單端反激電路在適配器中的應(yīng)用及其在SIMetrix下的仿真

吳炳嬌

（上海矽睿半導(dǎo)體科技有限公司，上海201800）

單端反激電路在適配器中的應(yīng)用及其在SIMetrix下的仿真

吳炳嬌

（上海矽睿半導(dǎo)體科技有限公司，上海201800）

摘要：基于MOSFET的單端反激式拓?fù)潆娐吩?，討論了由單端反激電路組成的開(kāi)關(guān)電源在SIMetrix下建立的仿真電路，并進(jìn)行了仿真研究。為了進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)合開(kāi)關(guān)電源在適配器中的實(shí)際應(yīng)用電路，搭建了開(kāi)關(guān)電源實(shí)驗(yàn)電路，用示波器檢測(cè)了核心器件MOSFET在工作過(guò)程中兩端的電壓和電流波形，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了此仿真電路的可行性。根據(jù)仿真參數(shù)的變化，可以?xún)?yōu)化單端反激電路開(kāi)關(guān)電源各器件的參數(shù)。

關(guān)鍵詞：金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管；變壓器；單端反激；開(kāi)關(guān)電源；適配器；SIMetrix

1　引言

任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是基于一個(gè)或者多個(gè)電力電子器件，并結(jié)合控制電路、濾波電路、保護(hù)電路等構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，單端反激電路因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于小功率輸出的場(chǎng)合，尤其作為中小型充電器、DVD播放器、開(kāi)關(guān)電源等的主拓電路而獲得廣泛應(yīng)用。單端反激電路因其不需要磁通復(fù)位裝置的去磁電阻，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，因此它被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中。本文針對(duì)由Buck電路延伸來(lái)的單端反激基本變換電路，對(duì)其進(jìn)行原理分析和建模仿真，并對(duì)其在適配器中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究。

2　單端反激變換電路的特點(diǎn)及其理論基礎(chǔ)

不同材質(zhì)的鐵芯用于不同的工作頻率下，對(duì)于單端反激電路中的變壓器，歸根到底是開(kāi)關(guān)電源類(lèi)的應(yīng)用，變壓器需在高頻狀態(tài)下工作。由于鐵氧體材料有很好的儲(chǔ)能和抑制信號(hào)傳輸過(guò)程中尖峰和振鈴的作用，因此被廣泛用作高頻狀態(tài)下變壓器的鐵芯。常規(guī)鐵氧體的工作頻率是十kHz量級(jí)至百kHz量級(jí)，其低頻下的特性不如硅鋼片，但普通硅鋼片的最高工作頻率不超過(guò)400Hz。鐵氧體無(wú)法工作于數(shù)十赫茲的工頻下，所以無(wú)法用它來(lái)做工頻變壓器。開(kāi)關(guān)電源上的鐵氧體高頻變壓器很小且匝數(shù)很少，其本質(zhì)原因在于鐵氧體的磁通量很大，理論上如果磁芯的磁通量趨于無(wú)窮，線(xiàn)圈的匝數(shù)可以趨于零。

開(kāi)關(guān)電源中的鐵氧體芯變壓器，一般不能將磁通密度用到飽和，經(jīng)常只用到飽和磁通密度的幾分之一。這是因?yàn)榇磐芏扔玫斤柡蜁r(shí)鐵損太大，變壓器溫度會(huì)太高。即使變壓器散熱很好，也有啟動(dòng)時(shí)的暫態(tài)過(guò)程問(wèn)題，不能用到接近飽和。在實(shí)際應(yīng)用中單端反激變壓器具有儲(chǔ)存能量和隔離的作用，是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)元件的重要組成部分。

單端反激電路的一個(gè)最明顯的特點(diǎn)是不需要考慮磁通復(fù)位原則，但這并不代表沒(méi)有磁通復(fù)位電路，反激也存在磁芯復(fù)位電路。在MOS關(guān)斷期間,輸出電壓感應(yīng)到原邊的反射電壓就是復(fù)位電壓，只不過(guò)復(fù)位電路用的是原邊的繞組。

