正激有源鉗位分析報告

1、有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計方法2009年07月14日17:48深圳華德電子有限公司 作者：劉耀平 用戶評論(0)關(guān)鍵字：亞盒I更匱ms有源鉗位正激變換器的理論分析和設(shè)計方法摘要：零電壓軟開關(guān)有源鉗位正激變換器拓?fù)浞浅＿m合中小功率開關(guān)電源的設(shè)計。增加變壓器勵磁電流或應(yīng)用磁飽和電感均能實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作模式。基于對零電壓軟開關(guān)有源鉗位正激變換器拓?fù)涞睦碚摲治?，提出了一套實用的?yōu)化設(shè)計方法。實驗結(jié)果驗證了理論分析和設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：有源鉗位；正激變換器；零電壓軟開關(guān)i引言單端正激變換器拓?fù)湟云浣Y(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、通訊、工業(yè)控

2、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?qū)哪茉O(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捎谄?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，EMI問題難以處理為了克服這些缺陷，文獻123提出了有源鉗位正激變換器拓?fù)?，?根本上改變了單端正激變換器的運行特性，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

3、兼容性。因此，有源鉗位正激變換器拓?fù)溲杆佾@得了 廣泛的應(yīng)用。然而，有源鉗位正激變換器并非完美無缺，零電壓軟開關(guān)特性也并非 總能實現(xiàn)。因而，在工業(yè)應(yīng)用中，對該電路進行優(yōu)化設(shè)計顯得尤為重要。 本文針對有源鉗位正激變換器拓?fù)?，進行了詳細(xì)的理論分析，指出了該電 路的局限性，并給出了一種優(yōu)化設(shè)計方法。2正激有源鉗位變換器的工作原理如圖1所示，有源鉗位正激變換器拓?fù)渑c傳統(tǒng)的單端正激變換器拓?fù)浠鞠嗤?，只是增加了輔助開關(guān)Sa （帶反并二極管）和儲能電容Cs,以及 諧振電容Cdsl、Cds2，且略去了傳統(tǒng)正激變換器的磁恢復(fù)電路。磁飽和電 感Ls用來實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)，硬開關(guān)模式用短路線替代。開關(guān)S和Sa工作 在

4、互補狀態(tài)。為了防止開關(guān)S和Sa共態(tài)導(dǎo)通，兩開關(guān)的驅(qū)動信號間留有一 定的死區(qū)時間。下面就其硬開關(guān)工作模式和零電壓軟開關(guān)工作模式分別進 行討論。為了方便分析，假設(shè)：D:圖1采用磁飽和電感的有源鉗位正激軟開關(guān)變換器1）儲能電容Cs之容量足夠大以至于其上的電壓 Vcs可視為常數(shù)；2）輸出濾波電感Lo足夠大以至于其中的電流紋波可忽略不計；3）變壓器可等效成一個勵磁電感 Lm和一個匝比為n的理想變壓器并 聯(lián)，并且初次級漏感可忽略不計；4）所有半導(dǎo)體器件為理想器件。2.1有源鉗位正激變換器硬開關(guān)工作模式硬開關(guān)的有源鉗位正激變換器工作狀態(tài)可分為6個工作區(qū)間，關(guān)鍵工作波形如圖2（a）所示。toti期間主開關(guān)S導(dǎo)

5、通，輔助開關(guān)Sa斷開。變壓器初級線圈受到輸 入電壓Vin的作用，勵磁電流線性增加，次級整流管導(dǎo)通并向負(fù)載輸出功 率。ti時刻，主開關(guān)S斷開。t1t2期間負(fù)載折算到變壓器初級的電流Io水和勵磁電流im給電容Cdsl 充電和Cds2放電，電壓Vds1迅速上升。t2時刻，Vds1上升到Wn，變壓器輸出電壓為零,負(fù)載電流從整流管D3轉(zhuǎn)移到續(xù)流管D4住2上3】期間只有勵磁電流im通過Lm、Cdsl、Cds2繼續(xù)諧振,并在上3時 刻Vdsl達到(Vin + Vcs)。輔助開關(guān)Sa的反并二極管D2導(dǎo)通，勵磁電流給電 容Cs充電并線性減小，此時，可驅(qū)動輔助開關(guān)Sa。t3t4期間變壓器初級線圈受到反向電壓Vcs

