《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 電源技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一新型無(wú)損箝位電路在單端正激電源中的應(yīng)用
一新型無(wú)損箝位電路在單端正激電源中的應(yīng)用
摘要: 介紹了一種新型無(wú)損箝位電路在單端正激電源中的應(yīng)用, 詳細(xì)分析了工作原理,并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
Abstract:
Key words :

  1 引 言

  在各種隔離式DC/DC變換器中,單端正激式變換器是其中最簡(jiǎn)單且適合大電流輸出的一類,因而正激式變換成為低壓大電流功率變換器的首選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但因其高頻開(kāi)關(guān)變壓器磁通工作在磁滯回線的一側(cè),必須進(jìn)行磁復(fù)位,以確保勵(lì)磁磁通在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)處于初始值。同時(shí)由于工作在高頻狀態(tài)下,開(kāi)關(guān)變壓器漏感、分布電容等寄生參數(shù)的影響不能忽略,在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬時(shí),電抗元件的能量充放致使功率器件承受很大的熱和電應(yīng)力,并可導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的電壓過(guò)沖,這不僅意味著設(shè)計(jì)人員必須選用昂貴的高耐壓功率開(kāi)關(guān)管,同時(shí)也給電源的可靠性帶來(lái)潛在威脅。為此常常還需設(shè)置各種緩沖吸收電路,但這降低了變換器的工作效率。

  為了解決單端正激式開(kāi)關(guān)電源中的磁復(fù)位與漏感儲(chǔ)能問(wèn)題,傳統(tǒng)的解決方案有以下幾種:

  (1)、采用輔助繞組復(fù)位電路;

  (2)、采用RCD箝位復(fù)位電路;

  (3)、采用有源箝位復(fù)位電路。

  其中方案1要求輔助繞組與初級(jí)繞組必須緊耦合,實(shí)際上因漏感的存在電路中仍需外加有損吸收網(wǎng)絡(luò),以釋放其儲(chǔ)能;方案2是一種有損復(fù)位箝位方式,因其損耗的大小正比于電路的開(kāi)關(guān)頻率,(和方案1中外加有損吸收網(wǎng)絡(luò)一樣)這不僅降低了電源本身的效率,也限制了電源設(shè)計(jì)頻率的提高;方案3中需要附加一復(fù)位開(kāi)關(guān)管與相關(guān)控制電路,增加了電路復(fù)雜性的同時(shí),也帶來(lái)了附加電路損耗與總成本的上升。

  本文介紹一種新型無(wú)損箝位" title="無(wú)損箝位">無(wú)損箝位電路,無(wú)須額外附加輔助開(kāi)關(guān)管,電路簡(jiǎn)單,可有效降低功率管的電壓應(yīng)力,箝位效果優(yōu)異,且有利于電源工作效率的提高。

  2 工作原理

  新型無(wú)損箝位電路(圖1)與上述方案1(圖2)中采用輔助繞組的傳統(tǒng)方法相類似,不同之處是增加一個(gè)箝位電容C2,但功率主回路上無(wú)需外加有損吸收網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的方法是在變壓器中附加一個(gè)去磁繞組N3,它與二極管D3串聯(lián)后接到電源輸入正極,N3起到去磁復(fù)位作用,功率管S漏源間并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò),用于吸收變壓器的初級(jí)漏感儲(chǔ)能,防止產(chǎn)生過(guò)電壓尖峰,保護(hù)功率管S免被擊穿,見(jiàn)圖2所示。圖1中的箝位電路由輔助箝位繞組N3、箝位二極管D3、箝位電容C2組成。輔助箝位繞組N3的與初級(jí)繞組N1相同,目的是為了實(shí)現(xiàn)當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管S漏源間電壓VS上升到2VI時(shí),加在初級(jí)繞組N1上的電壓等于VI,因N1、N3匝數(shù)相等,箝位繞組N3的電壓也必然是VI,此時(shí)D3恰好正偏導(dǎo)通。

新型無(wú)損箝位電路

新型無(wú)損箝位電路

  下面結(jié)合圖1與圖3具體分析新型無(wú)損箝位電路的工作原理。

  1) T0時(shí)刻為初始狀態(tài),設(shè)功率開(kāi)關(guān)管S處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)(B點(diǎn)電壓)VS等于VI,箝位電容C2通過(guò)初級(jí)繞組N1、箝位繞組N3被充電至VI,電容極性為左負(fù)右正。

  2)在T1~T2期間,功率管S導(dǎo)通,由于箝位繞組與初級(jí)繞組電壓相同,參照?qǐng)D1所示的同名端可知,VA為-VI,二極管D3反向偏置截止。在此期間,變換器實(shí)現(xiàn)功率的變換,能量從初級(jí)傳到次級(jí)。

  3)在T2時(shí)刻,功率管S關(guān)斷,變壓器中的漏感與磁化儲(chǔ)能給功率管等寄生分布電容充電,(B點(diǎn)電壓)VS最終上升到2VI,A點(diǎn)電位也從- VI 上升為+VI ,若此時(shí)B點(diǎn)電位進(jìn)一步上升,二極管D3將正向偏置導(dǎo)通,功率管S漏源間的電壓VS通過(guò)電容C2和二極管D3得到有效箝位。

