高效率高可靠性的推挽正激直流变换器

2011-12-29 16:57:23来源: 互联网
高效率高可靠性推挽正激直流变换器

推挽正激变换器是低压大电流输入场合的理想拓扑之一,但其输出整流二极管上由于反向恢复产生很高的电压尖峰。这将导致整流二极管选取困难,并影响其使用寿命。研究了一种加无源无损缓冲吸收的推挽正激变换器,整流二极管上尖峰电压小,可靠性高。并给出了该变换器的工作原理和缓冲电容的参数设计,还通过lkW实验样机给出了加缓冲吸收电路前后的实验波形。样机取得了高效率和高可靠性。 
  关键词:缓冲吸收电路;电压尖峰;推挽正激;直流变换器 

O 引言 
  在输入低压大电流场合,推挽正激变换器(Push-Pull Forward,PPF)因具有以下3方面的优点而得到广泛应用: 
(1)输入滤波器的体积和重最小; 
(2)箝位电容无损耗地抑制了功率管的电压尖峰; 
(3)变压器磁芯利用率高。 
  在输出高电压时(本文为360V),变压器副边线圈匝数较多,副边漏感不可忽略。在整流二极管反向恢复时间内,整流二极管上存在很高的电压尖峰,给整流二极管的选取带来困难,并降低了整流二极管的可靠性。虽然RC或者RCD缓冲电路可以一定程度上抑制二极管的电压尖峰,但是电阻上损耗较大。文献[3]提出了一种简单的无源无损缓冲吸收电路,可以较好地抑制整流二极管的电压尖峰。 
  本文将该无损缓冲吸收电路应用于蓄电池供电的推挽正激变换器中,显著降低了整流二极管的电压尖峰。制作的原理样机电路结构简单,功率器件工作可靠性高,并且实现了高的整机变换效率。 

工作原理 
  图l为加无损缓冲吸收的PPF电路。Ds1、Ds2分别为开关管S1、S2寄生的反并二极管,变压器的Np1=Np2=Np、Ns1=Ns2=Ns分别为原、副边的匝数,匝比n=Ns/Np,原边两个绕组的励磁电感均为Lm,Lo(图1中未标出)为变压器原边绕组的漏感.Lo’为 
折算到变压器副边绕组的漏感,D5、D6、D7、C1、C2构成无损缓冲吸收电路,且C1=C2=Cc。变压器副边两个绕组的连接点与输出滤波电容C3和C4的中点相连,输出电压为±V0/2。 
  

  在分析电路原理前,假定: 
(1)S1、S2,D1、D2、D3、D4导通压降忽略不计; 
(2)箝位电容C较大,在稳态工作时两端电压保持为Vin不变;C3=C4=C0足够大,将它看作电压恒定为V0/2的电压源;L1=L2=L足够大,将它看作电流为I0的电流源; 
(3)开关周期为Ts,S1、S2每个周期开通时间均为Ton,S1、S2工作的占空比D=Ton/Ts。 
  根据输出电感的伏秒积分平衡,可得变换器输入输出关系:V0=4nDVin。 
  图2为加无损缓冲吸收的PPF电路工作原理波形图,一共分为14个工作模态。 


  (1)工作模态l[t0-t1] 如图3(a)所示,在t0以前,S1和S2都是关断的,输入电流沿回路Vin-Np-C-Np2环流,环流为Ia=2nDI0。原、副边绕组电压为零,整流二极管同时导通,iD1=iD2=I0/2。t0时刻,S1导通,Vin加在原边漏感Lo上,ip1迅速增加;Vc加在绕组的漏感上,ip2迅速减小并反向增人。同时,流过iD1、iD4的电流增大,流过iD2、iD3的电流减小,此过程持续到iD2减小到0并且增大到最大反向恢复电流时结束。模态l中,Vc1=Vc2=0,VD5=VD6=Vo/2,VD7=0。 
          

  (2)工作模态2[t0-t2] 如图3(b)所示,t1时刻,D2、D3中反向恢复电流达到最大值,D5、D6导通,D2、D3达到瞬时反向电压Vo,缓冲电容C1(C2)和副边漏感Lo’开始谐振。Vin、VC分别加在原边绕组Np1、Np2上,ip1正向增大,ip2减小并反向增大。 
       



