高压输入多路输出双管反激变换器的设计
0 引言
相对于正激变换器来说,反激变换器不需要输出滤波电感,结构简单,成本降低。相对于半桥变换器来说,反激变换器输入电压范围广,适合各种不同电压等级场合。相对于其他非隔离输入变换器来说,反激变换器输入输出电气隔离,安全可靠性高。而且反激变换器易于多路输出,常用于多路输出的小功率场合[1]。但是对于输入电压较高的场合,单管反激变压器的开关管要承受约两倍输入电压的高压,这对系统的可靠性和开关管的选择都十分不利。本文介绍一种双管反激变换器的拓扑,对于改善高压场合反激变换器有十分明显的效果。
1 工作原理分析
电路图如图1所示:M1,M2 为主开关管;D1,D2 为箝位二极管;D3 为输出整流二极管;C1 为输出滤波电容;R1 为负载;LP 为变压器原边绕组等效电感,Lr 为变压器漏感;Ls 为变压器副边绕组等效电感。
与单管反激一样,双管拓扑中的主开关管开通时,把能量储存在磁路中,断开后,磁能转化为电能传至负载。电路中 D1,D2 把过剩的反激能量反馈回电源 D1,Uin。电路的工作模式可分为四个部分,如图 2 所示。
[t0~t1]t0 时刻,M1,M2 同时导通,D1,D2 关断,输入直流电压作用在变压器原边绕组电感和漏感上,变压器漏感电流线形上升,则有。箝位二极管 D1,D2 承受的反压为Uin,输出整流二极管 D3 承受的电压为 U0+UinN2 / N1,副边没有电流通过。到 t1 时刻,漏感电流上升到。
[t1~t2]t1 时刻,M1,M2 同时关断。但是由于电感电流不能突变,形成反向电压,D1,D2 导通,M1,M2 承受输入电压 Uin,同时输出整流二极管 D3 导通,副边有电流 iLs流过负载,电流大小为。原边电流 iLr 线性下降,则有,t2 时刻原边电流大小为下降至 0。
[t2~t3]时,M1,M2 仍然处在关断状态。t2 时刻,原边电流和箝位二极管上的电流下降为 0,副边电流达到最大值,此后呈线性下降,则有。箝位二极管 D1,D2 承受的电压为,开关管 M1,M2 上承受的电压也为。到 t3 时刻,副边电流下降为。
[t3~t4]t3 时刻,M1,M2 导通,直流输入电压 Uin 作用在变压器原边绕组电感和漏感上,原边电流开始线性上升,有。副边整流二极管 D3 仍然导通,副边电流 iLs(t) 以更大的斜率线性下降,为。t4 时刻,箝位二极管 D1,D2 反压从上升到 Uin,副边电流 iLs(t) 下降为 0,副边整流二极管 D3 反偏,开始下一个周期。
2 控制电路分析
峰值电流模式控制就是在传统电压单环控制的基础上引入电流内环控制,能够显著提高电源的性能:(1)具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应。(2)固有的逐个脉冲电流限制,简化了过载和短路保护。(3)消除了输出滤波电感带来的缺点,使电源系统由二阶降为一阶,系统不存在有条件的环路稳定问题。(4)对并联工作的多台电源能够实现自动均流等[2]。图 3 是峰值电流模式控制的原理图。当恒频时钟脉冲置为锁存器后开关管导通,变压器原边线圈瞬态电流 i1 上升,i1 经采样电阻 Rs 产生电流反馈电压 Vs。输出电压 V。反馈后与基准电压 Vref 经误差放大器比较放大,得到控制电压 Ve。当 Vs 峰值达到 Ve 电平值时,PWM 比较器状态翻转使锁存器复位,开关截止,等待下一个时钟脉冲。可见,输出电压决定的控制电压和电感电流决定的采样电压共同决定电源占空比的大小。
当电源工作在占空比 D≥50% 时,由于扰动信号产生的误差被逐渐放大,导致系统失控,电源的抗干扰性能差。可以采用加入斜率补偿的方法,实现电流峰值控制开关电源在占空比 D≥50% 时稳定工作。由于本电源采用双管反激的拓扑,开关管的占空比需要控制在 50% 以内,所以不需要加入斜率补偿。
控制芯片采用美国 Unitrode 公司的 UC3845。
采用固定工作频率脉宽调整方式,内部有 5V 精密基准电压。具有完善的欠压、过压及过流保护。
在双管反激电路中,两个开关管中间有一个为悬浮地,故不能直接驱动,采取变压器隔离驱动的方法。为了简化隔离驱动变压器的设计,降低成本,对接功率地的开关管采取直接驱动。
