雙管正激變換器Saber仿真應(yīng)用研究

范立榮，楊 帆，張凱強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519070）

0 引言

單管正激變換器拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉等特點(diǎn)[1]，但必須在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間使高頻變壓器進(jìn)行去磁復(fù)位，因此必須增加去磁繞組或外加RCD復(fù)位，而外加RCD會(huì)造成較大的能量損失，使其變換器的效率下降。

本文在單管正激基礎(chǔ)上額外增加一個(gè)低功率的MOSFET和兩個(gè)高壓低功率二極管完成變壓器的磁通復(fù)位，并將儲(chǔ)存在電感中的能量返回到輸入端，沒(méi)有功率損耗，從而提高了電源的效率。

1 變換器電路模型

圖1為雙管正激變換器電路基本模型，圖中Q1、Q2為高壓低功率 MOSFET；D1、D2為 Q1、Q2內(nèi)部寄生的反并聯(lián)二極管；D3和D4為輸出整流和續(xù)流二極管，起能量的儲(chǔ)存及傳遞作用；T1為隔離和降壓用高頻變壓器；LP為原邊繞組電感；Ls為副邊繞組電感。高壓MOSFET-Q1和Q2關(guān)斷時(shí)通過(guò)D1、D2釋放能量，同時(shí)Np的漏感將通過(guò)D1、D2返回給輸入，因此變壓器初級(jí)無(wú)需再有復(fù)位繞組。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.1 電路設(shè)計(jì)規(guī)格

電路設(shè)計(jì)規(guī)格如表1所示。

表1 電路設(shè)計(jì)規(guī)格參數(shù)

2.2 高頻變壓器參數(shù)選型

（1）確定變壓器銘牌型號(hào)

首先選出與輸出功率大小及工作模式相匹配的高頻變壓器磁芯型號(hào)，同時(shí)結(jié)合成本考慮，在此選擇PQ32/30，Ap=2.408 6 cm4（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求得的 Ap值查磁芯規(guī)格表[2]）。

由相關(guān)公式求得變壓器初次級(jí)匝比n=0.236 8。

（3）求 CCM磁化激磁電感Lmag

由經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)公式計(jì)算原邊所需最小電感量為L(zhǎng)mag=5.495 mH。

（4）計(jì)算初次級(jí)匝數(shù)

經(jīng)計(jì)算，原邊繞組匝數(shù)可取50匝，次級(jí)繞組取12匝。

2.3 高壓MOSFET選型

功率管Q1、Q2可選擇800 V功率 MOSFET，電流可按變壓器最大初級(jí)峰值計(jì)算為4 A，適當(dāng)留一些裕量及功率擴(kuò)展，因此選擇800 V/7 A的FQA7N80C功率管。

3 變換器Saber模型仿真

3.1 Saber簡(jiǎn)介

Saber是美國(guó)Synopsys公司的一款EDA軟件，它為復(fù)雜的混合信號(hào)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的混合仿真器，可以解決從系統(tǒng)開(kāi)發(fā)到詳細(xì)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等一系列問(wèn)題[3]。Saber中含有豐富的模型庫(kù)，尤其是含有豐富的變壓器模型，可兼容擴(kuò)展Spice模型，因此非常適合于開(kāi)關(guān)電源及含PFC類(lèi)的仿真，本文充分利用Saber軟件這一功能在其軟件中搭建相關(guān)模型，并取得了較好的控制效果。

3.2 變換器仿真

開(kāi)關(guān)電源控制芯片采用Saber中較為通用的uc系列電流脈寬控制型芯片，使電源系統(tǒng)由二階降為一階，使系統(tǒng)不存在有條件的環(huán)路穩(wěn)定問(wèn)題。同時(shí)由于雙管正激拓?fù)涔ぷ髟谡伎毡菵＜0.5，故不需要像在單管正激中加入磁芯復(fù)位繞組。系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

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圖2 變換器Saber仿真模型原理圖

3.2.1 最低輸入電壓最大負(fù)載情況

設(shè)置 V1=Vin=Vinmin=265 V，負(fù)載 R5=242/200=2.88 Ω，圖3為仿真波形。圖中，從上到下依次為Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)PWM波信號(hào)、變壓器原邊激磁電感兩端電壓信號(hào)、上橋臂Q1-Vds信號(hào)、內(nèi)部寄生二極管D1及變壓器初次級(jí)端電流信號(hào)。

圖3 仿真波形

從圖3可以看出，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足雙管正激驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)要求，驅(qū)動(dòng)最高幅值為14.716 V，開(kāi)關(guān)頻率f=102.26 kHz，最大占空比與設(shè)計(jì)的大體一致，說(shuō)明設(shè)計(jì)正確。

