有源鉗位正激電路的分析設(shè)計

1、有源箝位正激變換器電路分析設(shè)計1.引言有隔離 變換器的DC/ DC變換器按照 鐵芯磁化方式，可分 為雙端變換器和單端變換器。和 雙端變換器比較， 單端變換器線路簡單、無功率管共 導(dǎo)通問題、也不存在高 頻變換 器單向偏磁和瞬 間飽和問題 ，但由于高 頻變換 器工作在磁 滯 回線 一側(cè)，利用率低。因此，它只適用于中小功率輸 出 場 合。 單 端正激 變換 器是一 個隔離 開關(guān)變換 器，隔離型 變換 器的一個根本特 點 是有一 個用于隔離的高 頻變壓 器，所以可以用于高 電壓的場合。由于引入了高 頻變壓器極大的增加了 變換 器的種 類，豐富了 變換器的功能，也有效的 擴(kuò)大了 變換器的使用范 圍 。單

2、端正激 變換器拓?fù)湟云?結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉而被廣泛應(yīng)用于獨立的離 線式中小功率 電源設(shè)計中。在計算機(jī)、通 訊、工業(yè)控制、 儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備 等領(lǐng)域， 這類電 源具有 廣闊的市場需求。 當(dāng)今， 節(jié)能和 環(huán)保已成為全球 對耗能 設(shè)備 的基本要求。 所以， 供電單元的效率和 電磁兼容性自然成為開關(guān)電 源的 兩項重要指 標(biāo)。而傳統(tǒng)的單端正激拓?fù)洌?由于其磁特性工作在第一象限， 并且是硬 開關(guān) 工作模式， 決定了 該電 路存在一些固有的缺陷：變壓器體積大，損耗大；開關(guān)器件電壓應(yīng) 力高，開關(guān)損 耗大 ；dv/dt 和 di/dt大等。為了克服 這些缺陷，提出了有源 鉗位正激 變換 器拓?fù)洌?從

3、 根本上 變了單端正激 變換器的 運(yùn)行特性， 并且能 夠?qū)崿F(xiàn) 零電壓軟開關(guān) 工作模式， 從而大量地 減少了開關(guān)器件和 變壓器的功耗，降低了 dv/dt和di/dt,改善了電磁兼容性。因此，有源 鉗位正激變換器拓?fù)溲杆?獲得了廣泛的應(yīng)用。本文主要介 紹Flyback型有源箝位正激變換器的穩(wěn)態(tài)工作原理與 電路設(shè)計。2.有源箝位正激變換器電路的介紹有源箝位正 激變換器 由有源箝 位支路和功率輸出電路 組成。有源箝位支路由箝位開關(guān)和箝位電容串聯(lián)組成，并聯(lián)在主開關(guān)或變壓器原邊繞組兩端。利用箝位電容及開關(guān)管的輸出電容與變壓器繞組的激磁電感諧振創(chuàng)造主開關(guān)和箝位開關(guān)的ZVS工作條件，并在主開關(guān)關(guān)斷期間，利用箝

4、位電容的電壓限制主開關(guān)兩端的電壓基本保持不變，從而避免了主開關(guān)過大的電壓應(yīng)力；另一方面，在正激變換器中采用有源箝位技術(shù)還可實現(xiàn)變壓器鐵芯的自動磁復(fù)位，并可以使激磁電流沿正負(fù)兩個方向流動，使其工作在雙向?qū)ΨQ磁化狀態(tài)，提高了鐵芯的利用率。有源鉗位正激電路的原理圖如下所示:Niaa2 D.(a)階段1充電。由于變壓器原邊電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于激磁電流，電亦N1丨七 1Cjg(c)階段3r(b)階段2容Cds主要由原邊電流廠一卄T fl4NiCth衛(wèi)T(d)階段4厶s1(f)階段6I m1 cos t律為：iLm tt4， Lm與Cc諧振階段D2關(guān)斷，Lm與Cds，C共同諧振。由于Cc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Cds，為簡化分

5、析,可忽略 Cds的作用，近似認(rèn)為Lm與Cc。(6) t5t6, Lm與Cds再諧振階段T2關(guān)斷以后激磁電感Lm與Cds再次串聯(lián)諧振，其等效電路與階段 相同，但由于處始條件不同,其變化規(guī)律也不同(7) t6t7，Uds下降階段t=t 6時刻，Uds下降到U，D開通，D1與D2共同導(dǎo)通期間為 im在副續(xù)流提供了路徑，如Uds可下降到零時，則為Ti的開通創(chuàng)造了ZVS的條件。帶Flyback箝位電路的有源箝位正激變換器的原理波形經(jīng)小信號建模得到其等效模型如下圖所示ccrtcLfLfyyyRrAAAr-Uo (D/ n Vd/Ug)Ug D*Ron/n Rl Rd_R本電路要求的設(shè)計指標(biāo)要求如下:輸入

