一种在全负载范围内实现ZVS的有源箝位反激变换器

2006-05-30 15:22:44来源: 电源技术应用

0 引言
  传统的反激变换器,因其相对简单的电路结构以及能实现升降压功能而在DC/DC场合中得到了广泛使用.但是,由于反激变换器的变压器同时还兼作为电路中的电感使用,所以气隙较大,不可避免的漏感也较大。在电路原边开关管关断时,该漏感会和原边开关管上的结电容产生寄生振荡,从而在原边丌关管上产生电压尖剌,使之承受高的电压应力,同时,该振荡还是一个EMD源,给电路带来EMI方面的问题。传统的RCD箝位电路将存储在变压器漏感中的能量,全都消耗在箝位电阻上,在一定程度卜缓解了这个压力,但是,降低了电路的效率。如果采用一个有源箝位的电路来取代传统的RCD箝位电路的话,就能很好地解决这个问题。

1 有源箝位电路
  典型的有源箝位电路如图1所示。

  有源箝位的反激变换器除了能将漏感上的能量反馈到输出,提高电路效率外,还具有以下几个优点:首先,电压箝位效果良好,能减少开关管上的电压应力;其次,电路原边的主管和辅管都可实现ZVS,从而减少电路的开关损耗。这个特性对于高压输入的场合特别重要。由于开关管上的电压是谐振到零的,这样既限制了电压关断时的dv/dt,同时箝位电容和变压器原边谐振电感的谐振还限制了副边整流管关断时的di/dt;通过恰当地设计箝位电容的值,还可以实现副边整流二极管的ZCS,从而减少或消除了整流管的开关损耗和由于二极管反向恢复引起的开关噪声,从而有效地减少了电路的EMI。
  正是由于这些优点,有源箝位反激变换器受到厂业界的重视。该电路不但可以作为普通的DC/DC变换器使用,而且还可以用作一个性能优良的PFC电路。
  传统的反激变换器中存在着“电感电流连续(CCM)”和“电感电流断续(DCM)”两种不同的工作状态。这两种不同的工作状态在有源箝位反激变换器当小也分别体现不同的工作特点。CCM的有源箝位反激变换器和传统的反激变换器一样,在一个开关周期内,变压器原边的激磁电流始终大于零;而DCM的有源箝位反激变换器中变压器原边的激磁电流却会出现断续的状态,当激磁电流到零的时候,在箝位电容的作用下,变压器原边的激磁电流将反向流动,从而在一个开关周期内体现为一个正负交变的量。文献[4]详细地分析了CCM状态下的有源箝位反激变换器的工作过程以及设计中的注意事项。从中可知,CCM状态下的有源箝位反激变换器同传统的反激变换器一样,具有电流纹波小,电路导通损耗小,适合于功率大的输出场合等优点。但该工作状态需要一个外加谐振电感来实现原边开关管的ZVS(如图1中的Lr),而且软开关的实现和负载有关.只能在一定的负载范围内实现。
  但是,保证电路在全范围内实现软开关有着重大的现实意义,因为,全范围软开关能保证整个电路的工作状态一致,特别是保证电路的EMl的性能一致,从而减小了整个电路的EMI滤波器。为此,本文对有源箝位反激变换器进行了优化设计,以保证整个电路从空载到满载范围内都能实现软开关。
  文章首先对电路的工作状态进行了详细的分析,而后给出了电路当中关键元器件的设汁依据,最后,用一个100W/100kHz的样机验证了该电路的高效率和优良的全负载范围内的软开关特性。

