正激變換器中有源鉗位復(fù)位電路的分析

1標(biāo)準(zhǔn)rcd鉗位開(kāi)關(guān)nf開(kāi)關(guān)-開(kāi)放系統(tǒng)以保護(hù)由于其簡(jiǎn)單的易于操作，正激變換器廣泛應(yīng)用于電源行業(yè)。然而，當(dāng)開(kāi)關(guān)壓塞關(guān)閉時(shí)，變量必須重新配置。傳統(tǒng)的復(fù)位方法包括:使用第三個(gè)復(fù)位繞組、RCD鉗位電路以及無(wú)損LCD緩沖器。采用第三個(gè)復(fù)位繞組,變壓器的磁場(chǎng)能量可以無(wú)損地回饋電網(wǎng)。缺點(diǎn)在于:①M(fèi)OSFET上的電壓應(yīng)力典型值為2.6Uin,max,一般認(rèn)為這樣的電壓應(yīng)力比較高。②復(fù)位繞組增加了電路的復(fù)雜性,變壓器的成本相應(yīng)提高。③占空比d低于50%,不適合寬范圍輸入電壓。無(wú)損LCD緩沖器把磁場(chǎng)能量和漏磁能量回饋給電網(wǎng),可以獲得高效率。然而,開(kāi)關(guān)頻率fs>30kHz時(shí),LC諧振電流太大使得導(dǎo)通損耗增加。因此這種方法通常用于fs=20kHz,且當(dāng)輸入電壓高的時(shí)候,電感的體積太大。要求低設(shè)計(jì)成本時(shí),RCD鉗位是一個(gè)很好的選擇。其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,占空比d可以大于50%,低電壓應(yīng)力等等。然而鉗位電阻R消耗功率,功率損耗不僅降低效率,而且?guī)?lái)了散熱設(shè)計(jì)問(wèn)題。和傳統(tǒng)的復(fù)位方法比較,有源鉗位方法有許多優(yōu)點(diǎn):①變壓器雙向?qū)ΨQ磁化,工作在B-H回線的第一和第三象限,變壓器得到充分利用,占空比可大于0.5,開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力低,適合于輸入電壓范圍比較寬的應(yīng)用場(chǎng)合。②鉗位開(kāi)關(guān)管是零電壓開(kāi)關(guān)。③勵(lì)磁能量和漏感能量全部回饋電網(wǎng)。有源鉗位也有缺點(diǎn):主開(kāi)關(guān)S1是硬開(kāi)通的,因此存在開(kāi)通損耗。圖1為有源鉗位拓?fù)?由鉗位電容C1,鉗位開(kāi)關(guān)管S2組成。這個(gè)電路有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):首先,開(kāi)關(guān)的電壓容差降低了,第二,變壓器得以復(fù)位。同步整流管減少了傳統(tǒng)上使用肖特基二極管整流時(shí)的導(dǎo)通壓降。采用了自驅(qū)機(jī)制,可以減少由于使用MOSFETs(S3,S4)所引入的復(fù)雜性。2常用的低通插裝閥工作波形為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)輸出濾波電感Lf足夠大,可以用一個(gè)恒流源I0表示。假設(shè)所有的半導(dǎo)體器件都是理想的。變壓器等效為勵(lì)磁電感Lm(漏電感忽略)和匝數(shù)比為n=Np/Ns的理想變壓器,如圖2所示。僅僅考慮有源開(kāi)關(guān)S1的漏極和源極之間的電容CS,其他的寄生參數(shù)忽略。輔助開(kāi)關(guān)S2僅僅考慮反并聯(lián)二極管,而其他寄生參數(shù)忽略。得到有源鉗位正激變換器的等效電路,如圖2所示。圖3給出了主要的工作波形。下面把一個(gè)開(kāi)關(guān)周期TS分為7個(gè)開(kāi)關(guān)模態(tài)進(jìn)行分析,如圖4所示。2.1s1開(kāi)啟情況下開(kāi)關(guān)電流及其勵(lì)磁電流成接力t0時(shí)刻主開(kāi)關(guān)S1開(kāi)啟,它是硬開(kāi)通,存在開(kāi)通損耗。在變壓器輔助繞組S3上的感應(yīng)電壓開(kāi)啟S3,S2處于關(guān)閉狀態(tài),功率通過(guò)變壓器傳輸?shù)蕉蝹?cè)。同時(shí),正的輸入電壓Uin施加在變壓器一次側(cè),勵(lì)磁電流iM從IM-開(kāi)始線性增加。S1開(kāi)啟時(shí),開(kāi)關(guān)電流iS1等于一次側(cè)電流ip和勵(lì)磁電流iM之和。勵(lì)磁電流和一次側(cè)電流分別為iΜ(t)=ΙΜ(-)+UinLΜ(t-t0)(1)iS1=Ι0n+iΜ(t)=Ι0n+ΙΜ(-)+UinLΜ(t-t0)(2)iM(t)=IM(?)