3 变压器参数设计[3]
根据已知条件确定总输出功率 P0,则变压器原边电流峰值为
(1)
式中 Vs 为变压器原边输入的直流电压,Dmax 为工作的最大占空比。
原边绕组电感量为
(2)
式中 Vs(min) 为变压器原边输入的最小直流电压。
变压器气隙长度
(3)
式中 Ae 和 ΔB 分别为有效磁路面积和工作磁感应强度。
原边匝数
(4)
副边匝数
(5)
根据上述公式计算得:原边电流峰值为 1.15A,原边绕组电感量为 0.835mH,气隙长度为 0.035cm,原边匝数为 56 匝,12V 输出取 7 匝,24V 输出取 14 匝,5V 输出取 5 匝,根据通过电流大小,选取不同的线径。在综合考虑窗口面积使用率的前提下,适当加大线径,以减小分布参数。
4 实验结果
以上结构的双管反激式电路较为适合一个 380V 三相交流输入的场合,作为验证本文分析的一个设计实例,其主要参数为:输入电压 380Vac,经整流滤波后直流为 500多伏;输出电压有 24V,12V,5V 三种共八路,总计功率约 60W,开关频率取100kHz,采用输出中的一路12V/400mA 作为电压反馈采样支路。储能式变压器磁芯选用锰锌铁氧体 EC35;上管驱动变压器选用锰锌铁氧体 EEl9;开关管选用 SSH5N90;箝位二极管选用 FR307。
图 4 为三相输入实验结果的波形。(a)为上开关管及驱动信号波形,开关管两端电压峰值约为 550V,经过一个振荡降为约 450V(见工作模态 2)。(b)为下开关管及驱动信号波形,开关管两端峰值约 550V。由上两图可明显看出,由于箝位二极管的存在,开关管的电压峰值被箝在输入电源电压。(c)为采样电阻电压及下开关管驱动信号波形;采样电阻两端的电压峰值约为 2V,即为原边电流波形,原边电流的尖峰是由副边二极管的反向恢复过程所引起的。另外,电路的分布参数和管子的性能差别,引起上下管开关过程中振荡的大小不同。
图 5 为开关管和变压器从开始工作到温度恒定时的温度变化情况。可明显看出开关管和变压器最高温度分别不超过 45℃ 和 35℃,开关管和变压器上的损耗较小。
图 6 为满载时不同电压输入条件下各输出支路的输出电压。实验结果证明:输入电压从 150~400Vac,各支路输出电压幅度已达到设计指标。
经数月的长期带载运行实验,应用各项稳态(如幅度、纹波、温升和效率)和动态(开停机、变负载和输入电压)等均符合设计要求,可靠性良好,已成功应用于某电力电子装置产品的辅助电源之中。
5 结论
实验结果证明:该电路输入电压范围宽,从直流150~510V 均能正常工作;采用箝位二极管,在反激过程中把开关管承受的电压尖峰箝制在输入电源电压,不但简化结构,节省成本,而且提高效率;用双管代替单管,每个开关管上承受的电压应力均为输入电源电压,扩大了开关管的选择范围,增加系统的可靠性。总体来说,双管反激的拓扑既保留了反激电路的优点,又扩大了开关管的选择范围,该电路非常适合高压输入的中小功率要求。
参考文献
[1] Abraham I Pressman.开关电源设计[M].王志强 (译).北京:电子工业出版社,2005.
[2] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术.北京:电子工业 出版社,2005.
[3] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[J].北京:电 子工业出版社,2004.
[4] Zhang Xiangjun,Liu Hankui,Xu Dianguo.Analysis and design of the flyback transformer[j].IECON, 2003,1:715-719.
[5] Jitaru Ionel Dan.High efficiency flyback converter using synchronous rectification[A].IEEE APEC proceedings[C].2002:867-871.
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