6、的作用，勵磁電流由正變負(fù)。t4時刻，芻斷開。t4上5期間電容Gs1、Cds2與Lm發(fā)生諧振，并在t5時刻電壓Vds1下降 到Mn，變壓器磁芯完成磁恢復(fù)。t5to期間次級整流管導(dǎo)通，變壓器次級繞組短路，給勵磁電流提供 了通道。在此期間，Vds1維持在Vin，勵磁電流保持在一 Im(max)。t時刻， 主開關(guān)S被驅(qū)動導(dǎo)通，下一個開關(guān)周期開始。很明顯，有源鉗位正激變換器的變壓器磁芯工作在一、三象限，變換 器工作占空比可超過50%。由于電容Cds1、Cds2的存在，開關(guān)S和Sa均能 自然零電壓關(guān)斷，而且Sa能實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。但主開關(guān)管S工作在硬開關(guān) 狀態(tài)。(a)硬開關(guān)工作波形(b)增加勵磁電流實現(xiàn)軟開

7、關(guān)的工作波形(c)采用磁飽和電感實現(xiàn)軟開關(guān)的工作波形圖2各種開關(guān)電路的工作波形2.2有源鉗位正激變換器零電壓軟開關(guān)模式從上面的分析可明顯地看出，當(dāng)變壓器勵磁電感Lm減小，勵磁電流足夠大時，卩5to期間勵磁電流除了能提供負(fù)載電流外，剩余部分可用來幫助電容Cds2、Cdsl充放電。電壓Vdsl有可能諧振到零,從而實現(xiàn)主功率開關(guān)管S的零電壓軟開通。二極管Di可為負(fù)的勵磁電流續(xù)流。關(guān)鍵工作波 形如圖2(b)所示，具體的軟開關(guān)條件將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。很顯 然，軟開關(guān)的代價是變壓器勵磁電流和開關(guān)管導(dǎo)通電流峰值大幅增加，開關(guān)管及變壓器電流應(yīng)力和通態(tài)損耗明顯加大。2.3應(yīng)用磁飽合電感器實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)為了克

8、服上述零電壓軟開關(guān)工作時電流應(yīng)力過大的缺點?？梢栽谧儔浩鞔渭壵鞫O管上串聯(lián)一個磁飽和電感Ls，如圖1所示。當(dāng)電壓Vdsi下降到Vin時，t5to期間磁飽和電感Ls瞬時阻斷整流二極管，使得變壓器 勵磁電流不必負(fù)擔(dān)負(fù)載電流，而可完全用來給電容Cds2、Cdsl充放電。這 樣，不必大量減小變壓器勵磁電感，較小的勵磁電流就可以保證電壓Vdsi諧振到零，實現(xiàn)主功率開關(guān)管的零電壓軟開通。關(guān)鍵工作波形如圖2(C)所示。3靜態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計方法3. 1儲能電容電壓及開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力根據(jù)磁芯伏？秒平衡原則，可得式(1)Vcs(1 - D)Ts=VinDTs (1)因為Vo=八所以式中：Vin為輸入直流電壓

9、；Vo為輸出電壓；D為主開關(guān)導(dǎo)通占空比；Ts為開關(guān)周期;n為變壓器匝比因此，主開關(guān)S和輔助開關(guān)Sa承受的最大電壓應(yīng)力均為 Vds：上式說明，當(dāng)變壓器匝比愈小時，對于一定的輸入電壓和輸出電壓的 變換器，開關(guān)管電壓應(yīng)力Vds愈小。所以，有源鉗位正激變換器一個顯著 優(yōu)點是可以降低開關(guān)管電壓應(yīng)力，從而可選用額定電壓較低、通態(tài)電阻較 小的功率開關(guān)管。另外，當(dāng)變壓器變比n確定后，開關(guān)管電壓應(yīng)力僅與占 空比有關(guān)，如圖3所示。顯然，當(dāng)占空比為0.5時，開關(guān)管承受最小的電 壓應(yīng)力。當(dāng)輸入電壓變化時，如果將占空比設(shè)計運行在以0.5為中心的對 稱范圍內(nèi)，則可使開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力基本保持恒定。/0.5i圖3開關(guān)管電