+UinLM(t?t0)(1)iS1=I0n+iM(t)=I0n+IM(?)+UinLM(t?t0)(2)t1時(shí)刻,勵(lì)磁電流為iΜ(t1)=ΙΜ(-)+UinLΜ?t01(3)iM(t1)=IM(?)+UinLM?t01(3)t01是開(kāi)關(guān)S1的開(kāi)啟時(shí)間Ton,S1的開(kāi)關(guān)周期是TS,占空比是Dy,則有t01=Τon=Dy?ΤS(4)t01=Ton=Dy?TS(4)2.2兩端電壓及耦合S1在t1時(shí)刻被零電壓關(guān)斷時(shí),S3繼續(xù)導(dǎo)通。此時(shí)折算到一次側(cè)的負(fù)載電流I0/n和勵(lì)磁電流iM同時(shí)給主開(kāi)關(guān)的結(jié)電容CS充電。因?yàn)槌潆婋娏飨喈?dāng)大,而CS相對(duì)較小,這個(gè)過(guò)程可以當(dāng)作一個(gè)線性充電階段。US1很快上升到Uin。結(jié)電容兩端電壓為UCS(t)=1CS?Ι0n?(t-t1)(5)UCS(t)=1CS?I0n?(t?t1)(5)勵(lì)磁電流為iΜ(t)=iΜ(t1)+UinLΜ(t-t1)-12LΜCS?Ι0n(t-t1)2(6)iM(t)=iM(t1)+UinLM(t?t1)?12LMCS?I0n(t?t1)2(6)t2時(shí)刻,當(dāng)CS電壓上升到輸入電壓Uin,模態(tài)2結(jié)束。持續(xù)時(shí)間是t12=nCSUin/Ι0(7)t12=nCSUin/I0(7)這時(shí),勵(lì)磁電流達(dá)到了最大值IM(+)ΙΜ(+)=ΙΜ(-)+UinLΜ?Τon+nCSU2in2LΜΙ0(8)IM(+)=IM(?)+UinLM?Ton+nCSU2in2LMI0(8)2.3電容兩端電壓和勵(lì)磁電流的變化在這個(gè)階段,由于CS的電壓(US1)繼續(xù)上升,加在變壓器一次繞組的電壓變?yōu)樨?fù),因此二次繞組的電壓也變?yōu)樨?fù)。S3關(guān)閉而S4導(dǎo)通以維持負(fù)載電流,變壓器不再向負(fù)載傳輸能量,一次側(cè)也只有勵(lì)磁電流。這時(shí),結(jié)電容CS開(kāi)始同勵(lì)磁電感Lm發(fā)生諧振,US1繼續(xù)上升,IM(+)開(kāi)始減小,電容兩端電壓和勵(lì)磁電流分別為UCS(t)=Uin+ΙΜ(+)?ΖΜ?sinωΜ(t-t2)(9)ip(t)=iΜ(t)=ΙΜ(+)?cosωΜ(t-t2)(10)UCS(t)=Uin+IM(+)?ZM?sinωM(t?t2)(9)ip(t)=iM(t)=IM(+)?cosωM(t?t2)(10)式中,ΖΜ=√LΜ/CSZM=LM/CS??????√是勵(lì)磁電感與結(jié)電容的特征阻抗,ωΜ=1/√LΜ?CSωM=1/LM?CS??????√是勵(lì)磁電感與結(jié)電容的諧振角頻率。在t3時(shí)刻,結(jié)電容電壓上升到UCS=Uin+UC1,開(kāi)關(guān)模態(tài)3結(jié)束。持續(xù)時(shí)間為t23=1ωΜsin-1(UC1ΙΜ(+)?ΖΜ)(11)此時(shí)勵(lì)磁電流為ip(t3)=iΜ(t3)=ΙΜ(+)?√1-(UC1ΙΜ(+)?ΖΜ)(12)2.4繼續(xù)回流同步整流管s1t3時(shí)刻,結(jié)電容CS電壓US1上升到輸入電壓Uin和鉗位電容C1上電壓的總和時(shí),鉗位二極管VDS2導(dǎo)通。負(fù)載電流繼續(xù)流過(guò)同步整流管S4,此時(shí)加在變壓器一次繞組上的電壓為-UC1,勵(lì)磁電流開(kāi)始線性減小。由于VDS2導(dǎo)通,鉗位開(kāi)關(guān)管S2的電壓被鉗位至零,所以鉗位開(kāi)關(guān)管S2可以被零電壓開(kāi)通。在t4時(shí)刻,勵(lì)磁電流下降至零,開(kāi)關(guān)模態(tài)4結(jié)束。持續(xù)時(shí)間和勵(lì)磁電流分別為t34=LΜ?iΜ(t3)/UC1(13)iΜ(t)=iΜ(t3)-UC1LΜ(t-t3)(14)2.5s1零電壓關(guān)斷在這個(gè)階段,鉗位二極管自然截止,勵(lì)磁電流開(kāi)始經(jīng)過(guò)鉗位開(kāi)關(guān)管S2反向流動(dòng)。當(dāng)勵(lì)磁電流為-Ip(t3)時(shí),關(guān)斷S2。由于鉗位電容C1和結(jié)電容CS的存在,兩端電壓不能突變,因此S2零電壓關(guān)斷。勵(lì)磁電流和持續(xù)時(shí)間分別為iΜ(t)=-UC1LΜ(t-t4)(15)t45=LΜ?iΜ(t3)UC1(16)2.6開(kāi)關(guān)模態(tài)6S2關(guān)斷后,勵(lì)磁電流流過(guò)結(jié)電容CS,CS開(kāi)始放電,勵(lì)磁電流繼續(xù)反向增加。