具有無損耗緩沖電路的軟開關(guān)雙管正激式變換器

1、    具有無損耗緩沖電路的軟開關(guān)雙管正激式變換器    具有無損耗緩沖電路的軟開關(guān)雙管正激式變換器    類別：電源技術(shù)      摘 要 介紹了一種具有無損耗緩沖電路的軟開關(guān)雙管正激式變換器。它采用無損耗緩沖技術(shù)，使開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，抑制了dv/dt，使開關(guān)管的開關(guān)損耗下降一半左右。同時(shí)緩沖電路本身并不消耗能量，而是將能量返回到系統(tǒng)中，提高了整機(jī)效率。文中對其工作原理，緩沖電路的能量轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了分析，并給

2、出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形。    關(guān)鍵詞 軟開關(guān) 開關(guān)損耗 雙管正激 變換器 1 概述 電源裝置的發(fā)展趨勢是小型化和輕量化。為了減小電源裝置的體積和重量，提高開關(guān)頻率是最可行的方法。然而，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件的開關(guān)損耗也越來越大，帶來了效率降低和發(fā)熱嚴(yán)重等問題。本文介紹一種新型的無損耗緩沖電路，使開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)，能夠極大地降低開關(guān)損耗，較好地解決了效率降低和發(fā)熱嚴(yán)重等問題。 2 傳統(tǒng)的雙管正激式變換器的缺點(diǎn) 雙管正激式變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、輸入與輸出電壓隔離、開關(guān)管電壓應(yīng)力較小等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于大容量的電源裝置中。然而，傳統(tǒng)的雙管正激式變

3、換器的開關(guān)管是硬開關(guān)，在關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的浪涌電壓，使得開關(guān)管上的電壓上升率dv/dt很大，因而加大了開關(guān)管的開關(guān)損耗，并產(chǎn)生很大的電磁干擾(EMI)。一般的方法是在變換器上加一個(gè)RC或RCD緩沖器，以吸收變壓器漏感所儲(chǔ)存的能量，從而抑制浪涌電壓、降低dv/dt。但是，加了這些緩沖器的變換器，因?yàn)槠渌盏哪芰孔罱K被消耗在緩沖器自身的電阻上，開關(guān)頻率越高，緩沖器所消耗的能量就越大，變換器的效率就越低。 3 無損耗緩沖電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理 新型的無損耗緩沖電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。由MOSFET管Q1、Q2(Cs1、Cs2為其結(jié)電容)，變壓器T1，二極管VD3、VD4組成了一個(gè)傳統(tǒng)的雙管正激式變

4、換器；由箝位電容C1、C2，電感Lc，二極管VD1、VD2組成無損耗緩沖電路。Q1、Q2采用PWM方式工作。無損耗緩沖電路的主要波形如圖2。下面對其工作原理進(jìn)行分析。     由于Q1、Q2開關(guān)時(shí)間很短，Lo的取值很大，所以近似認(rèn)為負(fù)載電流Io在開關(guān)時(shí)保持不變。假設(shè)電路的初始狀態(tài)為：開關(guān)管Q1、Q2上的電壓為Uin/2，箝位電容C1、C2上的電壓為0。 (1)開關(guān)模態(tài)1t0，t1 t0時(shí)刻，開關(guān)管Q1、Q2開通，箝位電容C1、C2通過開關(guān)管Q1、Q2和箝位二極管VDc與箝位電感Lc諧振工作，其等效電路如圖3(a)。負(fù)載電流Io由VD6轉(zhuǎn)移到VD5上，勵(lì)磁

5、電流iM保持IM不變。 (2)開關(guān)模態(tài)2t1,t2 在此開關(guān)模態(tài)中，二極管VD6關(guān)斷，負(fù)載電流I0完全轉(zhuǎn)移到VD5上，其等效電路如圖3(b)。勵(lì)磁電流iM從-IM開始線性上升。t2時(shí)刻，箝位電容C1、C2上的電壓達(dá)到Uin，箝位電感Lc上的電流下降為0，箝位二極管VDc自然關(guān)斷，開關(guān)模態(tài)2結(jié)束。 (3)開關(guān)模態(tài)3t2,t3 在此開關(guān)模態(tài)中，箝位網(wǎng)絡(luò)停止工作，變換器為正常的PWM工作狀態(tài)，其等效電路如圖3(c)。 (4)開關(guān)模態(tài)4t3,t4 在t3時(shí)刻，Q1、Q2關(guān)斷，整流管VD5繼續(xù)導(dǎo)通，等效電路如圖3(d)。此時(shí)折算到原邊的負(fù)載電流Io/K與勵(lì)磁電流iM給兩個(gè)結(jié)電容Cs1、Cs2充電，同時(shí)箝