  4)在T2~T3期間,反射在初級(jí)的負(fù)載電流Io下降,其下降的速率由初級(jí)與次級(jí)間的漏感決定,該電流通過(guò)箝位電容C2、箝位二極管D3回流至電源,流過(guò)電容C2的電流引起其端電壓上升(設(shè)其增量為dVS),導(dǎo)致B點(diǎn)電位變化為2VI+dVS。

  5)在T3時(shí)刻,由于出現(xiàn)輸出二極管D1的反向恢復(fù),反射到的初級(jí)電流Io出現(xiàn)負(fù)值,箝位二極管D3停止導(dǎo)通,因功率管S的漏源間存在輸出電容Cp,(B點(diǎn)電位)VS出現(xiàn)下降直到輸出二極管D1反向反射電流小于初級(jí)磁化電流并在T4時(shí)刻等于零為止。

  6)在T4~T5期間,正在減少的正向磁化電流將引起B(yǎng)點(diǎn)電位VS再次向2VI上升,直到箝位二極管D3再導(dǎo)通,將VS箝位在比2VI稍高的電位上。

  7)在T5時(shí)刻,初級(jí)磁化電流減為零,箝位電容C2通過(guò)初級(jí)繞組N1、箝位繞組N3向電源VI放電,回送電容儲(chǔ)能,VS跌至VI。

  8)下一時(shí)刻重復(fù)以上過(guò)程。

波形圖

  3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)

  (1)箝位電容計(jì)算

  從上文分析可知,箝位電容C2的取值決定了功率管漏源間電壓VS超出VI值的多少,超出的電壓dVS近似計(jì)算方法見(jiàn)式 (1):

dVS =0.5(Io/Nps)(T2-T3)/C   (1)

  式中 Nps是初次級(jí)匝比,Io是負(fù)載電流。

  因VS的上升時(shí)間與T2-T3間隔相比甚小,可忽略不計(jì),故

dT= T2-T3=LS(Io/ Nps)/VI   (2)

  式中是LS相對(duì)于初級(jí)繞組的初次級(jí)間漏感 

  聯(lián)解(1)、(2)式可得:

dVS =0.5(Io/Nps)(LS Io/Nps)/(VI×C)=0.5LS(Io/Nps)2/(VI×C)    (3)

 

  (2)箝位二極管設(shè)計(jì)選擇

  二極管D3的峰值電流定額必須大于Io/Nps,同時(shí)其平均電流定額IAV至少必須等于:

IAV=0.5(Io/Nps)(dT/T)    (4)

  式中T是開(kāi)關(guān)周期

  二極管的電壓定額必須超過(guò)2VI

  (3)箝位繞組匝數(shù)計(jì)算

  繞組匝數(shù)N3越多,電源允許的最大占空比越小,功率開(kāi)關(guān)管S上的電壓應(yīng)力越低,但占空比小,開(kāi)關(guān)變壓器的利用率低。綜合考慮最大占空比和開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力,一般選擇箝位繞組匝數(shù)和初級(jí)繞組匝數(shù)相同,即

N3=N1     (5)

  4 應(yīng)用實(shí)例

  設(shè)計(jì)了一應(yīng)用于輸入為220Vac(187Vac~242Vac)、輸出為20V/8A的正激變換高頻開(kāi)關(guān)電源,工作頻率是200kHz,最大占空比為0.45,采用新型無(wú)損箝位電路,銅線的趨膚深度為Δ=0.148mm。按照上述設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)的電源變壓器有關(guān)參數(shù)如下:

  磁芯規(guī)格ETD34,磁芯材料為3F3, Philips;

  初級(jí)繞組28匝;復(fù)位繞組28匝;次級(jí)繞組9匝。

  設(shè)計(jì)出的變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電感值實(shí)測(cè)為L(zhǎng)m=748.40μH,次級(jí)電感值實(shí)測(cè)為L(zhǎng)s=64.7μH,初級(jí)漏感電感值實(shí)測(cè)約為63μH,箝位電容C=4700Pf,箝位二極管選用MUR4100。

  利用示波器測(cè)試其在輸入220VAC、輸出20V/8A條件下,功率開(kāi)關(guān)管漏源極電壓波形如下圖4所示,測(cè)試結(jié)果表明過(guò)壓尖峰得到了有效抑制,實(shí)現(xiàn)了無(wú)源無(wú)損箝位的目的。

功率開(kāi)關(guān)管漏源極電壓波形

  5 結(jié) 語(yǔ)

  本文介紹了一種無(wú)損箝位電路在單端正激電源" title="正激電源">正激電源中的應(yīng)用,著重分析了工作原理,并給出關(guān)鍵電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。用一種峰值電流模式控制芯片UC1825" title="UC1825">UC1825設(shè)計(jì)的某型電源,已配套應(yīng)用于軍用、民用產(chǎn)品,取得了良好的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明非常有效地抑制了過(guò)壓尖峰,實(shí)現(xiàn)了無(wú)源無(wú)損箝位。這種新型電路,拓?fù)浜?jiǎn)單可靠,可移植于如單端正激、單端反激、SEPIC" title="SEPIC">SEPIC、CUK以及ZETA等拓?fù)潆娐分?,?yīng)用前景廣闊。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。