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反激式開(kāi)關(guān)電源的零電壓開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

2011-02-16 09:17 來(lái)源:電源網(wǎng) 編輯:Sky

摘要:簡(jiǎn)要的介紹了反激式開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)和緩沖電路存在的問(wèn)題,提出零電壓開(kāi)關(guān)的電路拓?fù)洌敱M地分析了各階段的工作過(guò)程,提出了控制方式和實(shí)現(xiàn)方法,分析了本文電路的性能和需要注意的問(wèn)題。

敘詞:零電壓開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)緩沖電路

 

反激 式 開(kāi) 關(guān)電源以電路簡(jiǎn)單電磁干擾相對(duì)小而得到廣泛應(yīng)用,對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓尖峰和EMI也提出了更高的要求,通常減小EMI的方法主要是采用自激型反激式開(kāi)關(guān)電源,用開(kāi)關(guān)速度相對(duì)慢的雙極晶體管作為主開(kāi)關(guān);加大緩沖電路電容量來(lái)降低關(guān)斷過(guò)程的dz/dt,di/dt產(chǎn)生的EMI用減緩導(dǎo)通過(guò)程減小開(kāi)通EMI,付出的代價(jià)是電源效率下降,發(fā)熱量大,可靠性下降。因而需要一種低EMI,高效的反激式開(kāi)關(guān)電源,軟開(kāi)關(guān)反激式開(kāi)關(guān)電源,便是比較理想的解決方案。

1 零電壓開(kāi)關(guān)

零 電壓 開(kāi) 關(guān)反激式開(kāi)關(guān)電源主電路如圖1

 

主要波形 如圖2,電路工作過(guò)程分為四個(gè)階段:開(kāi)關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段,變壓器釋放儲(chǔ)能階段,緩沖電路復(fù)位階段,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段。



1.1 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段

 

圖 2波 形 中,t。一t。期間為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷及緩沖電路作用階段,等效電路如圖3,在t。時(shí)刻控制電路將開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,變壓器初級(jí)電流由開(kāi)關(guān)管向緩沖電容器轉(zhuǎn)移,開(kāi)關(guān)管電流下降,緩沖電容器電流上升,開(kāi)關(guān)管電流下降,直到零變壓器初級(jí)電流全部轉(zhuǎn)移到緩沖電容器,等效電路如圖3,開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷過(guò)程結(jié)束開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程的長(zhǎng)短取決于開(kāi)關(guān)管自身特性和控制電路,一般為開(kāi)關(guān)周期的1/100 - 1/201〕或百納秒左右。由于緩沖電容器上的電壓不能躍變,使開(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中漏、源電壓很低接近于零,實(shí)現(xiàn)了“零電壓.關(guān)斷。為確保“零電壓”關(guān)斷,緩沖電容器應(yīng)取較大值,這樣開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷過(guò)程結(jié)束時(shí)緩沖電容器電壓仍為很小值,變壓器初級(jí)電壓極性沒(méi)有改變,輸出整流二極管陽(yáng)極反向電壓不能導(dǎo)通,變壓器初級(jí)電流仍需流過(guò)緩沖電容器,直到緩沖過(guò)程結(jié)束。緩沖過(guò)程的持續(xù)時(shí)間約為開(kāi)關(guān)周期1/20左右,與開(kāi)關(guān)周期相比相對(duì)很短,變壓器初級(jí)電流變化很小,為分析方便可以認(rèn)為變壓器初級(jí)電流不變,這樣緩沖電容器電壓為:

 

其中I,"為t:時(shí)刻變壓器初級(jí)電流值,可近似為‘。時(shí)刻值。當(dāng)級(jí)沖電容器電壓上升到、二E;e十VR ( VR為穩(wěn)壓電源輸出電壓反射到變壓器初級(jí)側(cè)電壓值)后,即k時(shí)刻,輸出整流二極管導(dǎo)通,變壓器儲(chǔ)能經(jīng)輸出整流二極管想輸出端釋放,變壓器初級(jí)電流為零。電路進(jìn)入變壓器釋放儲(chǔ)能階段。

1.2 變壓器釋放儲(chǔ)能階段

 

當(dāng) 、 上升 到E}+Vo后,輸出整流二極管導(dǎo)通,電路進(jìn)人變壓器釋放儲(chǔ)能階段,對(duì)應(yīng)t,一t,期間,等效電路如圖4.

 



變壓 器 通 過(guò)次級(jí)繞組、輸出整流二極管向輸出端釋放儲(chǔ)能。變壓器次級(jí)電流為:

 

 
其中/do)為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)變壓器初級(jí)電流反射到次級(jí)側(cè)電流值,L,為變壓器次級(jí)電感,V.為輸出電壓

  



