雙管反激變換器研究分析

雙管反激變換器研究分析

摘要：研究了基于峰值電流模式的雙管反激變換器,分析了它的工作原理,說明了它在高壓輸入場(chǎng)合的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：反激變換器；峰值電流控制；雙管反激

0??? 引言

??? 反激變換電路由于具有拓?fù)浜唵?，輸入輸?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣隔離,升/降壓范圍廣，多路輸出負(fù)載自動(dòng)均衡等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛用于多路輸出機(jī)內(nèi)電源中。在反激變換器中，變壓器起著電感和變壓器的雙重作用，由于變壓器磁芯處于直流偏磁狀態(tài)，為防磁飽和要加入氣隙，漏感較大。當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的關(guān)斷電壓尖峰，導(dǎo)致開關(guān)管的電壓應(yīng)力大，有可能損壞功率管；導(dǎo)通時(shí)，電感電流變化率大。因此在很多情況下，必須在功率管兩端加吸收電路。

??? 雙管反激變換電路，在功率管關(guān)斷時(shí)，由于變壓器漏感電流流過續(xù)流二極管反饋給電源的嵌位作用，而使功率管的電壓應(yīng)力和輸入電壓相等?？梢娫诟邏狠斎雸?chǎng)合雙管反激電路有其特有的優(yōu)點(diǎn)。

1??? 電路分析

??? 電路圖如圖1所示。在穩(wěn)態(tài)工作條件下，為了簡化分析，假設(shè)所有開關(guān)器件都是理想的；漏感L_r遠(yuǎn)小于勵(lì)磁電感L_m；L₂為變壓器副邊等效電感；電路工作在CCM模式。

圖1??? 雙管反激變換器電路圖

??? 電路共有4個(gè)工作模式，工作過程如圖2所示。

圖2??? 工作波形圖

??? ——模式1[t₀－t₁]??? 在S₁和S₂開通后的t₀時(shí)刻，輸入直流電壓U_in作用于L_r和L_m上，D₁和D₂關(guān)斷，漏感電流i_Lr線性上升，則有

??? i_Lr(t)=iLr(t₀)＋(t－t₀)（1）

D₁和D₂承受反壓為U_in，而D₃承受反壓為U_o＋(N₂/N₁)U_in，i_L2=0，由濾波電容C向負(fù)載供電。

在t₁時(shí)刻漏感電流i_Lr為

??? i_Lr（t₁）=i_Lr(t₀)＋(t₁－t₀)（2）

??? ——模式2[t₁－t₂]??? 在t₁時(shí)刻關(guān)斷S₁和S₂，由于電感電流不能突變，感應(yīng)電勢(shì)反向，D₁和D₂導(dǎo)通鉗位使S₁和S₂承受正壓為U_in；同時(shí)D₃導(dǎo)通，副邊電流i_L2形成。原邊電流i_Lr線性下降，即

??? i_Lr(t)=i_Lr(t₁)－(t－t₁)（3）

??? i_L2(t)=（4）

在t₂時(shí)刻原邊電流

??? i_L2(t₂)==0（5）

??? ——模式3[t₂－t₃]??? 在t₂時(shí)刻D₁和D₂中的電流和漏感電流i_Lr下降到0，i_L2達(dá)到最大。此后i_L2線性下降，

??? i_L2(t)=i_L2(t₂)－(t－t₂)（6）

在t₃時(shí)刻

??? i_L2(t₃)=i_L2(t₂)－(t₃－t₂)（7）

在此階段D₁和D₂承受反壓為，S₁和S₂承受正壓為。

??? ——模式4[t₃－t₄]??? 在t₃時(shí)刻開通S₁和S₂，輸入電壓U_in直接作用于L_r和L_m上，漏感電流i_Lr從0開始線性上升，

??? i_Lr(t)=(t－t₃)（8）

此時(shí)D₃仍導(dǎo)通，給電容C充電和向負(fù)載供電，i_L2(t)以更大的斜率線性下降，為漏感電流i_Lr減去勵(lì)磁電感Lm上電流。

??? i_L2(t)=（9）

??? i_Lr(t)=（t－t₃）（10）

在t4時(shí)刻D₁和D₂反壓由上升到U_in，i_Lr(t)上升到勵(lì)磁電流i_Lm,i_L2(t)=0，D₃反偏，開始新的PWM周期。

??? 由上述分析可知，雙管反激變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

??? ——續(xù)流二極管將漏感能量回饋給電源；

??? ——有效抑制關(guān)斷電壓尖峰，使開關(guān)管電壓應(yīng)力為輸入電壓；

??? ——不需要額外的吸收電路。

2??? 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

??? 采用峰值電流控制模式，如圖3所示。由于引入電流反饋,使系統(tǒng)性能具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：

圖3??? 峰值電流模式控制原理

??? ——具有良好的線性調(diào)整率，反應(yīng)速度快；

??? ——消除輸出濾波電感帶來的極點(diǎn)，使二階系統(tǒng)變?yōu)橐浑A系統(tǒng)，穩(wěn)定性好；

??? ——固有逐個(gè)脈沖電流限制,簡化了過載保護(hù)和短路保護(hù)。

??? 電流型也有缺點(diǎn)，在占空比>50％時(shí)，必須進(jìn)行電流斜坡補(bǔ)償,否則系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文采用控制芯片UC3844，占空比<50％。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

??? 利用以上分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了一臺(tái)機(jī)內(nèi)穩(wěn)壓電源。輸入360～450V；輸出＋15V(1A)，－15V(0.2A)，＋25V(0.2A)3路，＋25V(0.4A)；開關(guān)工作頻率為100kHz，最大占空比D_max=0.45；功率45W。變壓器用鐵氧體R2KBD，罐型GU30，按反激變壓器設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)。主要波形如圖4所示。

CH1驅(qū)動(dòng)電壓（10V/格）??? CH2漏源電壓（250V/格）

（a）功率管驅(qū)動(dòng)電壓與漏源電壓波形

CH1驅(qū)動(dòng)電壓（10V/格）??? CH2續(xù)流二極管兩端電壓（250V/格）

（b）功率管驅(qū)動(dòng)電壓與續(xù)流二極管兩端電壓波形

CH1驅(qū)動(dòng)電壓（10V/格）??? CH2整流二極管兩端電壓（25V/格）

（c）功率管驅(qū)動(dòng)電壓與整流二極管電壓波形

CH1驅(qū)動(dòng)電壓（10V/格）??? CH2原邊電流（1V/格）

（d）功率管驅(qū)動(dòng)電壓與原邊電流波形

圖4??? 主要波形

??? 從圖中可以看出功率管的電壓應(yīng)力等于輸入電壓，續(xù)流二極管兩端電壓和分析結(jié)果也相同?？梢婋p管反激拓?fù)湓诟邏狠斎雸?chǎng)合有其獨(dú)特優(yōu)越性。圖4（d）中，原邊電流有尖峰是由于副邊整流二極管反向恢復(fù)造成。

4??? 結(jié)語

??? 原理分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性，表明雙管反激變換器特別適用于高壓輸入場(chǎng)合，它減少了器件的電壓應(yīng)力，為功率管的選取和保護(hù)創(chuàng)造了有利條件，增加了系統(tǒng)的可靠性。因此，適于應(yīng)用于高壓輸入的中小功率場(chǎng)合。