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          電源電路設計之DC-DC正激變換器次級有源箝位電路

          2020年12月29日 12:08 ? 次閱讀

          作者:岳勝娥

          作者單位:武漢洲際通信電源集團技術中心,430035,武漢

          刊名:通信電源技術

          摘要:提出一種新型DC-DC正激變換器次級有源籍位電路。它一方面將儲存于變壓器漏感能量無損耗地轉移到負載,另一方面有效降低了次級功率二極管電壓應力。本文對其一個周期內工作原理及相關理論進行分析,并給出2.8kWDC-DC變換器實驗結果及波形。

          1前言

          圖1為正激變換器次級拓撲結構電路,VD1為整流二極管,VD2是續流二極管,Lf是輸出濾波電感,Cf是輸出濾波電容。當初級開關管開通時,VD1導通,VD2截止,初級能量向負載轉移;當初級開關管關斷時,VD1關斷,VD2開通,濾波電感電流通過VD2續流。以上只是理想狀態,若考慮功率二極管的反向恢復特性和變壓器漏感,當VD1(或VD2)處于反向恢復期時,有一沖擊電流流經變壓器,并將能量儲存于變壓器漏感中,此能量將使二極管承受較大的反向電壓沖擊。這樣一方面需選用較高耐壓等級的二極管,另一方面產生的EMI也較大。此外,由于變壓器存在繞線電阻,此能量會使變壓器發熱。如何有效處理漏感能量呢?常用的辦法是將無源RC緩沖電路與每只功率二極管并聯,如圖2所示,使漏感能量都消耗在緩沖器上。工作頻率越高,緩沖器消耗的能量越多,因此,變換器頻率和效率都不高。下面將介紹一種有源箱位電路,它能將功率二極管反向電壓籍位在一較低范圍內,并且能量回收電路將漏感所存儲的能量無損耗地轉移到負圖1DC載,便于實現變換器的小型化。

          圖1正激變換器次級拓撲結構電路

          圖2帶RC緩沖電路的功率二極管

          2電路原理分析

          DC一DC次級有源籍位電路如圖3所示,L2表示變壓器次級的漏感,由VDI,VD2,VD3,VD4,C1組成全橋結構籍位電路,VD1,VD2是正激變換次級主整流二極管和續流二極管。對于這種全橋結構,加在每個主二極管上的反向電壓就

          圖3DC一DC次級有源籍位電路

          是電容CI的電壓。因此,如果能將C1電壓籍在小于每個二極管的反向電壓,二極管就可實現安全籍位了VT3,L3,VD5,C:組成升一降壓式的能量回收電路。下面將分5個階段對DC-DC次級有源籍位電路一個周期內工作過程進行分析,參見圖4(圖中縱坐標比例不一致)。

          為了便于分析,作出如下假設:

          (a)輸出電感Lf足夠大,在一個開關周期內,其電流基本保持不變,因此L:和C;以及負載可看成一個電流為I。的恒流源;

          (b)變壓器除考慮次級漏感外視為理想器件;

          (c)主二極管VD;和續流二極管VD:除考慮

          反向恢復特性外其它均不考慮;

          (d)其它元件都是理想的。

          (1)t0一t1

          to時刻,變換器初級開關管開通,變壓器次級線圈電壓U,翻轉為Up,;/k,其中嘰*為初級直流電壓,k為變壓器初次級匝比。整流二極管VD,正向偏置導通,流過玩、VD,的電流線性增長,增長率為di/dt=Usec/L2。由于二極管的反向恢復特性,VD2尚未關斷,IVD2以相同的速率減小,但總的I0不變。

          (2)t1一t2

          IL2在t;時刻達到值IL2(max)二Io+IRR其中IRR為VD:的反向恢復電流峰值。t1時刻,VD2反向恢復期結束后關斷,VD2上開始有反向電壓,籍位二極管VD;導通。此時,籍位電路將加在VD:上的反向電壓籍位為C1的電壓,L:上多余的能量向C1轉移,IL2下降,Uc,增加。t:時刻,IL2=I0,VD4關斷

          可以計算出這段時間轉移到C2上的能量為:

