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電源基礎:正激電路拓補結構研究

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本帖最后由木犯001號于2016-12-1415:51編輯電源基礎:正激電路拓補結構研究

1.引言

在各種間接直流變流電路中,正激DC/DC變換器具有電路拓補結構簡單,輸入輸出電氣隔離,電壓升、降范圍寬,易于多路輸出等優(yōu)點,因此被廣泛應用于中小功率電源變換場合,尤其在供電電源要求低電壓大電流的通訊和計算機系統(tǒng)中,正激電路更能顯示其優(yōu)勢。

但是在開關關斷期間,高頻變壓器必須磁芯復位,以防變壓器鐵心飽和,因此必須采用專門的磁復位電路。

正是由于磁復位技術的多樣性,以及軟開關技術的發(fā)展,導致正激電路拓補結構的多樣性。

隨著電力電子技術的發(fā)展,各種新的正激電路拓補結構不斷出現(xiàn),不同的拓補結構已有二十余種。

本文詳細闡述了正激電路拓補結構的分類,結構比較,和應用場合,并且分析了軟開關技術在正激電路中的應用。

2.基本電路結構

典型的單開關正激電路如圖1所示。

電路的簡單工作過程為:開關管S開通后,變壓器原邊電壓上正下負,根據同名端,負邊電壓也為上正下負,因此二極管D1導通,D2截止,電感電流逐漸增長;S關斷后,二極管D2導通,D1截止,電感電流通過D2續(xù)流。

變壓器的勵磁電流通過磁復位電路降為零,防止磁芯飽和。

圖1正激電路的原理圖

此帖出自電源技術論壇

電源


3.各種拓補結構的分類及比較正激電路拓補結構多種多樣,大致可以這樣分類:根據驅動管子個數,可分為單管正激,雙管正激;根據磁芯復位技術的不同,可分為輔助磁通繞組復位,LCD緩沖網絡復位,RCD箝位復位,有源箝位復位;根據拓補結構的形式不同,可分為單個變換器和串、并組合變換器。

3.1單管正激與雙管正激單管正激如圖1所示。

雙管正激有兩個開關管,其基本結構就比單管正激多一個開關管,原理圖如圖2所示。

圖2雙管正激電路原理圖單管正激在S關斷后,開關管承受的電壓高于電源電壓,雙管正激由于有兩個開關管,每個開關管承受的關斷電壓只有單管的一半,因此電壓應力大大減小。

雙管正激電路有很多有點:主管的電壓應力小,電路簡單,控制方便,電路的動態(tài)性能好,可靠性高,不存在橋臂直通,拓寬了電路的功率等級。

但是與單管正激相比雙管正激因為有兩個管子,需要兩套驅動裝置,因此它的這些有點是以電路復雜性為代價的。

3.2磁芯復位電路目前,正激電路磁芯復位技術主要有:輔助磁通繞組復位,LCD箝位復位,RCD箝位復位,有源箝位復位。

輔助磁通繞組復位是一種傳統(tǒng)的磁芯復位方法,電路原理圖如圖3所示,它增加了一個附加線圈,在開關管關斷的時候,磁化能量通過輔助磁通繞組回饋到電源,磁化能量無損。

但是變壓器需要增加一附加線圈,繞制難度加大,同時體積也增大,而且,開關關斷后,變壓器的漏感將導致大的關斷尖峰電壓,需要附加抑止尖峰電壓電路。

占空比不能超過0.5,不適合大功率輸出場合。

圖3輔助磁通繞組復位電路RCD箝位復位電路原理圖如圖4所示。

開關管關斷后,磁化能量一部分轉移到開關管并聯(lián)電容Cs中,一部分消耗在箝位電阻R上。

與輔助磁通繞組復位相比,RCD箝位復位電路結構簡單,開關管關斷電壓箝位在Uc+Uin,不會出現(xiàn)尖峰電壓,且占空比可以大于0.5,輸入電壓范圍可以很寬。

它的缺點是大部分磁化能量消耗在箝位電阻R中,因此適合于廉價、效率要求不太高的功率變換場合。

圖4RCD箝位復位電路LCD緩沖網絡復位電路原理圖如圖5所示。

開關管關斷后,磁化能量存儲在箝位電容Cc中,開關管關斷電壓箝位在2Uin,Lc中能量無損地回饋到電源。

LCD箝位復位電路結構簡單,開關管關斷電壓箝位固定,避免了尖峰電壓;而且不存在耗能元件,屬于無損復位,提高了電路變換效率;而且電路地可靠性高,通過選取適合地箝位電路元件值,可以保證電路工作在較寬地負載范圍內,且箝位電容Cc的電壓值、電感Lc的電流峰值不改變。