10、壓應(yīng)力與占空比的關(guān)系曲線3. 2增加勵磁電流實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)工作條件從開關(guān)Sa斷開到電壓Vdsi諧振至零的過程，即工作區(qū)間卩4t5和t5 to 要實現(xiàn)主開關(guān)S零電壓軟開通，其導(dǎo)通驅(qū)動延遲時間必須大于以上兩 區(qū)間之和。t4t5期間等效電路如圖4所示。相應(yīng)的電路微分方程是：Vin=LmCds + Vdsi ( 4 )d -：=Vds (6)微分方程的解為：Vds1=“ JCOS( 3 t+ ) + Vin ( 7)im = ”丄輒訂sin( 3t+ ) (8)式中：OWt 5 t4。MT.Imp =( 9 )二arcta n (10)Cds= Cds1 + Cds2 ( 11 )1_3 =、T&

11、( 12 )t5時刻,即當(dāng)jw_ t=t5 t4=ta=(13)Vds1 = Vinim= Im(max)=巳*打2 氣：設(shè) K= wTs= f (14)h ；4點皿1 h ；& 一lm(max)=lmp( 15 )t5t。期間等效電路如圖5所示。相應(yīng)的電路微分方程是：Vjn=LmCds，+ Vdsl ( 16 )盛| I=(Io一 Im(max)(17)d -：=Vin ( 18 )dl(bl旅：HI圖5 t5tO 期間的等效電路微分方程的解為：sin 3 + Vin (19)im = 一(Im(max) Io )cos cot Io (20) 式中：0wtWt。；Io * =；為變換器輸出

12、電流折算到變壓器原邊的值，并且忽略了輸出電感的電流紋波。顯而易見，主開關(guān)零電壓開通的必要條件是：(I m(max) Io )至ds oVn(21)實際上，上述條件即是，變壓器勵磁電感儲存的電流除支持負(fù)載電流外，剩余能量能使電容Cdsl上電壓諧振到零。Vdsl從Vin諧振到零所需時間tb為：J_% 匕.tb= arcsin : (22)所以，主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通所需總的導(dǎo)通延遲時間td為:td ta + tb=- (23)實際上，諧振頻率3遠大于開關(guān)頻率fs，即K遠大于1，故式（23）可簡化為：td J 2訕:也（24）3. 3應(yīng)用磁飽和電感實現(xiàn)軟開關(guān)工作的條件當(dāng)輔助開關(guān)Sa斷開后，由于磁飽和電感

13、LS瞬間相當(dāng)于開路，因此變壓 器勵磁電流可完全用來對Cds2和Cdsi充放電。卩4t5、t5to期間，等效 電路同圖4。顯然，令式（21）和（24）中Io水或Io為零，即可得到主開 關(guān)管零電壓導(dǎo)通的能量條件和時間條件，Im（max） Cds wV in，即:KA? (25)td A? (26)死區(qū)延遲時間，意味著PWM變換器有效占空比的損失。為了盡量減 小有效占空比的損失，則K必須加大。另一方面，變換器開關(guān)頻率fs愈 高，則為保持相同的有效占空比，K至少應(yīng)保持不變，即諧振頻率應(yīng)與 開關(guān)頻率fs成比例增加。圖6給出了軟開關(guān)所需要的死區(qū)時間td和最大勵 磁電流Im(max)與K的關(guān)系曲線。從圖中明

14、顯看出，采用加大勵磁電流的方 法實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)和采用磁飽和電感器比較，要求的K較大，因而有較大的勵磁電流損耗；另外，從式(15)看出，開關(guān)頻率愈高，電流峰值也 愈高，變壓器的銅耗和開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也愈大。因此，軟開關(guān)有源鉗位 正激變換器工作頻率不宜太高。圖6軟開關(guān)所需延遲時間td和最大勵磁電流Im(max)與系數(shù)K的關(guān)系曲線3. 4優(yōu)化設(shè)計方法對一給定技術(shù)指標(biāo)的DC/DC變換器，其具體參數(shù)為：輸入電壓范圍Vin(min)Vin(max)，輸出電壓Vo，輸出功率Po，開關(guān)頻率fs。設(shè)計步驟如下:1 ）根據(jù)輸出功率P。、開關(guān)頻率fs選定變壓器磁芯材料，得到相應(yīng)的磁 芯截面積Ae，飽和磁密Bs,窗

