BUCK变换器结构如图1所示,主开关管高频开关工作时,开关管后面的开关节点SW输出波形为脉冲方波。
(a) BUCK变换器
(b) 开关节点波形
图1 BUCK变换器及开关节点波形
变压器可以将脉冲方波从初级耦合到次级,从而实现将能量从初级传输到次级,因此可以在开关管输出位置增加一个变压器。BUCK变换器开关管导通时,电感激磁,输入电源向输出负载传输能量;开关管关断时,二极管续流,电感去磁,存储在电感中能量维持向输出负载传输能量。因此,变压器的次级只能向外单向传出能量,二极管能够实现能量(电流)的单向传输,可以在变压器次级输出增加一个二极管。
(a) 开关节点增加变压器
(b) 变压器次级增加二极管
图2 BUCK变换器变形为正激变换器
把开关管移动到变压器的下端,BUCK变换器经过上述变化,就组成基本的正激变换器。正激就是主开关管导通时,输入直接向输出传输能量;主开关管关断时,输入不向输出传输能量。如其相对,反激就是主开关管导通时,输入不向输出传输能量,而是将能量存储在变压器中;主开关管关断时,存储在变压器的能量才向输出传输。正激变压器通过磁芯耦合实现能量传输,同时,通过初级与次级绕组实现输入电源和输出电压的隔离,因此,正激变换器是一种隔离变换器。另外,正激变换器的变压器和输出电感的磁芯,工作在磁化曲线的第一象限,也属于单端变换器。
图3 正激变换器
正激变换器的开关管开通时,变压器初级的励磁电感Lm会激磁;开关管关断时,Lm必须去磁,进行磁通复位,保证每个开关周期结束时回到起始的初始值,否则,变压器的磁芯不能回到起始的工作点,磁通起始工作点不断增加,导致变压器磁芯饱和,因此,正激变换器必须使用专门的磁芯复位电路。
根据反激变换器的工作原理,在正激变换器的变压器增加一个绕组(第3绕组),开关管关断时,这个绕组工作在反激方式,就可以实现励磁电感Lm的去磁复位,这就是传统的辅助第3绕组复位电路。
图4 正激变换器第3绕组复位
正激变换器的磁通复位的基本原则就是在开关管关断后,需要给变压器初级励磁电感存储的能量,提供一个释放的回路,从而实现其磁通复位。
(1)辅助复位第3绕组复位
增加辅助复位第3绕组并连接到输入电源两端,开关管关断后,辅助复位第3绕组工作在相当于在反激状态,将变压器初级励磁电感存储的能量返回到输入电源,这就是辅助复位第3绕组复位。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->N3-->Vin。
电感电容LC组成的谐振电路工作时,能量可以在电感与电容之间相互转移,利用这个方法,就可以实现其它各种结构的正激变换器的磁通复位。
(2)RCD电阻电容二极管复位电路
变压器初级励磁电感两端并联电容,开关管关断后,变压器初级励磁电感与并联电容谐振,将变压器初级励磁电感在激磁过程中存储的能量全部转移到并联电容,并联电容两端再并联一个电阻,在每个开关周期就将转移到并联电容的能量全部消耗掉,这就构成RCD电阻电容二极管复位电路。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->C-->R。
(3)LCD电感电容二极管无损复位电路
变压器初级励磁电感两端并联电容,开关管关断后,变压器初级励磁电感与并联电容谐振,将变压器初级励磁电感在激磁过程中存储的能量全部转移到并联电容,并联电容再串一个复位电感,复位电感与并联电容谐振,将这些转移到并联电容的能量再全部转移到复位电感,复位电感连接到输入电源两端,将这些转移到复位电感的能量再全部返回到输入电源,这就构成LCD电感电容二极管无损复位电路。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->C-->Lrst-->Vin。
(4)ZCD稳压管电容二极管复位电路
开关管关断后,变压器次级绕组可以工作在反激状态,在变压器次级绕组两端并联电容,开关管关断后,通过次级绕组反激工作,将变压器初级励磁电感在激磁过程中存储的能量,全部转移到次级绕组两端并联电容。开关管开通后,次级绕组两端并联电容中存储的能量,转移到输出负载,开关管的最大电压应力通过稳压管进行钳位,这就构成ZCD稳压管电容二极管复位电路。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->N2-->C-->Vo。
(5)电容自谐振复位电路
开关管两端并联电容,开关管关断后,变压器初级励磁电感与并联电容谐振,将变压器初级励磁电感在激磁过程中存储的能量全部转移到并联电容,变压器初级励磁电感为0;然后,变压器初级励磁电感与并联电容继续反向谐振,将并联电容中存储的能量全部反向存储在变压器初级励磁电感,开关管开通后,反向存储在变压器初级励磁电感的能量返回到输入电源,这就构成电容自谐振复位电路。在复位过程中,初级励磁电感与并联电容的谐振包括完整正谐振周期,还有负谐振周期。前面复位电路中LC谐振,谐振回路串联二极管,二极管只能单向导通,因此,谐振只包括正谐振周期。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->C-->Lm-->Vin。
(6)双管正激复位电路
开关管关断后,按变压器初级励磁电感的电流方向,将变压器初级励磁电感直接连接到输入电源,变压器初级励磁电感在激磁过程中存储的能量全部转移到输入电源,通过外加其它元件进行隔离,不影响开关管的正常工作,这就构成双管正激复位电路。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->D1/D2-->Vin。
(7)有源钳位复位电路
RCD复位电路中,开关管关断后,变压器初级励磁电感在激磁过程中存储的能量全部转移到并联电容,如果将二极管换成复位功率MOSFET管,变压器初级励磁电感的电流过0后,复位功率MOSFET管仍然保持开通状态,并联电容与变压器初级励磁电感可以反向谐振,将并联电容中存储的能量再全部反向存储在变压器初级励磁电感,开关管开通后,反向存储在变压器初级励磁电感的能量返回到输入电源,这就构成有源钳位复位电路。在复位过程中,初级励磁电感与并联电容的谐振包括完整正谐振周期,还有负谐振周期。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->C-->Lm(反向)-->Vin。
后续推文分别介绍这些复位电路的工作原理与特点。