2 电路的工作原理
  图1是有源箝位反激变换器的基本原理图。图中Lr为变压器的漏感,Lm为变压器原边的激磁电感,Cr为主管和辅管的等效结电容之和,Cc为电路的有源箝位电容,Vin为输入直流电压,Vo为输出电压,Vcc为箝位电容稳态工作时电压。
  图2是有源箝位反激变换器的等效工作状态图。图3表明了有源箝位反激变换器稳态工作时的几个关键波形。电路的工作状态如下所述。
  Mode1[t0,t1] 在t0时刻,主管S1导通,辅管S2关断。输出整流二极管D1承受反向电压。S2的体内反并联二极管也反向偏置。Lm和Ln上的电流在Vin的作用下线性上升。
  Mode 2[t1,t2] 在t1时刻,Sl关断。Lm和Lr一起同Cr进行谐振,利用激磁电流(此时激磁电流与流过漏感的电流相等)给Cr充电。S2处于关断状态,S2体内二极管继续反向偏置。
  Mode 3[t2,t3] 在t2时刻, Cr被充电到vDS1=Vin+Vcc(Vcc≈nVo)为箝位电容稳态工作时的电压);此时,S2的体内二极管开始导通,Lm和Lr同Cc进行谐振,利用激磁电流给Cr充电。由于Cc远大干Cr几乎所有的激磁电流都通过二极管流向箝位电容,同时Lm和Lr进行分压,励磁电压即变压器一次电压Vpri为

  
  Mode,4[t3,t4] 在t3时刻,vpri足够的小,D1正向导通。变压器的原边电压就被箝位在nVo。这时,Lr和Cc进行谐振,利用激磁电流给Cr充电。为了能实现S2的ZVS,S2必须在谐振电流反向之前触发导通。
  Mode 5[t4,t5] 在t4时刻,S2关断,使得Cr詖迅速地从电路中断开。同时,Lr和Cr谐振,变压器的原边电压仍然被箝位在nVo。当Lr上面的电流等同于Lin上的电流时,副边电流减少到零,D1反向截至,变压器原边的电压开始反向。
  Mode 6[t5,t6] 在t5时刻,储存在Lr和Lm内的能量大于储存在Cr中的能量,Cc上的电荷将被放完,同时,S1的体二极管开始导通;如果在这个时间段内S1被触发导通,那么就可以实现ZVS。同时,对于Lin和Lr而言,两端的电压为Vin,电感上的电流又开始线性上升。在t6时刻,S1导通,进入下一个开关周期,开关周期Ts=t6-t0。
  从上面的分析可以得巾以下结论:该电路正是通过让有源箝位的反激变换器工作在DCM状态下,利用变压器原边激磁电感参与电路的谐振,在S1导通之前,利用变压器原边激磁电感上的能量将结电容Cr上的电压谐振到零,从而实现电路的ZVS。阅此.该电路就不需要再外加一个谐振电感来实现ZVS。所以,在文献[4]中,Lr为变压器的漏感和外加的谐振电感之和,而在本文中,Lr仅为变压器的漏感。

  在低功率,高电压的场合,该电路的优点不仅局限在全范围软开关上,而且还省去了外加谐振电感。因为,如果想在低功率、高电压的场合将结电容Cr上的电压谐振到零,该谐振电感的取值可能高达几百μH。
  但是,和传统的反激电路的DCM的工作状态一样,该电路的最大的缺点就是其电流纹波比较大,因为,电路原边电流中始终存在一个和输出功率无关的交流分量,这个交流分量将在原边的开关管上产生不必要的导通损耗,而且由于设计在断续工作状态下,这个交流分量的峰峰值比CCM来得高,从而将在一定程度上影响电路的效率。

3 电路的工作特点和主要元器件设计
  为了保证电路具有良好的工作状态,从而在全范围内实现软开关,电路中的关键元器件的设计显得相当重要。
3.1 变压器的设计(激磁电感Lm的设计)
  在电路中变压器小仪传递能量,而且还充当储能元件,另外,该激磁电感还参与了和结电容Cr的谐振,是保证电路在全范围内实现软开关的重要因素。
  为了保证该有源箝位反激变换器工作在DCM状态下,该激磁电感值不可能太大。其设计思路和传统的OCM反激变换器的变压器设计是完全一致的。
  ——DCM有源箝位反激电路原边激磁电感电流的最大直流平均值为

