基于LM5025的有源箝位反激變換器的設(shè)計(jì)

于孟春，程善美，雷 明

（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

傳統(tǒng)的反激變換器以其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)升降壓功能，因而廣泛用于中小功率場(chǎng)合。但是由于變壓器漏感及開(kāi)關(guān)管寄生結(jié)電容的存在，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰。該電壓尖峰一方面增加了開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，另一方面增加了開(kāi)關(guān)管的損耗，降低了開(kāi)關(guān)電源效率，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高。采用有源箝位電路的反激變換器能在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，由箝位電容的電壓將主開(kāi)關(guān)管兩端的電壓箝在一定的數(shù)值水平上，并基本保持不變；利用箝位電容及主開(kāi)關(guān)管輸出電容和漏感進(jìn)行諧振，創(chuàng)造主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通條件，減小開(kāi)關(guān)管的損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率[1]。隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，變壓器和輸出電容的體積也大大減小。本文詳細(xì)分析了有源箝位反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，給出了電路主要元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有源箝位電路的良好效果，在輸入電壓允許的范圍內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通。

1 有源箝位反激變換器拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

有源箝位反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，開(kāi)關(guān)管S2和電容Cc串聯(lián)組成有源箝位電路，并聯(lián)在變壓器兩端或主開(kāi)關(guān)管S1兩端。本文采用后者，原因是兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以共地，能減少開(kāi)關(guān)電源外圍器件。諧振電感Lr用來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通。開(kāi)關(guān)管S1、S2工作在互補(bǔ)狀態(tài)，并留有一定的死區(qū)時(shí)間。

圖1 有源箝位反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為方便分析，假設(shè)：

(1)所有元器件均具有理想特性；

(3)箝位電容Cc的容量足夠大，兩端電壓Uc可視為常數(shù)：Uc=Ud+nUo；

(4)電路已處于穩(wěn)定工作階段。

有源箝位反激變換器工作狀態(tài)可以分為6個(gè)工作時(shí)區(qū)，每個(gè)工作時(shí)區(qū)的工作過(guò)程分析如下[2-3]：

工作時(shí)區(qū)1[t0~t1]：開(kāi)關(guān)管S1開(kāi)通，S2斷開(kāi)，諧振電感電流iLr與勵(lì)磁電流iLm均線性上升，變壓器儲(chǔ)存能量，整流二極管Do處于截止?fàn)顟B(tài)。

工作時(shí)區(qū)2[t1~t2]：開(kāi)關(guān)管S1、S2斷開(kāi)，勵(lì)磁電流給電容Cr充電，其電壓UCr從零開(kāi)始上升。t2時(shí)刻，UCr上升到Uc，二極管D2導(dǎo)通。整流二極管Do處于截止?fàn)顟B(tài)。

工作時(shí)區(qū)3[t2~t3]：開(kāi)關(guān)管S1、S2斷開(kāi)，二極管D2導(dǎo)通。因?yàn)镃c?Cr，所以電感Lr、Lm主要和箝位電容Cc發(fā)生諧振。t3時(shí)刻，Upri(t3)=nUo，整流二極管Do導(dǎo)通。

工作時(shí)區(qū)4[t3~t4]：開(kāi)關(guān)管S1斷開(kāi)、S2開(kāi)通，整流二極管Do導(dǎo)通，勵(lì)磁電流線性減少，變壓器輸出能量，諧振電感Lr和電容Cc發(fā)生諧振。

工作時(shí)區(qū)5[t4~t5]：開(kāi)關(guān)管S1、S2均斷開(kāi)，諧振電感Lr和電容Cr諧振，勵(lì)磁電流仍然線性減小。t5時(shí)刻，電容Cr上的電壓諧振到零時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1反并聯(lián)的二極管D1自然開(kāi)通續(xù)流。

工作時(shí)區(qū)6[t5~t6]：開(kāi)關(guān)管S1、S2均斷開(kāi)，二極管D1導(dǎo)通以后，諧振電感電流線性增加，為了實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通，主開(kāi)關(guān)管S1必須在諧振電感電流為負(fù)電流時(shí)開(kāi)通，t6時(shí)刻，諧振電感電流iLr(t6)等于勵(lì)磁電流iLm(t6)，整流二極管Do截止，并開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。

2 電路主要元器件參數(shù)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的有源箝位反激變換器的參數(shù)要求如下：直流輸入電壓Ud范圍：15~30 V；額定輸出電壓Uo=33 V；額定輸出電流Io=0.18 A；額定功率Po=6W；開(kāi)關(guān)頻率fsw=640 kHz；效率η＞0.9。

2.1 高頻變壓器設(shè)計(jì)

變壓器在有源箝位反激變換器中充當(dāng)傳輸能量的元件，其設(shè)計(jì)思路和傳統(tǒng)的反激變換器的變壓器設(shè)計(jì)思路是完全一致的[4]。輸入電壓越低，占空比越大，峰值電感電流越大，所要求的勵(lì)磁電感也越大，所以應(yīng)該在最小輸入電壓的條件下設(shè)計(jì)變壓器的各項(xiàng)參數(shù)。

設(shè)電流紋波系數(shù)為±20%（r=0.4），則所需交流斜坡電流分量為△I=r×IL=0.26 A。在導(dǎo)通期間，根據(jù)公式U=L×d I/d t可求得勵(lì)磁電感最小值為：