變壓 器 次 級(jí)電流降到零,變壓器儲(chǔ)能全部釋放,輸出整流二極管自然關(guān)斷,電路進(jìn)人緩沖電路復(fù)位階段。

1.3 緩沖電路復(fù)位階段

緩沖 電 路 復(fù)位階段對(duì)應(yīng)t,一‘。期間為使緩沖電容器在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期能起到緩沖作用,保證開(kāi)關(guān)管“零電壓”關(guān)斷和“零電壓”開(kāi)通,需將緩沖電容器放電,將電荷全部泄放,即復(fù)位。與有損耗緩沖電路不同,無(wú)損耗緩沖電路采用LC諧振方式將緩沖電容器復(fù)位,本文電路的復(fù)位電感為變壓器初級(jí)電感。電路如圖5當(dāng)變 壓 器 儲(chǔ)能釋放盡,由于緩沖電容器上電壓,。高于電源電壓E,緩沖電容器通過(guò)變壓器初級(jí)電感以LC諧振方式將緩沖電容器電壓復(fù)位,由于復(fù)位過(guò)程緩沖電容器電壓將低于E‘十V ,輸出整流二極管自然關(guān)斷,等效電路為:

由此 可 見(jiàn) ,本文提出的零電壓開(kāi)關(guān)電路,除關(guān)斷緩沖、緩沖電路復(fù)位外,變壓器均處于增加或釋放儲(chǔ)能狀態(tài),沒(méi)有間歇狀
態(tài),與常規(guī)PWM控制方式不同。當(dāng)“ = ‘。 一t,時(shí),c09tut二1,這時(shí)緩沖電容器電壓為零或最低,復(fù)位過(guò)程應(yīng)結(jié)束,使復(fù)位過(guò)程結(jié)束的唯一辦法是開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通后,電路進(jìn)人開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段。

1.4 開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段

開(kāi)關(guān) 管 導(dǎo) 通階段為3t一t‘階段,當(dāng)緩沖電容器上電壓降到零或最低時(shí),開(kāi)關(guān)管在零電壓或最低電壓導(dǎo)通,變壓器電流上升,等效電路如圖6

 

變壓器初級(jí)電流為

 



2、控制方式

 

反激 式 開(kāi) 關(guān)電源工作在電流斷續(xù)模式時(shí),穩(wěn)壓過(guò)程遵守能量守衡原理,即式(7),由式(7),(8)得

 



由( 9) ,( 10)或可知,調(diào)節(jié)輸出功率、穩(wěn)定輸出電壓可以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間或占空比或調(diào)頻方式或幾種方式綜合應(yīng)用。當(dāng)輸出功率下降或電源電壓上升,導(dǎo)通時(shí)間減小,反之導(dǎo)通時(shí)間增加;隨輸出功率的增加或減小變壓器初次級(jí)電流峰值均增加或減小,由式(3)可知變壓器的釋放儲(chǔ)能時(shí)間也隨之增加或減少,為實(shí)現(xiàn)“零電壓”開(kāi)關(guān),變壓器不能工作在間歇狀態(tài),因此F%IM控制方式不能滿足本文電路的“零電壓”開(kāi)通的要求。基于 上 述 工作條件的約束,本文電路應(yīng)采用輸出電壓反饋控制導(dǎo)通時(shí)間,用“零電壓”檢測(cè)控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)刻,即調(diào)頻、 調(diào)占空比工作方式。具體電路可以采用通用器件組合,如圖70

 

3 電路性能分析

本文 提 出 的“零電壓”開(kāi)關(guān)方式.復(fù)位過(guò)程也無(wú)損耗,基本消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)損耗,因此效率高,通常高于85%相對(duì)有損耗緩沖電路整機(jī)電源效率高5-10%,不僅如此由于“零電壓”開(kāi)關(guān)在開(kāi)通過(guò)程中基本上實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通,同時(shí)電感電流也為零,使開(kāi)通過(guò)程既無(wú)能量交換(包括寄生參數(shù)的能量交換)又使輸出整流二極管在緩沖電路復(fù)位過(guò)程中有充分時(shí)間和緩變電壓下緩慢反向恢復(fù),開(kāi)通時(shí)刻因寄生振蕩所產(chǎn)生的輸出電壓尖峰和EMI大幅度降低,由于零電壓關(guān)斷和較大容t緩沖電容器使關(guān)斷過(guò)程避免了大的dv/dt,抑制了變壓器漏感和二極管開(kāi)通造成的寄生振蕩,因而開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻的輸出尖峰電壓和EMU也很小,基本上消除了常規(guī)有損耗緩沖電路對(duì)以致開(kāi)關(guān)電壓尖峰抑制現(xiàn)象。

盡管 電 路 原理分析可以實(shí)現(xiàn)“零”或極低的輸出電壓尖峰和EMU,實(shí)際上由于各種原因的寄生振蕩仍然存在,在開(kāi)關(guān)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生不同程度的輸出電壓尖峰和E閉,因此適當(dāng)減緩開(kāi)關(guān)過(guò)程有時(shí)是必要的,也可以采用開(kāi)通過(guò)程的比例驅(qū)動(dòng)。由于零電壓開(kāi)關(guān)消除了變壓器儲(chǔ)能釋放盡后緩沖電容器與變壓器初級(jí)電感的寄生振蕩,有利于減小變壓器的損耗。本文 提 出 的反激式開(kāi)關(guān)電源零電壓開(kāi)關(guān)電路的過(guò)電流保護(hù)應(yīng)采用逐周峰值電流限制方式,在過(guò)電流狀態(tài)下將不是零電壓開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)損耗將增加,因此應(yīng)輔之以“打隔”保護(hù)方式。

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