          (3)t2一t3

          t2時刻,VT3開通,而在此之前,IL3=0,因此VT3實現了零電流開通,開通損耗很小。C1上儲存的能量通過負載一L3-VT3通路向負載和L3轉移,IL3增加。由于I。不變,IVDI將減小。t3時刻,C1復位

          (4)t3一t4

          t3時刻,變換器初級開關管關斷,同時VT3關斷,I0和IVDI線性減小,減率di/dt=U},/L29IVD2以相同速率線性增加。儲存于L3上的能量轉移到C:上,IL3減小,其減小率為dIL3/dt=一Uo/L3。若忽略R3損耗,(因為在模塊正常工作時R3上消耗的功率約0.3W),C:與負載并聯,這樣L3上的能量就轉移到負載上去了。

          圖4箱位電路工作原理波形

          (5)t4一t5

          t;時刻,IL2和,VDl達到負的,RR,而IVD2達到值,ID2(MAX)=Io+IRR,VD1關斷,籍位二極管VD3開通。此時,加在VD1上的反向電壓為籍位電容C1的電壓,漏感上的能量通過VD2-Cl-VD3-L:通路向C,轉移,UCi增加。t5時刻,IL2為0,這段時間轉移到C1上的能量為:

          t5時刻后,輸出電感通過VD:續流,以維持輸出電流連續。此后開始新的周期,狀態同(1)。

          3、性能分析

          3.1、能量分析

          由于變壓器的漏感與繞制工藝和磁芯材料有關,為了簡化分析在這里將它看成一常量。由以上分析可知:在一個開關周期內漏感所儲存的能量為

          那么單位時間內漏感所儲存的能量為

          式中,f為變換器的工作頻率)。若采用RC緩沖器與主二極管并聯,這部分能量全消耗在緩沖器上。由該式可看出,P與f成正比,這使得采用RC緩沖器的變換器工作頻率和效率難以提高。若采用本文介紹的能量回收電路,這部分能量全部轉移到負載上,有利于提高工作頻率和效率。

          3.2有源箱位分析

          由以上分析可知,在一個開關周期內漏感所儲存的能量均轉移到籍位電容C1上,由此可得C,上電壓增量△U為變換器的實驗結果。

          圖5是籍位電容C1兩端電壓波形。由圖可看出,其電壓是在160V平均電壓上有些波動,但值不超過180V。因此,整流(續流)二極管用低耐壓200V的二極管是很安全的。

          圖5箱位電容C1兩端電壓波形

          表1是可選用的兩種二極管的參數對比,顯然,200V比400V的二極管有更低導通壓降,同等條件下,用200V的二極管導通損耗更低。

          表1兩種二極管參數對比

          為了確保二極管安全箱位,也就是當籍位電容吸收漏感多余能量而電壓升高時二極管不會有燒壞的危險,籍位電容的電容量需要大些。這樣,在每個開關周期,籍位電容上的電壓就是在一平均電壓基礎上有微小的波動。由此可知,C1越大,DU越小。但C,越大,體積和價格也相應增加。因此,只要選擇合適的C,值,DU就可確定,U十△U(主二極管上的反向電壓)也確定了。將它與手冊上擬選用二極管的反向電壓相比較,即可確定二極管工作是否安全。表中,IRR反向恢復電流峰值在

          Tj=100℃條件下測得;OF導通壓降在if=60A,TI=150℃條件下測得。

          此外,經計算,(1)選用400V功率二極管,RC緩沖電路總損耗137W;

          (2)選用400V功率二極管,有源緩沖電路總損耗70W;

          (3)選用200V功率二極管,有源緩沖電路總損耗48W,,

          由此可見,選用200V功率管的有源緩沖電路比選用400V功率管的RC緩沖電路節省功率89W。對于2.8kW的變換器而言,可將效率提高3個百分點。

          5、結論

          由以上分析可知,次級有源籍位電路有兩個優點:(1)將功率二極管反向恢復期間存儲于變壓器漏感的能量無損轉移到負載;(2)降低功率二極管電壓應力。經實驗驗證,該電路設計是可行的。

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