RCD箝位反激變換器的設計與實現(xiàn)

RCD箝位反激變換器的設計與實現(xiàn)

圖1RCD箝位反激式變換器電路拓撲

1引言

反激變換器具有電路拓撲簡潔、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，因而是逆變器輔助開關電源理想的電路拓撲。 然而，反激變換器功率開關關斷時由漏感儲能引起的電壓尖峰必須用箝位電路加以抑制。由于RCD箝位電路比LCD箝位、有源箝位電路更簡潔且易實現(xiàn)，因而RCD箝位反激變換器在小功率變換場合更具有實用價值。將RCD箝位反激變換器與峰值電流控制技術結合在一起，便可獲得高性能的逆變器輔助開關電源。本文主要論述RCD箝位反激式變換器的原理，介紹了UC3843電流控制型脈寬調(diào)制器的各種設置，并給出了設計實例與試驗結果。

2RCD箝位反激式變換器的原理

2.1功率電路

采用RCD箝位的反激變換器，如圖1所示。當功率開關S關斷時，變壓器T漏感的儲能將轉移到箝位電容C中，并在電阻R上消耗，從而使功率開關S關斷時產(chǎn)生的電壓尖峰得到了有效的抑制。

然而，箝位電路參數(shù)對反激變換器的性能有重要的影響。選取不同R、C值時，箝位電容電壓波形如圖2所示。圖2(a)中，C取值較大，C上電壓緩慢上升，副邊反激過沖小，變壓器原邊能量不能迅速傳遞到副邊；圖2(b)中，R、C值合適，C上電壓在S截止瞬間沖上去，然后D截止，C通過R放電，到S開通瞬間，C上電壓應放到接近(N1/N2)Uo；圖2(c)中，R、C均偏小，C上電壓在S截止瞬間沖上去，然后因為RC時間常數(shù)小，C上電壓很快放電到等于(N1/N2)Uo，此時RCD箝位電路將成為反激變換器的死負載，消耗儲存在變壓器中的能量，使效率降低。

2.2UC3843電流控制型脈寬調(diào)制器

英國Unitrode公司的電流控制型IC芯片

圖2不同R、C值時箝位電容電壓波形

圖3電流檢測和限制

圖4UC3843電路的斜坡補償
UC3843，為單端輸出式脈寬調(diào)制器。芯片只有8個引腳，外電路接線簡單，所用元器件少，而且性能優(yōu)越，成本低廉，驅動電平非常適合于驅動MOS場效應管。

2.2.1誤差放大器的補償

UC3843的誤差放大器同相輸入端接在內(nèi)部＋2.5V基準電壓上，反相輸入端接受外部控制信號，其輸出端可外接RC網(wǎng)絡，然后接到反相輸入端，在使用過程中，可改變R、C的取值來改變放大器的閉環(huán)增益和頻率響應，RC補償網(wǎng)絡接在芯片腳1和腳2之間，誤差放大器補償網(wǎng)絡可以穩(wěn)定這種電流控制型PWM。

2.2.2電流檢測和限制 電流檢測電路，如圖3所示。正常運行時，檢測電阻RS的峰值電壓由內(nèi)部誤差放大器控制，滿足IS=（1）

式中：VC為誤差放大器的輸出電壓；

IS為檢測電流。

UC3843的內(nèi)部電流測定比較器反相輸入端箝位電壓為1V，最大限制電流IS=1V/RS。在RS和腳3之間，常用R、C組成一小的濾波器，用于抑制功率管開通時產(chǎn)生的電流尖峰，其時間常數(shù)近似等于電流尖峰持續(xù)時間(通常為幾百ns)。

2.2.3UC3843電路的斜坡補償

UC3843是電流控制型芯片，當占空比D大于50％時，由于諧波振蕩及電感電流上升率平坦，容易引起不穩(wěn)定，這時應考慮用斜坡補償?shù)姆椒▉砀纳破涔ぷ魈匦?。斜坡補償有兩種方法，一種是在誤差電壓UE處加上斜坡補償，另一種是在采樣電壓US處加上斜坡補償。這里采用在采樣電壓US處加上斜坡補償，將補償斜坡加在采樣電阻RS的采樣電壓上，再與平滑的誤差電壓進行比較，這種補償能有效地防止諧波振蕩現(xiàn)象，使電路工作穩(wěn)定，補償斜坡由振蕩器獲得，調(diào)整R1阻值的大小可改變補償斜坡的上升率。如圖4所示。

