCD箝位技術(shù)和有源箝位技術(shù),,其中反激變換器采用有源箝位技術(shù)時,綜合性能最優(yōu)[3],。

1 反激變換器工作原理和工作模式

    圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu)為反激變換器電路,,其中變壓器T不僅起到隔離的作用,還可以等效為電感,,具有儲能的作用,。功率管Q1在驅(qū)動信號為高電平時導(dǎo)通,此時,,有電流通過變壓器原邊繞組Np,,輸出二極管Do反向截止,變壓器原邊磁感應(yīng)強度增強,,儲存能量,;副邊繞組Ns中無電流流過,輸入端的能量不能傳送到負載,,輸出濾波電容Co為負載提供能量,。當(dāng)功率管Q1為關(guān)斷狀態(tài)時,變壓器釋放儲能,,輸出整流二極管Do導(dǎo)通,,原邊繞組中儲存的能量通過副邊繞組給負載提供能量,同時為負載側(cè)輸出濾波電容Co充電[4],。

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    根據(jù)變壓器磁通的連續(xù)性,,反激變換器主要有兩個工作模式:連續(xù)電流模式(CCM)和斷續(xù)電流模式(DCM)[5]

    反激變換器工作在連續(xù)電流模式(CCM)時,,功率管在下一次導(dǎo)通時刻,變壓器的副邊電流還沒有減少到零,,因此變壓器的原副邊兩個繞組中總有一個繞組是有電流流過的,。

    反激變換器工作在斷續(xù)電流模式(DCM)時,可以實現(xiàn)變壓器能量的完全傳遞,。DCM模式下反激變換器的響應(yīng)會更快,,而且負載電流突變或者輸入電壓突變時引起的輸出電壓的尖峰會降低,。在下一次開通時,變壓器副邊輸出整流二極管中流過的電流已經(jīng)降到零,,所以整流二極管實現(xiàn)零電流關(guān)斷,,其損耗降低。但是當(dāng)傳遞的功率相等時,,DCM模式下,,其尖峰電流會更大,變壓器原副邊的損耗也會增大,。

2 有源箝位反激電路工作過程分析

    在反激電路中引入有源箝位技術(shù),,可以抑制功率管漏源級的尖峰電壓,回收利用變壓器的漏感能量[6-7],。有源箝位反激變換器的主電路如圖2所示,。

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    該箝位電路采用PMOS對地箝位方式,所需元器件少,,電路結(jié)構(gòu)簡單,。整體箝位電壓dy2-t2-x1.gif有源箝位電路一個開關(guān)周期內(nèi)有6個階段,波形如圖3,,按等效電路圖法對有源箝位電路工作過程進行分析,。

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    第一階段[t0-t1]:在t0時刻,主功率管Q1處于開通狀態(tài),,輔助功率管Q2處于關(guān)斷狀態(tài),。變壓器諧振電感Lk和激磁電感Lm開始儲存能量,Lk中的電流開始線性上升,。輸出二極管Do反向偏置,,輸出電容Co為負載提供能量。

    第二階段[t1-t2]:輔助功率管Q2保持關(guān)斷狀態(tài),,在t1時刻,,關(guān)斷主功率管Q1。變壓器原邊勵磁電流通過諧振的方式給Q1的結(jié)電容Cr充電,,Lk中的電流開始下降,。Q1漏源級電壓Vds_Q1快速上升,Q2漏源極電壓Vds_Q2下降,。當(dāng)Vds_Q1達到最大值時,,該階段結(jié)束。

    第三階段[t2-t3]:在t2時刻,,Vds_Q1被箝位在dy2-t3-x1.gifQ2體二極管導(dǎo)通,。變壓器原邊能量通過反激輸出二極管Do向副邊傳遞,給負載供電,。由于箝位電容Cc的大小遠大于Q1結(jié)電容大小,,所以勵磁電流幾乎全部流過Cc,,給Cc充電,Cc電流迅速達到最大值,,然后緩慢下降,。Lk電流繼續(xù)下降。Lk與Cc形成諧振,。

    第四階段[t3-t4]:在t3時刻,,Q2開通,由于其體二極管已經(jīng)是導(dǎo)通狀態(tài),,故Q2可以實現(xiàn)零電壓開通,。隨著充電的進行,Lk電流下降,,Cc電流下降,,當(dāng)dy2-t3-x2.gif時,該過程結(jié)束,。