6、電壓：18 32v輸出電壓:100V輸出功率:1kw效率值：不小于0.93.變壓器的設(shè)計(1)占空比和變壓器變比的確定18 32(18 32)(100 10)0.1047可得出最大占空比為:0.1047( 100+10)0.6418max(2)磁芯的選取Pi=100*10/0.9=1111w鐵芯窗口面積 W與其有效截面積 Ac之積AP=W Ac當(dāng)考慮繞組線圈所占面積應(yīng)于窗口面積相等,而實際占有率為 35%時,AP值可計算如下：AP=16.71 cm4查閱磁芯有關(guān)的資料，可選用275EI磁芯(3)計算原邊繞組的匝數(shù)，有下式算出:Np =18*0.64/2.72*0.15*50*1000=5.7匝

7、，取其為 6匝，則取 Ns=60 匝(4)股數(shù)和線徑的計算可以得出原邊的股數(shù)ri21825 10.53.14取ri11。則導(dǎo)線的直徑為：1 14 21.825.一 0.479 mm1n 3.14dwp同理可得副邊的股數(shù)：2隠 3.57取24。貝U導(dǎo)線的直徑為:,1 (4 2.5 C r ,dws 4V-3 0.446血4.電子器件的選擇功率開關(guān)管的選擇U DS max U i max巳U Di min max11PN1Uo2 46V122I 1 12Ah (onyh0fl>Coog 匸17ns2Stis15ns0.16g=270pF<*副邊二極管的選擇：n2UdUo2 438VN1

8、f=50KHz二極管 PX15A02(15A/1500V)二極管的損耗二極管的開關(guān)損耗（反向恢復(fù)）:Qrr10 9 12.145 6.0725 10 9Wdd(V ) Qrrn6.2243 10 7jFddWDD fs 3.1122 10 2W二極管通態(tài)損耗:FDs U I 1.1 1011W二極管的總損耗:FDPdd Pds 11.031122WMOSFET的損耗:開通損耗:WOn 1 (V n Vg) i (t2 t0) 2.30625 10 4 J關(guān)斷損耗:WOff2 (V n Vg) i (t2 t。) 1.15 104J結(jié)電容的損耗:Wmo 1 Coos Vc2 4.93 10 8J

9、MOSFET的通態(tài)損耗:2Rds(0 n)Do nmax1 pkFOnc3Wg尺應(yīng)址dl二弘 丫仲01«2O.16 O.64 12.14515.0544WMOSFET總損耗:Fmos Rn Ff Fmo 16.7839W變壓器損耗:漏感損耗:1 2Fk (Liplpk2)* f 16.281294W直流損耗：R dc丄ARcRdcl巳Ic22 2I1 RddI 2 Rdc24.536WRc2 F R(2交流損耗：584mI acRd F Rd263imBePac1Pac2I ac1 adI ac2 Rac23.597W磁芯損耗:PC P' Ve 2.184W變壓器損耗:P p

10、c Pcu Pk 26.59898W電路總損耗:PotPd Pmos P 65.445124W實際效率:93.8757%5仿真電路圖:、辭i=25xl=C15IQDOR2"GQu 二 C2Pl_teep TcuflCu nmoUGfi of a n«rud njfBiuM Coomctar- (flvlb6baudA> 匕J25D0U命JS C340QOp仿真波形：主開關(guān)管和箝位開關(guān)管的時序波形:輸出電壓VO波形:亦00仙VQG 00 Ifl： flO0 W1 W fr -n&i6.實驗總結(jié):電路工作情況為：在變壓器初級繞組兩端輸入電壓， 傳輸能量，次級整流開

11、 關(guān)管導(dǎo)通，續(xù)流開關(guān)管關(guān)斷；在第 1個死區(qū)內(nèi)，整流管的驅(qū)動電壓開始下降，但仍會導(dǎo)通一段時間，此時開關(guān)管處于不完全導(dǎo)通狀態(tài)，然后驅(qū)動電壓下降到完全關(guān)斷，此區(qū)間內(nèi)兩個同步整流管通過它們的體二極管開始換流，整流開關(guān)管零 電壓關(guān)斷，然后續(xù)流開關(guān)管開始導(dǎo)通，續(xù)流開關(guān)管即為零電壓開通；然后進(jìn)入復(fù) 位階段，續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通，整流開關(guān)管關(guān)斷；然后進(jìn)入第 2個死區(qū)，續(xù)流管零電壓關(guān)斷，二極管開始換流，整流開關(guān)管零電壓開通，然后開始下一個工作周期?？梢钥吹絻蓚€同步整流管開通關(guān)斷過程的損耗很小，此時主要的損耗來源于體二 極管的導(dǎo)通損耗和由負(fù)載端大電流引起的導(dǎo)通損耗。在設(shè)計過程中，各個器件的設(shè)計是關(guān)鍵。其中重點是有變壓器的選擇、濾 波電感和輸出電容的選擇，器件的選擇合適度和必要的裕量。在最后的仿真中，發(fā)現(xiàn)兩個開關(guān)管的同步驅(qū)動信號的選擇是很關(guān)鍵的，開始仿真的時候設(shè)置的主開關(guān)管的開通區(qū)間是0:180,即占空比是50%，箝位開關(guān)管的開