  ?
式中:Iin为输入电流;
  Iin为输出电流;
  D为S1的占空比;
  n为变压器原副边的匝比。
  一一为了让电路能实现软开关,则必须在S2关断的时候,使Lm中存储的能量能保证将Cr上的电压谐振到零。所以,激磁电感中的最小电流Icri必须满足式(3)。

  
式中:fs为电路的工作频率。
  由于该变换器原边通过的电流可以分解成为直流分量和交流分量两部分。其中直流分量的大小和输出功率成正比,而交流分量的大小仅仅和输入电压的高低和变压器的原边激磁电感的大小有关,这部分能量只是在原边进行环流,该值的大小决定了电路原边廾关管上的电流峰值以及由此而产生的开关管的导通损耗。所以,输入电压一定时,在保证电路全范围软开关的正常工作条件下,原边激磁电感值应尽可能大。
3.2 箝位电容Cr的设计
  由于Cc和Lm的谐振斜率还决定了副边整流管关断的di/dt;所以,完全可以通过Cc的恰当设计,来实现副边整流二极管的ZCS,从而达到减小整流二极管的开关损耗,消除由于二极管的反向恢复引起的开关噪声,减小了电路的EMI的目的。通过分析得知,只要满足式(5)就可以实现整流二极管的ZCS,

  
式中:toff为S1的关断时间。
  但是,对应相同的输出电流,谐振电流越早到零意味着通过二级管的电流峰值将越高。这也就增大了二极管上的电流应力,增加了电路输出电流的纹波,加大了输出电容上的电流应力,给电路带来一定的导通损耗。所以,为了能充分地利用toff这段时间,减小电路的输出电流纹波,最好能让电路的谐振周期设计在2toff(输出功率最大时候的toff)上。
  除了能决定整流二级管的ZCS外,从式(6)可以得知,Cc的大小还在一定的程度亡决定了S1和S2的电压应力。
3.3 主开关功率管S1的选择
3.3.1 S1的电压应力



3.4 辅开关功率管S2的选择

  S2的电压和电流耐量等同于S1。在实际应用中,为了克服MOSFET的体二极管开关特性慢的缺点,还可以在开关管上面再并联一个快恢复二极管来加快开关速度。
3.5 死区时间的确定
  电路的软开关的有效实现,还依赖于适当的死区时间的确定。
  1)从S2关断到S1开通这段时间中,必须有足够的时间让谐振电感将Cr上的能量抽走。这个时间为

  
  如果当时激磁电感当中的能量足够大的话,则式(9)更为适用。所以,实际需要的死区时间往往远小于式(8)的计算值,通常取式(8)和式(9)之间的一个折中值。

  2)从S1关断到S2开通这段时间中,电路上表现出来的是激磁电感Lm和谐振电感Lr同Cr进行谐振,利用激磁电流给Cr充电。由于Cr上面的能量相对于激磁电流而言很小,这时可以相当于一个大小为激磁电流峰值的电流源给Cr充电的过程。对于这个死区时间的要求为

  ?
4 实验结果
  一个100W的样机验证了该变换器的工作原理和优点。
  该变换器的规格和主要参数如下:
  输入电压Vin   AC220(1±20%)V;
  输出电压Vo    DC24V;
  输出电流Io   0~4A;
  输出功率Po   100W;
  工作频率fs   100kHz;
  主开关管S1   SPP07N60S5;
  箝位开关管S2  5PP07N60S5;
  整流二极管D1  MBR20200CT;
  变压器T E140  原副边的匝比为80:8;
  箝位电容Cc   630nF/600V;
  有源箝位控制芯片IC UCC3580—4。
4.1 S1的软开关
  图4(a)为S1的门极波形和DS两端的电压波形,可以看出,在门极信号开通之前,S1的DS两端的电压已经到零了,从而实现了ZVS。图4(b)为S1的DS两端的电压波形和通过其的电流波形,可以看到,在DS两端的电压到零的时候,通过S1的电流是负方向的,从而从另外一个角度表明了S1的体二极管先于功率管的门极信号而导通,从而实现了ZVS。
4.2 S2的软开关
  图5为S2的ZVS波形。

关键字:激磁  谐振  电感  激变

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