占空比最大為0.5,輸入電壓范圍受限,因此適合于中等功率高效變換場合。

圖5LCD緩沖網絡復位電路有源箝位復位電路原理圖如圖6所示。

輔助開關VF1用來提供變壓器磁化能量的回饋路徑。

主開關VF關斷后,部分磁化能量轉移到Cs中,致使VD開通,然后在VF1上加開通信號,實現(xiàn)零電壓開通,磁化電流一直下降到負向;VF1關斷后,磁化電感與Cs諧振,能量一部分回饋到電源,一部分轉移在磁化電感中;然后開通VF,開始新的周期。

有源鉗位正激變換器具有如下特點:①變壓器磁化能量和漏感能量可重復利用;②開關管承受的電壓低;③開關管易實現(xiàn)零電壓開通,損耗??;④占空比d可大于0.5,適合于寬輸入電壓場合;⑤變壓器鐵心工作在一、三象限雙向對稱磁化,鐵心利用率高,銅損小。

不足之處是它多用一個鉗位開關,增加了驅動電路難度和變換器成本。

圖6有源箝位復位電路3.3組合變換電路單個變換器有時候不能滿足輸出高電壓、大電流、大功率的應用場合,這時就需要用到組合變換器,組合變換電路是在單個變換器的基礎上進行串連、并聯(lián)、串-并聯(lián)組合而成的。

它可以在單管正激變換器的基礎上組合,也可以在雙管正激變換器的基礎上組合,因此其拓補結構非常豐富。


4.軟開關技術在正激電路中的應用傳統(tǒng)的正激電路工作在硬開關,當輸入電壓和開關頻率增大時,開關器件的損耗也越來越大。

為了提高電路變換的整體效率,有必要使用軟開關技術,降低開關損耗,同時減少電磁干擾(EMI)。

圖7為典型的ZVT-PWM變換器。

它是在普通變換器的基礎上,配以電感、電容和輔助開關管組成的,使主開關與諧振電容并聯(lián),利用電感和電容的諧振實現(xiàn)軟開關。

其主開關實現(xiàn)了零電壓通斷,輔助開關為零電流開通、零電壓關斷。

圖7典型的ZVT-PWM變換器軟開關的實現(xiàn)減少了功率開關器件的開關損耗和電磁噪聲,使變換器得以高頻高效運行;同時也減小了開關管的電壓應力和電流應力。

目前正激變換器也趨向于使用軟開關技術,但是開關器件的開通和關斷并沒有完全實現(xiàn)軟開關,主開關和輔助開關沒有同時實現(xiàn)軟開關,或者其零電壓開通和關斷很大程度上依賴于電路參數和負載特性。


5.結論本文介紹了幾種正激電路的分類方法,對他們的結構特點進行了比較。

單管正激電路結構簡單,但是承受的電壓應力大,雙管正激電路復雜,每個管子承受電壓只有單管的一半,因此應用的功率等級范圍大。

在磁芯復位方法上,輔助磁通繞組復位電路復雜;RCD箝位復位電路簡單,輸入電壓范圍大,但是損耗大,變換效率低;LCD緩沖網絡復位電路簡單,變換效率高,但輸入電壓受限;有源箝位復位,開關管承受應力不大,磁芯利用效率高,電壓輸入范圍也寬,且可以實現(xiàn)軟開關,損耗低,但是多一個功率管,增加了驅動和控制電路的復雜性。

組合變換電路是在單管或者雙管單個變換電路的基礎上,組合而成的,多用于高電壓、大電流、大功率需求場合。

軟開關變換器,開關管實現(xiàn)了軟開關,且能夠保持恒頻運行,不可能同時存在高電壓和大電流,開關所受的應力和損耗最小,且開關噪聲低,是正激電路研究的方向,有很大的應用前景,尤其在高壓高頻場合更能發(fā)揮其優(yōu)勢。


6.預期的研究方向目前,正激電路拓補結構的研究比較成熟,各種電路拓補結構似乎也很完備,因此它的一個發(fā)展方向就是順應集成電路的發(fā)展,向少元件、少損耗、少EMI、小型化、輕型化的方向發(fā)展;另外,研制滿足微電子系統(tǒng)的低電壓、大電流要求的變換器,以及運用組合變換方式,研制滿足高電壓、大電流應用場合的高效、高可靠性變換器也是一個發(fā)展方向。

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