根據(jù)公式n=ns/np，求得變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)np=3。

2.2 諧振電感設(shè)計(jì)

由于本文的高頻變壓器采用無(wú)氣隙的環(huán)形磁芯，該變壓器的漏感非常小，不足以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通，所以本文必須外加磁飽和電感來(lái)實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通。電路工作在工作時(shí)區(qū)5時(shí)，諧振電感Lr和電容Cr諧振，為了實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通，t4時(shí)刻，諧振電感Lr儲(chǔ)存的能量要必須大于結(jié)電容Cr儲(chǔ)存的能量，同時(shí)又必須滿足諧振電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電感，即：

將本文所設(shè)計(jì)的參數(shù)代入式(7)中，整理得到，0.27μH?62μH，取Lr=2.2μH。

2.3 箝位電容設(shè)計(jì)

電路工作在工作時(shí)區(qū)4時(shí)，諧振電感Lr和電容Cc發(fā)生諧振。通過(guò)分析，為了保證在開(kāi)關(guān)管S2斷開(kāi)之后，諧振電感Lr能及時(shí)將電容兩端的電壓諧振到零，產(chǎn)生主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通條件，工作時(shí)區(qū)4結(jié)束之后，諧振電感電流必須為負(fù)電流[5]，所以：

將本文所設(shè)計(jì)的參數(shù)代入式（8）中，整理得到，15.6 nF﹤Cc﹤60 nF，取 Cc=22 nF。

2.4 死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)

主開(kāi)關(guān)管S1的零電壓開(kāi)通實(shí)現(xiàn)還依賴于適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，電路工作在工作時(shí)區(qū)5時(shí)，電感Lr和電容Cr諧振，電容Cr上的電壓諧振到零，死區(qū)時(shí)間Td必須滿足：

將本文所設(shè)計(jì)的參數(shù)代入式（9）中，整理得到Td≥13.5 ns，取 Td=48 ns。

3 電路設(shè)計(jì)

本文采用NS公司最新推出的有源箝位專用芯片LM5025作為有源箝位反激變換器的控制器，其控制電路如圖2所示。采用前饋控制保持輸出電壓的穩(wěn)定，輸入電壓Ud、電阻R17、R14和電容C11共同決定了占空比D的大小。當(dāng)輸入電壓Ud發(fā)生變化時(shí)，占空比D會(huì)相應(yīng)變化，使得輸出電壓保持不變。二極管D7的作用是防止輸入端電壓反接，D6的作用是消除輸入端的浪涌尖峰電壓。電阻R16、R10組成輸入欠壓保護(hù)電路，電阻R11、R12決定了電源的開(kāi)關(guān)頻率，電阻R13決定了兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。

圖2 有源箝位反激變換器控制電路

功率電路如圖3所示，MOSFET選用IRF7350，其內(nèi)部集成一個(gè)N溝道MOSFET和一個(gè)P溝道 MOSFET，N溝道MOSFET的寄生結(jié)電容為46 pF。電容C4是輸入電解電容，電容C2是箝位電容，電感L1是諧振電感。電流檢測(cè)方法是采用電阻檢測(cè)，電阻阻值為1Ω。

圖3 有源箝位反激變換器電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

輸入直流電壓Ud=15 V時(shí)，主開(kāi)關(guān)管S1和輔助開(kāi)關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖4(a)所示。由圖4(a)可知，開(kāi)關(guān)頻率為640 kHz，主開(kāi)關(guān)管S1的占空比為70.5%，死區(qū)時(shí)間為48 ns；輸入直流電壓Ud=30 V時(shí)，主開(kāi)關(guān)管S1和輔助開(kāi)關(guān)管S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形如圖4(b)所示。由圖4(b)可知，開(kāi)關(guān)頻率為640 kHz，主開(kāi)關(guān)管S1的占空比為52.6%，死區(qū)時(shí)間為48 ns。

圖4 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

電路工作在滿載的條件下，輸入直流電壓Ud=15 V和輸入直流電壓Ud=30 V時(shí)，主開(kāi)關(guān)管S1兩端電壓umain和流過(guò)的電流imain的波形分別如圖5(a)和圖5(b)所示。由圖5可知，在主開(kāi)關(guān)管S1關(guān)斷期間，其兩端電壓umain被箝位在50～63 V之間，并且在主開(kāi)關(guān)管S1驅(qū)動(dòng)信號(hào)到來(lái)之前，電壓umain已經(jīng)諧振到0 V附近，之后電流imain才開(kāi)始從零上升，所以在輸入電壓允許的范圍內(nèi)，主開(kāi)關(guān)管S1基本實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。

圖5 主開(kāi)關(guān)管S1兩端電壓u main和電流i main

5 結(jié)論

本文在詳細(xì)分析有源箝位反激變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，基于有源箝位專用芯片LM5025完成了有源箝位反激變換器的前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了有源箝位反激變換器在不同輸入電壓下的實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)波形表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)一方面實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的前饋控制，另一方面在輸入電壓允許的范圍基本實(shí)現(xiàn)了主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通，有效地降低了MOSFET開(kāi)關(guān)損耗，提高了有源箝位反激變換器的效率，并驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的正確性和有效性。

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