變壓器磁芯中的磁通在開(kāi)關(guān)管T導(dǎo)通期間，隨原邊繞組的增大而增大，在T截止期間隨副邊繞組中電流的減小而減小。如果在每一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，磁通大于這個(gè)周期開(kāi)始時(shí)的磁通大小，則它將隨著周期的重復(fù)而逐漸增加，工作點(diǎn)逐漸上移，使勵(lì)磁電流增大，磁芯飽和，變壓器工作不能正常進(jìn)行，造成開(kāi)關(guān)的損壞。因此在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)變壓器磁芯中的磁通必須回歸到原來(lái)的位置，這就是磁通復(fù)位原則。單端反激變換器不需要專(zhuān)門(mén)的去磁繞組，電路簡(jiǎn)單。當(dāng)變壓器磁飽時(shí)就相當(dāng)于變壓器被短路了，就不能實(shí)現(xiàn)電-磁-電的轉(zhuǎn)換，所以它就不能帶負(fù)載工作了。

單端反激電路最大的限制就是輸出功率有限制，一般只有幾十瓦到一百瓦，其限制原因在其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，因?yàn)檩敵龉β嗜Q于通過(guò)變壓器原邊的電流峰值，也即變壓器能夠存儲(chǔ)的能量，而電流峰值又跟原邊的電感量、開(kāi)關(guān)頻率、占空比等因素有關(guān)。如果想把電源的功率做得很大，那么變壓器的原邊線(xiàn)圈的電感量會(huì)跟分布參數(shù)（比如漏感量）相近，最后沒(méi)有辦法繞制成一個(gè)合適的變壓器來(lái)。因此Flyback一般應(yīng)用在設(shè)計(jì)功率在100W以?xún)?nèi)的場(chǎng)合，根據(jù)電路的特點(diǎn)，選用耐壓較小的功率器件，一般是選用MOSFET。這里占空比比較小，不是因?yàn)榇磐◤?fù)位，而是由于開(kāi)關(guān)管的耐壓值的限制，由于MOSFET的承受電壓=US+n*U0，也就是說(shuō)MOSFET所能承受的電壓與輸出電壓有關(guān)，而輸出電壓又與占空比有關(guān)，所以一般考慮管子的耐壓，會(huì)限制占空比的大小，一般占空比會(huì)在0.5左右。

3　反激變換電路的三種工作模式

單端反激變換器的電路如圖1所示，單端反激變換器和Buck電路一樣也存在電流連續(xù)、電流斷續(xù)和電流臨界連續(xù)三種工作模式。這里的電流指的是變壓器原邊和副邊電流，也稱(chēng)作磁化電流。要分析它的三種工作模式，我們以經(jīng)常使用的功率器件MOSFET為例進(jìn)行分析。不同工作模式下涉及到變壓器和MOSFET的一些寄生器件。次級(jí)電流在MOSFET沒(méi)有打開(kāi)之前已經(jīng)歸零，就是斷續(xù)模式，反之為連續(xù)模式，當(dāng)觸發(fā)脈沖使MOSFET開(kāi)通時(shí)，恰好次級(jí)電流變?yōu)?，那么就是臨界連續(xù)模式。

圖1　包含變壓器、MOSFET、二極管寄生器件的單端反激電路

MOSFET關(guān)斷的時(shí)候，初級(jí)電流會(huì)給Coss充電。當(dāng)已經(jīng)關(guān)斷時(shí)，初級(jí)的線(xiàn)圈會(huì)阻礙電流變小，此時(shí)會(huì)給MOSFET的Coss充電，初級(jí)電感會(huì)感應(yīng)出下正上負(fù)的電動(dòng)勢(shì)，次級(jí)電壓變?yōu)樯险仑?fù)，二極管會(huì)導(dǎo)通但還未能導(dǎo)通。當(dāng)充電的電壓超過(guò)了輸入電壓與次級(jí)輸出電壓感應(yīng)到初級(jí)電壓之和時(shí)，二極管才會(huì)導(dǎo)通，勵(lì)磁電感上的電壓才會(huì)降到了nV0。這是因?yàn)?，在次?jí)二極管陰極的電壓是與輸出電壓相同的，由于初級(jí)電感上的電流不能突變則會(huì)通過(guò)MOSFET上端產(chǎn)生很大的電壓，Ui=Ldi/dt。由于開(kāi)關(guān)的瞬間關(guān)斷會(huì)使電流變化很大，會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰電壓。所以根本原因是二極管的陰極與電容相連，使二極管陽(yáng)極的電壓必須大于V0時(shí)二極管才會(huì)導(dǎo)通。Lk1和Coss之間的振蕩發(fā)生在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)候，由于Lk1上的電壓不會(huì)突變，但會(huì)產(chǎn)生下正上負(fù)的電動(dòng)勢(shì)。