6、位電容C1、C2通過二極管VD1、VD2放電。 (5)開關(guān)模態(tài)5t4,t5 在t4時(shí)刻，續(xù)流二極管VD6導(dǎo)通，勵(lì)磁電流iM保持+IM不變。變壓器漏感Lk與結(jié)電容Cs1、Cs2和箝位電容C1、C2諧振工作，等效電路如圖3(e)。在這段時(shí)間里，漏感上所儲(chǔ)存的能量全部轉(zhuǎn)移到結(jié)電容和箝位電容上，并最終返回到電源Uin中，做到了真正的無損耗。 (6)開關(guān)模態(tài)6t5,t6 在此開關(guān)模態(tài)中，勵(lì)磁電感LM與結(jié)電容Cs1、Cs2和箝位電容C1、C2諧振工作，勵(lì)磁電流從+IM開始下降，結(jié)電容Cs1、Cs2上的電壓進(jìn)一步上升，當(dāng)其達(dá)到Uin時(shí)，箝位電容C1、C2上的電壓為0，二極管VD1、VD2自然關(guān)斷，二極管VD

7、3、VD4導(dǎo)通，等效電路如圖3(f)。 (7)開關(guān)模態(tài)7t6,t7 在此開關(guān)模態(tài)中，由于二極管VD3、VD4導(dǎo)通，結(jié)電容Cs1、Cs2上的電壓被箝位于Uin，等效電路如圖3(g)。此時(shí)變壓器原邊電壓被箝位于反向Uin，勵(lì)磁電流iM線性下降。當(dāng)勵(lì)磁電流iM下降到0時(shí)，變壓器的磁芯被復(fù)位。 (8)開關(guān)模態(tài)8t7,t8 在此開關(guān)模態(tài)中，勵(lì)磁電感LM與結(jié)電容Cs1、Cs2諧振工作，等效電路如圖3(h)。勵(lì)磁電流iM負(fù)向增長，結(jié)電容Cs1、Cs2上的電壓由Uin下降。當(dāng)其電壓下降到Uin/2時(shí)，勵(lì)磁電流iM達(dá)到負(fù)向的最大值-IM，開關(guān)模態(tài)8結(jié)束。 (9)開關(guān)模態(tài)9t8,t9 在此開關(guān)模態(tài)中，結(jié)電容Cs1

8、、Cs2上的電壓有進(jìn)一步下降的趨勢，那么變壓器原邊電壓將會(huì)為正，同樣副邊電壓也變?yōu)檎?，使整流二極管VD5導(dǎo)通，等效電路如圖3(i)。變壓器的勵(lì)磁電流iM保持-IM不變。在t9時(shí)刻，開關(guān)管Q1、Q2開通，開始下一開關(guān)周期。 4 無損耗緩沖電路的性能分析 4.1 軟開關(guān)技術(shù) 當(dāng)開關(guān)管工作在PWM方式時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)損耗。因?yàn)殚_關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管的電壓不是立即從零上升到電源電壓，而是有一個(gè)上升時(shí)間；同時(shí)它的電流也不是立即下降到零，也有一個(gè)下降時(shí)間。在這段時(shí)間里，電流和電壓有一個(gè)交疊區(qū)，產(chǎn)生損耗。開關(guān)損耗包括開通損耗和關(guān)斷損耗，本文只討論關(guān)斷損耗。 傳統(tǒng)的雙管正激式變換器，其開關(guān)管是工作在硬開關(guān)方式，