    第五階段[t4-t5]:在t4時刻,,Cc中電流為零,Q2的反向并聯(lián)二極管截止,,Q2導(dǎo)通,,Cc中電流(諧振電流)開始反向增加。Cc釋放能量,,此時Do仍處于導(dǎo)通狀態(tài),,所以實現(xiàn)了漏感能量的回收利用。

    第六階段[t5-t6]:在t5時刻,,Q2關(guān)斷,,強迫電流換流,流經(jīng)Q1結(jié)電容Cr,,Lk與Cr諧振,,Cr放電,Q1漏源極電壓迅速下降,,此期間Do導(dǎo)通,,原邊能量繼續(xù)傳給副邊。t6時刻,,Vds_Q1減小到零,,Q1零電壓開通,重復(fù)上述過程[8-9],。

3 有源箝位反激電路參數(shù)設(shè)計

    電路設(shè)計規(guī)格如下:最大輸入電壓Uin max=375 V,,最小占空比Dmin=0.2,開關(guān)頻率fs=50 kHz,,輸出電壓Uo=24 V,,輸出功率Po=100 W。

3.1 變壓器參數(shù)設(shè)計

    變壓器副邊電感L兩端的電壓UL(副邊電壓的紋波系數(shù)按10%考慮):

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3.2 激磁電感Lm與諧振電感Lk

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3.3 箝位電容Cc與主功率管結(jié)電容Cr

    箝位電容Cc的取值原則:Cc與Lk的半個諧振周期應(yīng)大于主功率管Q1截止時間,,即:

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    為了使主功率管Q1實現(xiàn)零電壓開通,,要求諧振電感Lk與主功率管結(jié)電容Cr諧振周期的四分之一大于或等于輔助功率管Q2關(guān)斷時間與主功率管Q1開通時間的時間間隔Td,即:

    dy2-gs12.gif

3.4 輸出濾波電容Co

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其中,,ΔUo為輸出電壓紋波,。

4 仿真驗證

    Saber是美國Analogy公司開發(fā)的一款功能強大的系統(tǒng)仿真軟件,兼容模擬,、數(shù)字,、控制量的混合仿真。本文在分析有源箝位反激變換器工作原理的基礎(chǔ)上,,使用Saber軟件進行仿真驗證,。鑒于本文僅對有源箝位反激變換器主拓撲電路進行分析研究,所以為了敘述簡單,,僅搭建了一個開環(huán)控制電路,,但不影響對電路特性的分析和判斷。

    主電路設(shè)計參數(shù)如下:Lm=253 μH,,Cc=360 nF,,Cr=16 nF,Co=140 μF,,L=9.6 μF,,Rz=4.8 Ω。

    基于Saber分別對反激電路和有源箝位反激電路進行仿真,。反激電路的仿真結(jié)果如圖4所示,。從圖中可以得知:主功率管Q1承受的電壓應(yīng)力較大,最大值為Vds_Q1=698 V,。主功率管Q1不是零電壓開通,,其漏源極電壓的尖峰很大而且高頻振蕩比較嚴(yán)重。主功率管Q1的瞬時損耗為Ploss_Q1=98 W,。

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    有源箝位反激電路仿真結(jié)果如圖5,、圖6所示。從圖5中可以得知:相比于反激電路,,有源箝位反激電路中,,變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰被消除了,功率管電壓應(yīng)力明顯降低,。最大值為Vds_Q1=570 V,。主功率管Q1的瞬時損耗為Ploss_Q1=1.84 W,而且主開關(guān)Q1實現(xiàn)了零電壓開通和關(guān)斷,,主功率管損耗明顯降低,。

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    圖6顯示:輔助功率管Q2的瞬時損耗為Ploss_Q2=2.54 W,。輔助功率管Q2也實現(xiàn)了零電壓開通(ZVS)。  

5 結(jié)論

    本文通過對有源箝位反激電路工作過程的分析,,設(shè)計了該電路關(guān)鍵器件的參數(shù),,最后通過Saber軟件進行仿真比較并驗證分析結(jié)果,仿真結(jié)果表明:針對傳統(tǒng)反激變換器存在的缺點,,把有源箝位技術(shù)應(yīng)用于反激變換器中,,可以實現(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)(ZVS);抑制功率管的電壓尖峰,在375 V的直流供電回路中,,主功率管Q1漏源級電壓降低了128 V,,主功率管Q1的瞬時損耗降低了96.16 W。仿真結(jié)果與分析結(jié)果一致:有源箝位技術(shù)可以降低反激變換器的損耗,,提高反激變換器的效率,。

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