圖2　單端反激電路的仿真模型

圖3　連續(xù)工作模式下的MOSFET兩端電壓輸出仿真波形

圖4　斷續(xù)工作模式下的MOSFET兩端電流輸出仿真波形

4　單端反激電路在SIMetrix下的仿真分析及電壓、電流檢測(cè)

在SIMetrix下建立單端反激電路的仿真模型，其主要包括變壓器、核心功率器件MOSFET及其控制模塊等，其保護(hù)和檢測(cè)電路仿真模型如圖2所示。圖中一個(gè)PROBE測(cè)量點(diǎn)在MOSFET的D極測(cè)量電壓，另一個(gè)PROBE測(cè)量點(diǎn)在S極分別測(cè)量MOSFET兩端的電壓和電流。仿真波形如圖3、圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用中，單端反激電路主要應(yīng)用于小功率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路中，比如電腦適配器中。實(shí)際應(yīng)用中會(huì)著重關(guān)注MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程，也就是一次和二次側(cè)換流過(guò)程中與MOSFET本身的寄生器件的諧振電路。在現(xiàn)有條件下，我們利用示波器對(duì)適配器中應(yīng)用于單端反激電路的MOSFET兩端的電壓與電流進(jìn)行測(cè)試。實(shí)際測(cè)試波形如圖5、圖6所示。

圖5　連續(xù)工作模式下MOSFET兩端的電壓波形

圖6　斷續(xù)工作模式下MOSFET兩端的電流波形

通過(guò)對(duì)適配器的測(cè)試波形與仿真波形對(duì)比可知，在SIMetrix下搭建的仿真模型是正確的，單端反激電路在斷續(xù)和連續(xù)工作模式下與理論分析是一致的，利用控制核心器件MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)控制其兩端的電壓和電流是有效和可行的。

5　結(jié)束語(yǔ)

Flyback電路有很多種形式，本文所討論的是Flyback最基本的一個(gè)電路。本文結(jié)合Flyback的基本原理對(duì)整個(gè)電路建立了仿真模型，并結(jié)合MOSFET在適配器中的實(shí)際應(yīng)用，用示波器測(cè)量了不同工作狀態(tài)下MOSFET兩端的電壓和電流，通過(guò)仿真波形對(duì)比和分析，表明在SIMetrix下搭建仿真模型是正確的，這為以后單端反激電路多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

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Application of single－ended flyback circuit in the adapter and the simulation in SIMetrix

WU Bing－jiao
（Shanghai Xirui Semiconductor Science and Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201800，China）

Abstract：The theory of the single－ended flyback topology circuit based on the MOSFET is introduced.The simulation circuit combined with the switching power supply composed of single ended flyback circuit is established and analyzed in SIMetrix.In order to further comparative analysis，combined with the practical application of the switching power supply in the adapter，a switching power supply experimental circuit is built.The voltages and current waveforms of both ends of the core device MOSFET during operation are detected with an oscilloscope.The simulation results are compared with the experimental results that proves the feasibility of this simulation.It establishes the foundation for optimizating the paramters of every part of the switching power supply devices based on the single－ended flyback circuit according to the changing of the simulation parameters.

Key words：MOSFET；transformer；single－ended flyback；switching power supply；adapter；SIMetrix

中圖分類(lèi)號(hào)：TM13；TP211＋.51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）05—0038—03

作者簡(jiǎn)介：

吳炳嬌，天津?qū)幒涌h人，中共黨員，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)與電力傳動(dòng)技術(shù)。

收稿日期：2015－04－30