9、產(chǎn)生的開關(guān)損耗很大。因?yàn)橛查_關(guān)在關(guān)斷時(shí)，電壓上升的時(shí)間dt1主要取決于開關(guān)管的結(jié)電容。      式中： Cs1開關(guān)管Q1的結(jié)電容(Cs1=Cs2) Io負(fù)載電流 K變壓器的變比 變壓器漏電感 Lk與Cs1，Cs2的諧振周期    開關(guān)管的結(jié)電容Cs1一般都很小。由式(1)可知，Cs1很小時(shí)，dt1也很小，因而dv/dt1很大，電流和電壓的交疊區(qū)也就會(huì)很大，如圖4(a)，從而產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。 加了RC或RCD緩沖器的變換器以及具有無損耗緩沖電路的變換器中，電壓上升的時(shí)間dt2就會(huì)受到箝位電容(C1=C2)的影響

10、。 式中： C1箝位電容(C2=C1) Ts2Lk與Cs1，    Cs2和C1，C2的諧振周期     由于箝位電容C1的取值遠(yuǎn)大于結(jié)電容Cs1，由式(2)可知，dt2遠(yuǎn)大于dt1，電流和電壓的交疊區(qū)就會(huì)減小，如圖4(b)，從而降低了開關(guān)損耗。     4.2 無損耗緩沖技術(shù) 加了RC或RCD緩沖器的變換器雖然能有效的降低dv/dt，從而降低開關(guān)損耗，但其箝位電容所吸收的能量最終被消耗在緩沖器自身的電阻上，降低變換器的效率。 具有無損耗緩沖電路的變換器，其箝位電容所吸收的能

11、量最終被返回到電源系統(tǒng)中，緩沖器本身并沒有消耗能量。從能量轉(zhuǎn)換的過程來看： 在t4時(shí)刻，變壓器的漏感能量最大，為1/2Lk(Io/K)2。開關(guān)模態(tài)5中，漏感能量全部轉(zhuǎn)移至結(jié)電容和箝位電容中，其中轉(zhuǎn)移到結(jié)電容上的能量為：     t5時(shí)刻，變壓器的勵(lì)磁能量最大，為1/2LMIM2。在開關(guān)模態(tài)6中，有一部分勵(lì)磁能量轉(zhuǎn)移到結(jié)電容和箝位電容中。其中轉(zhuǎn)移到結(jié)電容上的能量為：     t6時(shí)刻，勵(lì)磁能量為1/2LMIM(t6)2。在開關(guān)模態(tài)7中，這部分勵(lì)磁能量全部轉(zhuǎn)移到電源系統(tǒng)中，因而箝位電容所吸收的總能量為： 由式(3)可以

12、看出，E與開關(guān)頻率f成正比，這就是RC或RCD的雙管正激式變換器難以實(shí)現(xiàn)高頻化的原因。 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 具有無損耗緩沖電路的變換器與傳統(tǒng)的雙管正激式變換器及加了RC或 RCD的雙管正激式變換器相比，總損耗明顯減小，效率顯著提高。 圖5給出了輸入電壓Uin為420 V、輸出電壓為55 V、輸出電流為50 A時(shí)，開關(guān)管Q2上的電壓Usc2的波形。從該圖可以看出： (1)在開關(guān)管開通時(shí)，Usc2迅速下降，而在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，Usc2緩慢上升，使開關(guān)管工作在軟開關(guān)的條件下，有效地降低了開關(guān)損耗。 (2)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，開關(guān)管上沒有出現(xiàn)大的浪涌電壓，Usc2被有效地箝位于Uin，因而開關(guān)管上的電壓應(yīng)力較小。實(shí)驗(yàn)中選用的是電壓等級(jí)為500V的MOSFET。由于MOSFET的電壓等級(jí)越小，其通態(tài)電阻越小，這樣就有效地降低了開關(guān)管的通態(tài)損耗。 (3)在關(guān)斷的暫態(tài)過程中，電壓Usc2有一個(gè)小的振蕩過程，這是因?yàn)檎鞫O管VD5反向恢復(fù)而產(chǎn)生的。文獻(xiàn)4對此進(jìn)行了詳細(xì)的分析，本文不作討論。    6 結(jié)束語 DekterNew Lossless Clamp for Sing