    两端电压从零开始谐振增大,在半个谐振周期后达到最大值VC1max=VC2max=2nVin-Vo,此时模态2结束。模态2中,VD5=VD6=0,VD7=Vo。二极管D2、D3两端反向电压从V0逐渐增大VD2=VD3=4nVin-V0。 
  (3)工作模态3[t2-t3] 如图3(c)所示,t2时刻,D2、D3两端电压回落到稳态关断值2nVin,D5、D6关断。变压器原边工作的状况同模态2。当Vin≤Vo/n时,VC1=VC2=2nVin-Vo,VD5=VD6=nVin-Vo/2,VD7=2V。-2nVin;当Vin≥V。/n时.VD5=VD6=Vo/2。C1和C2在此工作模态一开始就向负载释放存储的部分能量,电压下降至VC1=VC2=nVin,此时VD7=O。 
  (4)工作模态4[t3-t5] 如图3(d)所示,t3时刻,S1关断,此前ip1始终大于ip2,因此在S1关断瞬间S2的反并二极管DS2导通,此时,S1两端的电压被箝位到Vin+Vc=2Vin;绕组Np1中的漏感能量通过低阻抗回路Np1-c-Ds2释放到箝位电容C中,绕组Np2中的漏感能量通过回路Np2-Ds2一Cin释放到Cin中。同时,流过D1、D4中的电流减小,D7导通,C1、C2提供部分负载电流;直到t4时刻,D1、D4完全关断,C1和C2提供全部负载电流。在该模态中,ip1不断减小,ip2不断正向增大,当ip1=ip2时,Ds2自然关断,该工作模态结束。该模态中VD7=0,VD5=VD6=Vo/2。 

  (5)工作模态5[t5-t6] 如图3(e)所示,t5时刻,D2和S2都关断。在该模态中,环流Ia=ip1=ip2=2nDI。经过回路Vin-Np1-C-Np2给箝位电容C充电。副边整流二极管全部关断,C1和C2按照关系式(7)继续给负载放电,提供全部的负载电流;VD5=VD6=Vo/2,VD7=O。当C1、C2放电为零时,该模态结束。 
  

  (6)工作模态6[t6-t7] 如图3(f)所示,t6时刻,C1和C2放电为零,副边整流二极管全部导通续流,iD1=iD2=Io/2。此时原边开关管都处于关断阶段,环流Ia基本保持不变。VD7=O,VC1=VC2=0,VD5=VD6=Vo/2。 
  (7)工作模态7[t7-t14] 
t7时刻,S2导通,开始下半个周期的工作,工作模态和上半个周期相同,只是励磁电流的方向相反,完成变压器的去磁。 
  
2 缓冲吸收电路参数设计 
  缓冲电容的选取直接关系到整流二极管电压尖峰的抑制效果。由前面模态2分析可知,缓冲电容若选取过小,谐振周期过短,尖峰抑制效果不明显;若选取过大,虽然可以很好地抑制电压尖峰,但是缓冲电容充放电时间过长,将影响PPF电路正常工作模态,甚至占据整个二极管的续流过程,引起原边开关管电流尖峰过大。实际在选取缓冲电容Cc时使谐振周期满足式(8)条件: 
        


3 实验结果 
  为了验证无损缓冲电路的尖峰吸收过程,研制了一台1 000W的实验样机。实验参数确定为:Vin=18V~32V,Vo=360V,n=9.5,C=33.3μF,L1=L2=320μH,C1=C2=4.7nF,C3=C4=470μF,Ts=20μs。S1和S2为FQAl40N10;D1、D2、D3、D4采用CSD10120,D5、D6、D7采用DSE112-06。 
  图4(a)和图4(b)给出了在额定输入27V、输出l 000W时,不加缓冲电路和加缓冲电路时整流二极管vD1的电压波形。从实验波形中可以看出,加缓冲电路后,vD1的电压尖峰减小了300V左右,表明缓冲电路对整流二极管的电压尖峰具有很好的抑制作用。图4(b)中,S1关断后,在4个整流管都续流前,vD1波形有一小段突起,对应的是缓冲电容C1和C2给负载放电的过程。 
          


  图5给出了缓冲电路各器件的电压波形,波形从上往下依次是vgsl、vC1、vD7、vD5。当任何一个开关管开通时,缓冲电容充电,抑制了关断整流管的电压尖峰;当任何一个开关管关断时,缓冲电容给负载释放能量,然后4个整流二极管均导通续流。整流二极管和缓冲二极管上振荡周期均为和缓冲电容无关。其中,CD为整流二极管导通时的等效结电容。 
  图6为该变换器在24V、27V、30V输入时对应不同输出功率的的效率分布曲线图。其中输入电压为24V,输出功率600W时最高效率可达93.1%,27V满载1 000W时效率为92.8%。 


4 结语 
  本文研究了一种高效率高可靠性的推挽正激直流变换器。针对整流二极管上的电压尖峰高,应用了一种无源无损的缓冲吸收电路,可以很好地抑制整流二极管上的电压尖峰。详细地分析了该推挽正激直流变换器的工作原理,给出了缓冲电路的参数设汁,并通过研制的1kW实验样机,验证了该缓冲吸收电路良好的尖峰抑制效果,从而提高了整流二极管工作时的可靠性。同时,实验样机也取得了高效率。

关键字:高效率  高可靠性  推挽  变换器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1229/article_13692.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
高效率
高可靠性
推挽
变换器

小广播

独家专题更多

TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved