基于有源箝位反激拓?fù)涞母咝C/DC變換器研究

李媛媛+王毅+劉林+劉金鵬

摘要：本文介紹了有源箝位軟開關(guān)技術(shù)在高效DC/DC變換器設(shè)計(jì)中的技術(shù)方案，分析了有源箝位反激拓?fù)潆娐返脑?，并通過一款Sw的DC/DC變換器仿真和電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)，驗(yàn)證了有源箝位反激拓?fù)潆娐穼?duì)于提高效率是非常有效的。

【關(guān)鍵詞】有源箝位 反激拓?fù)?高效率

1 引言

隨著電子設(shè)備不斷小型化發(fā)展，要求供電電源的體積隨之小型化，電源體積的減小意味著散熱能力的變差，因而要求電源的功耗變小，即在輸出功率不變的前提下，效率必須提高。特別是開關(guān)電源在航空航天技術(shù)上的應(yīng)用與發(fā)展，對(duì)高效、小型化電源的需求十分迫切。提高開關(guān)電源的功率密度和電源轉(zhuǎn)換效率，使之小型化、輕量化是人們不斷努力追求的目標(biāo)。高頻化、軟開關(guān)技術(shù)作為電源小型化的主要技術(shù)手段之一，近年來(lái)是國(guó)際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一。

本文介紹一種Sw功率雙路輸出的高效率、高功率密度DC/DC變換器的設(shè)計(jì)方案，通過有源箝位反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在保證產(chǎn)品體積做小的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了76%的較高轉(zhuǎn)換效率。此外，該DC/DC變換器還具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、軟啟動(dòng)、禁止控制等多項(xiàng)輔助功能。

2 有源箝位反激變換器原理及分析

有源箝位反激變換器電路拓?fù)浼霸聿ㄐ?，分別如圖1、圖2所示。

變壓器用勵(lì)磁電感Lm、諧振電感Lr（包括變壓器漏感和外加小電感）和只有變比關(guān)系的理想變壓器T表示，Cr為等效電容，是兩個(gè)開關(guān)管Sl（主開關(guān)管）和S2（輔助開關(guān)管）等效寄生電容之和。穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，每個(gè)開關(guān)周期可分為九個(gè)工作時(shí)段，其工作過程為：

（1）當(dāng)t=t0- tl：tO時(shí)，Sl開通，S2及其反并聯(lián)二極管D2與整流二極管D3均關(guān)斷，Lm與Lr線性充電，諧振電感電流i，。與勵(lì)磁電感電流iLm相等并在輸入電壓的作用下線性上升：

（2）當(dāng)t=tl～t2：t1時(shí)，Sl、S2、D3均關(guān)斷，勵(lì)磁電感電流對(duì)Cr充電，電感Lr、Lm與Cr諧振：

（3）當(dāng)t=t2-t3：t2時(shí)，S2反并聯(lián)二極管D2自然導(dǎo)通，因?yàn)镃c》Cr，電感Lr、Lm主要與Ce諧振：

（4）當(dāng)t=t3-t4：t3時(shí)，D3導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被箝位在u_pri（t）=-nU₀，諧振電感Lr和箝位電容Cc諧振，勵(lì)磁電感電流線性減??；

（5）當(dāng)t=t4-t5：t4時(shí)，S2開通，其他電路狀態(tài)同t3-t4；

（6）當(dāng)Ft5～t6： t5時(shí)，諧振電感電流i_Lr等于零，此后，i_Lr開始反向；

（7）當(dāng)t=t6～t7： t6時(shí)，S2關(guān)斷，勵(lì)磁電感電流線性減小，負(fù)的諧振電感電流iLr將抽取寄生電容Cr上的能量，諧振電感Lr和寄生電容Cr諧振，諧振期問變壓器原邊電壓仍被箝位在-nU。；

（8）當(dāng)t=t7-t8： t7時(shí)，寄生電容Cr的電壓諧振到零，S1的反并聯(lián)二極管DI導(dǎo)通，勵(lì)磁電流iLm線性減小，諧振電感電流iL。線性增加；

（9）當(dāng)t=t8～tO： t8時(shí)，SI開通，勵(lì)磁電流iLm繼續(xù)線性減小，諧振電感電流iLr繼續(xù)線性增加，tO時(shí)，D3截止，該工作周期結(jié)束，進(jìn)入下一工作周期。

通過以上工作過程分析可知，有源箝位反激變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）箝位電容Ce將變壓器漏感中能量回饋到電源中，消除了變壓器漏感引起的關(guān)斷電壓尖峰及損耗，并且有效減小了功率開關(guān)管上的電壓應(yīng)力；

（2）利用諧振電感和箝位電容、寄生電容諧振實(shí)現(xiàn)主、輔開關(guān)管的零電壓開通，降低了功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，提高了效率。

為了實(shí)現(xiàn)主、輔開關(guān)管的零電壓開通（ZVS），需滿足的條件為：在Sl開通信號(hào)到來(lái)之前，諧振電感Lr將寄生電容Cr兩端電壓諧振到零；S2在諧振電流反向之前觸發(fā)導(dǎo)通。

3 5W功率DC/DC變換器設(shè)-l-

主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）輸入直流電壓：14V～40V；

（2）輸出直流電壓：+5V；

（3）輸出電流：0.5A；

（4）輸出功率：5w；

（5）轉(zhuǎn)換效率：73%；

（6）電壓調(diào)整度：≤20mV；

（7）電流調(diào)整度：≤50mV；

（8）交叉調(diào)整度：≤220mV；

（9）輸出紋波電壓：≤50mV；

（10）開關(guān)頻率：400kHz～600kHz；

為了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)電路參數(shù)。

3.1 主要電路設(shè)計(jì)

3.1.1 有源箝位電路設(shè)計(jì)

有源箝位電路由PMOS管及其驅(qū)動(dòng)電路和筘位電容構(gòu)成，具體電路如圖3所示。

（1） PMOS管驅(qū)動(dòng)電路一一電平移位。PMOS管驅(qū)動(dòng)電平為負(fù)，脈寬調(diào)制器輸出的驅(qū)動(dòng)AUX電平為正，電容C1、二極管V1、電阻R構(gòu)成電平移位電路。當(dāng)AUX為+V_AUX時(shí)，電容Cl、二極管Vl形成通路，Cl兩端電壓充至+V_AUX，PMOS管關(guān)斷；當(dāng)AUX為O時(shí)，電容兩端電壓不可突變，PMOS管G級(jí)電平為-V_AUX，導(dǎo)通。此時(shí)電容Cl通過電阻R放電，當(dāng)放電時(shí)問常數(shù)夠大時(shí)，在PMOS管導(dǎo)通時(shí)問內(nèi)電容Cl兩端電壓基本維持在-V_AUX。

對(duì)于R和C1放電電路，電容C1兩端電壓為指數(shù)型下降。一個(gè)時(shí)問常數(shù)τ（τ=R×Cl）后，電容電壓下降至初值的36.8%.三四個(gè)τ后，可認(rèn)為放電完成。取時(shí)問常數(shù)τ為開關(guān)周期的100倍，則PMOS管導(dǎo)通時(shí)問大約在1/200個(gè)時(shí)問常數(shù)（占空比作0.5）?？烧J(rèn)為驅(qū)動(dòng)電壓基本不變。

3.2 電路仿真與測(cè)試結(jié)果

3.2.1 仿真結(jié)果

采用Saber仿真軟件仿真得到的波形如圖5所示，分別為啟動(dòng)電壓波形和28V輸入時(shí)功率開關(guān)管漏極電壓波形，輸出電壓沒有啟動(dòng)過沖，功率開關(guān)管漏極電壓波形正常，因仿真原理圖中未采用有源箝位電路，功率開關(guān)管電壓應(yīng)力比實(shí)際采用有源箝位的大。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)波形見圖6，從波形圖可以看出，輸出電壓沒有啟動(dòng)過沖，主功率開關(guān)管漏極電壓波形平穩(wěn)，沒有尖峰和振蕩。

實(shí)測(cè)結(jié)果與Interpoint公司相同功率等級(jí)雙路DC/DC變換器指標(biāo)對(duì)比如表1所示。開關(guān)頻率500kHz，效率76.8%，實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的合理性和有效性，本方案指標(biāo)完全滿足Interpoint產(chǎn)品指標(biāo)要求，并且輸入電壓范圍更寬、效率更高。

4 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要論證了有源箝位軟開關(guān)技術(shù)在高效DC/DC變換器中的應(yīng)用方案，對(duì)有源箝位反激變換器的電路原理進(jìn)行了分析；同時(shí)，設(shè)計(jì)了一款5w高效DC/DC變換器，通過電路仿真和實(shí)測(cè)技術(shù)指標(biāo)的比對(duì)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案是合理有效的。綜上，在高效DC/DC變換器設(shè)計(jì)中，采用有源筘位軟開關(guān)技術(shù)是非?？扇〉囊环N技術(shù)方案，特別是對(duì)于輸出低壓大電流的DC/DC變換器設(shè)計(jì)，同時(shí)配以同步整流技術(shù)，可大大提高電源效率。

參考文獻(xiàn)

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