UCS(t)=Uin+UC1?cosωΜ(t-t5)-ΖΜ?sinωΜ(t-t5)(17)iΜ(t)=-ip(t3)?cosωΜ(t-t5)-UC1ΖΜ?sinωΜ(t-t5)(18)當(dāng)結(jié)電容CS電壓下降到輸入電壓Uin時(shí),開(kāi)關(guān)模態(tài)6結(jié)束。它的持續(xù)時(shí)間為t56=1ωΜtg-1(UC1ΖΜ?ip(t3))(19)此時(shí)勵(lì)磁電流為ΙΜ(-)=-ip(t3)?cosωΜt56-UC1ΖΜ?sinωΜt56(20)2.7s1和s1同時(shí)導(dǎo)通在此階段,結(jié)電容CS電壓有繼續(xù)下降的趨勢(shì),變壓器一次側(cè)電壓繼續(xù)為正,二次繞組電壓也變?yōu)檎?同步整流管S3開(kāi)通。同步整流管S4繼續(xù)導(dǎo)通,因?yàn)橐淮蝹?cè)電流太小不能提供負(fù)載電流。因此S3和S4同時(shí)導(dǎo)通,二次側(cè)電壓鉗位至零,一次側(cè)電壓也為零。變壓器的勵(lì)磁電流保持不變,流經(jīng)整流管S3。即ip=0。根據(jù)變壓器一、二次側(cè)電流關(guān)系,流過(guò)整流管S3的電流為iS3=-nΙΜ(-)(21)流過(guò)整流管S4的電流為iS4=Ι0-iS3=Ι0+nΙΜ(-)(22)t7時(shí)刻,開(kāi)通開(kāi)關(guān)管S1,開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。3設(shè)計(jì)要求和示例根據(jù)上面的分析,下面討論有源鉗位正激變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)。3.1詞n-dy,u1-u123開(kāi)關(guān)管通信接口為了確保變壓器能夠復(fù)位,一次繞組所加正負(fù)電壓伏秒面積必須相等。由于開(kāi)關(guān)模態(tài)2、3和6的時(shí)間相對(duì)于開(kāi)關(guān)模態(tài)1、4和5來(lái)說(shuō)很短,為簡(jiǎn)化分析,將其忽略,則UC1=UinDy1-Dy=nUo1-Dy(23)在輸入電壓最小時(shí),占空比達(dá)到最大值,此時(shí)用于變壓器復(fù)位的時(shí)間最短。為了在最短的時(shí)間內(nèi)完成磁復(fù)位,鉗位電容電壓最大值為UC1max=nUo1-Dymax(24)開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)能承受的電壓是US1=Uin+UC1(25)從上式可以看出,輸入電壓越低,鉗位電壓UC1越高。即US1基本保持不變。也就是說(shuō),開(kāi)關(guān)管S1所承受的電壓應(yīng)力基本與輸入電壓無(wú)關(guān),這比采用復(fù)位繞組時(shí)開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力要小。當(dāng)S3和S4關(guān)斷時(shí),它們所承受的電壓為US3=US4=Uin+UC1n(26)3.2工作原理在前面的分析中,假定C1非常大,其電壓基本保持不變。在實(shí)際應(yīng)用電路中,鉗位電容的電壓UC1有一定波動(dòng)。在[t3,t4]時(shí)段,鉗位電容充電,電壓升高;在[t4,t5]時(shí)段,鉗位電容放電,電壓降低。電壓波動(dòng)為ΔUC1=1C1∫t4t3[iΜ(t3)-UC1LΜ(t-t3)]dt=LΜΙ2Μ(+)2UC1C1(27)如果不考慮開(kāi)關(guān)模態(tài)2、3和6對(duì)勵(lì)磁電流的影響,有ΙΜ(+)=UinDyΤS2LΜ=nUoΤS2LΜ(28)將式(28)和(23)代入(27),則有ΔUC1=nUoΤ2S(1-Dy)8LΜC1(29)ΔUC1和UC1的比值是:ΔUC1UC1=[(1-Dy)ΤS]28LΜC1(30)ΔUC1UC1|max為Τ2S8LΜC1,如果取比值ΔUC1UC1|max≤10%則有C1≥5Τ2S4LΜ(31)為了驗(yàn)證研究結(jié)果,將圖1所示有源鉗位正激變換器用PSPICE仿真分析。所用參數(shù)設(shè)置如下:Uin=48VDC,Lf=5μH,Cf=100μF,C1=2μF,LM=7μH,RL=1Ω,fs=300kHz,n=4∶1,Uo=5V,S1為IRF640,S2、S3、S4為IRF150。圖5給出了主要仿真波形。圖5a、b、c、d分別為UdS1(t)、Iprimary(t