3儲能式變壓器的設計

單端反激式變壓器是一種以隔離方式傳輸能量的元件，對于電感電流連續(xù)模式和電感電流斷續(xù)模式，變壓器的鐵心工作狀態(tài)是不同的，因此，變壓器的設計也是不一樣的。這里把變壓器設計在工作于電感電流連續(xù)模式。 電流臨界連續(xù)時原邊電感L1min為L1min=η(2)

式中：Uimin為變壓器原邊輸入的最小直流電壓；

Ts為開關周期；

Po為輸出功率；

η為變換效率。

儲能式變壓器磁芯氣隙δ為δ=(3)

式中：B為鐵心工作磁感應強度；

Sc為鐵心截面積；

K為最小輸出功率與額定輸出功率之比。

原邊繞組匝數(shù)N1為N1=(4)

原、副邊繞組匝數(shù)比為n12==(5)

式中：UD為輸出整流二極管壓降；

Uo2為副邊繞組N2的輸出電壓。

圖6逆變器輔助開關電源試驗波形

RCD箝位反激變換器的設計與實現(xiàn)

同理可求得其它匝比。

4開關電源電路組成及試驗

逆變器輔助開關電源電路組成，如圖5所示。輸入220（1±10％）V50Hz電壓經(jīng)EMI濾波器、整流橋后得到DC270V，再經(jīng)RCD箝位的反激變換器變換成＋15V（0.8A）、－15V（0.15A）、＋5V（0.2A），＋4×25V（0.05A）共7路輸出。電流控制芯片UC3843由自饋電繞組N5供電。R10是電流檢測電阻，R12是斜坡補償電阻。額定輸出功率20W，開關頻率為40kHz。儲能式變壓器磁芯選用鐵氧體R2KBDGU30，繞組匝數(shù)N1/N2/N3/N4/N6/N7/N8/N9=284/5/12/12/12/22/22/22/22，最大占空比0.6，臨界連續(xù)時輸出功率為1/6額定功率。箝位電阻取68kΩ，箝位電容取2.2nF高頻瓷電容，箝位二極管選肖特基二極管MUR110，整流二極管D3、D6、D8選肖特基二極管IN5819，D7選肖特基二極管IN5822,D9、D10、D11、D12選肖特基二極管SR108。

逆變器輔助開關電源試驗波形，如圖6所示。圖6(a)的CH1是功率管S的驅動電壓uGS(5V/格)，CH2是漏源電壓uDS波形(200V/格),其關斷電壓尖峰得到有效抑制；圖6(b)是變壓器原邊N1的電流波形（0.1A/格），變壓器工作于電感電流連續(xù)模式；圖6(c)的CH1為電流檢測電阻R10上電壓波形(500mV/格)，CH2為采用斜坡補償后UC1843的腳3采樣信號電壓波形(500mV/格)，斜坡補償后采樣信號電壓上升率高于電流檢測電阻R10上電壓上升率，提高了電路的抗干擾能力。試驗結果證實了理論分析的正確性。圖6中橫坐標為1μs/格。

5結語

(a)功率管S驅動電壓與漏源電壓

(b)變壓器原邊N1電流波形

(c)檢測電阻電壓及斜坡補償后采樣信號電壓

RCD箝位反激式變換器是逆變器輔助電源的理想拓撲，RCD箝位電路能有效地抑制變壓器漏感引起的功率開關關斷電壓尖峰，在小功率變換場合具有明顯的優(yōu)點；由UC3843芯片構成的單端反激式變換器具有電氣隔離，易于多路輸出，外接元器件少，體積小，過載與短路保護能力強，可靠性高等優(yōu)點。 參考文獻

[1]張?zhí)m紅.基于電流控制技術反激DC/

DC變換器研究[D].[碩士學位論文].

南京航空航天大學，2001.2