圖4給出了輸出電壓及輸出電感電流波形。

圖4 仿真輸出波形

從圖4（a）可以看出，輸出電壓及電感電流波形動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能良好（10 ms即達(dá)到穩(wěn)態(tài)）；從圖 4（b）看出，主路24 V輸出23.898 V，電壓紋波均在10 mV以?xún)?nèi)，滿足設(shè)計(jì)精度150 mV要求，電流紋波為53.6 mA，在100 mA以?xún)?nèi)，均滿足設(shè)計(jì)精度要求。

3.2.2 額定電壓滿負(fù)荷情況

設(shè)置 Vin=Vinnom=311 V，主路 24 V負(fù)載 2.88 Ω，圖 5為仿真輸出波形。圖中，從上到下為Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)PWM波信號(hào)、變壓器原邊激磁電感兩端電壓信號(hào)、上橋臂Q1-Vds信號(hào)、內(nèi)部寄生二極管D1及變壓器初次級(jí)端電流信號(hào)。

圖5 仿真輸出波形

從圖5可以看出，兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足正激驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求，驅(qū)動(dòng)最高幅值為13.961 V，開(kāi)關(guān)頻率f=103.24 kHz，最大占空比為0.408 23，功率管承受最大峰值為電源電壓311.85 V。

圖6給出了輸出電壓及輸出電感電流波形。

圖6 仿真輸出波形

從圖 6可以看出，主路 24 V輸出24.005 V，電流輸出8.020 8 A，電壓紋波均在10 mV以?xún)?nèi)，電流紋波為58.49 mA，均滿足設(shè)計(jì)精度要求，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間比低壓滿載快，為11 ms左右。

3.2.3最高工作電壓輕載情況

設(shè)置輸入最高工作電壓 360 V，主路負(fù)載100 Ω，即負(fù)載為滿載的6/200=1/30時(shí)（略小），測(cè)試變換器的輕負(fù)載特性，圖7為仿真輸出波形。圖中從上到下依次為Q1、Q2的驅(qū)動(dòng)PWM波信號(hào)、變壓器原邊激磁電感兩端電壓信號(hào)、上橋臂Q1-Vds信號(hào)、內(nèi)部寄生二極管 D1及變壓器初次級(jí)端電流信號(hào)。

圖7 仿真輸出波形（帶載約6 W）

從圖7可以看出，2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿足雙管正激驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)要求，驅(qū)動(dòng)最高幅值為14.017 V，開(kāi)關(guān)頻率 f=101.66 kHz，最小占空比為0.313 63。功率管承受最大峰值為360.79 V，接近電源電壓。

圖8給出輸出帶不同負(fù)載情況下其驅(qū)動(dòng)PWM波形、輸出電壓及電流波形。

圖8 仿真輸出波形

對(duì)比圖 8（a）、（b）可以看出，系統(tǒng)在高壓輕載時(shí)系統(tǒng)工作在DCM模式，輸出電壓會(huì)過(guò)沖，而輸出電感電流亦會(huì)有一段 754 μs死區(qū)（即 PWM波丟失階段，死區(qū)時(shí)間隨著負(fù)載的減輕而增加）。表2是由仿真負(fù)載數(shù)據(jù)從6 W～30 W時(shí)相對(duì)應(yīng)的輸出電壓及占空比的值。

表2 負(fù)載不同時(shí)與之對(duì)應(yīng)的輸出電壓及占空比

因此，雙管正激不太適合工作在輕載及空載場(chǎng)合，正常情況下應(yīng)帶一定假負(fù)載，如本文設(shè)計(jì)的需帶一定假負(fù)載20 W （即需要設(shè)計(jì)者調(diào)試出在最高輸入電壓下最輕負(fù)載下滿足的最低占空比）。

4 結(jié)論

總體來(lái)說(shuō)，雙管正激比單管正激拓?fù)浜?jiǎn)單，磁復(fù)位電壓等于輸入電壓，最大占空比因此被限制在低于50%以下，不存在單管正激磁芯復(fù)位問(wèn)題，可靠性高，不僅擴(kuò)大了開(kāi)關(guān)管及其負(fù)載功率的選擇范圍，更有利于散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以較少考慮精確激磁電感和漏感的影響，對(duì)中等功率等級(jí)有很大的適應(yīng)性，因此該變換器非常適用于高壓輸入及對(duì)精度要求較高的電源系統(tǒng)中，但適合工作在一定負(fù)載情況，不太適合工作在空載或很輕負(fù)載的場(chǎng)合。

[1]王國(guó)禮，金新民.采用LCD箝位電路的正激 DC-DC變換器[J].電工技術(shù)雜志，2000（12）：24-26.

[2]張友軍，張玉珍.雙管正激DC/DC變換器的損耗計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].江蘇電器，2005（6）：12-14.

[3]朱娟娟.基于 Saber的單相 Boost電路仿真與設(shè)計(jì)[J].科技廣場(chǎng)，2007（11）：213-215.