15、口面積Aw等。設(shè)定最大交變磁密 ABo2)確定最大電壓應(yīng)力Vds及降額系數(shù)Kio3)據(jù)式（27）、（ 28）求出變壓器匝比n和最大、最小占空比Dmax、Dmin ,及正常占空比Dnorm。3dVds=WKiVds (27)Vds=WKiVds (28)4)求出變壓器初次級匝數(shù)N1 , N2oNi=(29)N2=5 (30)5)求出開關(guān)管電壓應(yīng)力Vds,選定主開關(guān)S和輔助開關(guān)Sa的額定電壓及確定諧振電容Cdsl和Cds26)設(shè)定死區(qū)延遲時間td，針對不同的軟開關(guān)實現(xiàn)方法，分別從式(21)、（24）或（25）、（ 26）求出所需的系數(shù)Ko7)根據(jù)式（14）和（12）求出諧振頻率3及變壓器初級勵磁電

16、感量4設(shè)計實例和實驗結(jié)果應(yīng)用上述設(shè)計方法，設(shè)計1臺用于通訊設(shè)備的AC/DC變換器電源。具 體技術(shù)指標(biāo)為：輸入電壓 Vi AC 140V280V輸出電壓Vo DC 12V輸出功率Po 150W功率因數(shù)入0.95效率n0.80采用常規(guī)的Boost變換器進行功率因數(shù)校正,滿足功率因數(shù)大于0.95 的指標(biāo)要求，且得到DC 440V的直流電壓?？紤]到電源保持時間要求， 設(shè)定有源鉗位DC/DC變換器輸入電壓工作范圍為 DC 330450V,開關(guān)頻 率為 100kHz ,即 Ts=10 卩 s Vinmax=450V ,V inmin =330V ,Vinnorm =440V。 為提高效率,有源鉗位DC/D

17、C變換器采用了同步整流技術(shù),設(shè)計結(jié)果如 下：1）選擇磁芯材料為 TDK, PC40, EER40, Ae=1.49cm2, Bs=450mT , 取 AB=300mT。2）設(shè)定開關(guān)管最大電壓應(yīng)力為900V ,降額系數(shù)Ki為0.9。3）求出變壓器匝比n ,最大、最小占空比Dmax、Dmin ,及正常占空比 Dnorm考慮整流管壓降和輸出電感損耗，取V為13V，據(jù)式（27 ）、（28）求出：n 15，取 n=13.3。貝U: Dmax=0.524 , Dmin=0.384 ,Dnorm =0.393。4） 據(jù)式（29）、（ 30）求出變壓器初次級匝數(shù) Ni, N2分別為40匝 和3匝。5）據(jù)式（3

18、）,求出當(dāng)占空比為0.384時，開關(guān)管承受最大的電壓應(yīng) 力731V。S和Sa可選900V之功率場效應(yīng)管。等效漏源并聯(lián)電容Cdsi為 330pF, Cds2 為 200pF ,所以 Cds 為 530pF。6） 設(shè)定死區(qū)時間td為350ns ,采用磁飽和電感方法實現(xiàn)軟開關(guān)。則據(jù) 式（26）求出K為15.4。7）據(jù)式（14）和（12）求出諧振頻率 為1.54MHz ,變壓器勵磁電 感Lm為800卩Ho圖7 （a）、7 （b ）、7 （c）給出了實測的主開關(guān)管工作電壓、電流波 形。圖7 （a）顯示主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)。圖7 （b）和圖7 （c）分 別是采用增加勵磁電流方法和應(yīng)用磁飽和電感器方法實現(xiàn)零電壓軟開關(guān)的 電壓電流波形，后者明顯地降低了勵磁電流和開關(guān)管電流的峰值。實測波形與理論分析完全一致。圖8、9顯示出了實測的效率曲線。從圖9中看出，當(dāng)變換器開關(guān)頻率增加時，變壓器勵磁電流損耗和開關(guān)管通態(tài)損耗所占比重增加，變換器效率降低了。實驗結(jié)果驗證了理論分析(a)硬開關(guān)工作模式主開關(guān)電壓、電流波形(b)軟開關(guān)工作模式主開關(guān)電壓、電流波形(c)軟開關(guān)工作模式主開關(guān)電