辅助绕组复位正激变换器工作原理及特点

原创 松哥电源 2024-09-13 18:03

正激变换器的开关管关断后,辅助绕组(第3绕组)复位相当于在反激状态,因此,其绕组的极性与初级绕组相反,开关管Q导通时,辅助复位绕组会影响系统正常工作。因此,在辅助复位绕组的输出串联一个二极管,二极管电流的方向与其在反激工作时的电流方向一致,这样,开关管导通时,复位的辅助绕组不工作,就不再影响系统正常工作,实现辅助绕组的隔离与复位电压钳位,如图1所示。其中,S为开关管,D1为输出整流二极管,D2为输出续流二极管,D3为磁通复位辅助绕组钳位二极管,辅助绕组复位正激变换器有3种工作状态。

图1 辅助绕组复位正激变换器

1、S与D1开通,D2D3关断

假定:正激变换器工作在稳定状态,输出电感工作在连续导通模式CCM状态,即:每一个开关周期开始时,变压器初级激励电感为Lm,其电流iLm为0,输出电感的电流iL从一定的初始值IL(min)开始激磁工作,每一个开关周期结束,电流iLm回到0,电流iL回到初始值IL(min)。开关管S、输出整流二极管D1、输出续流二极管D2、磁通复位辅助绕组钳位二极管D3、变压器T和滤波电容均为理想元件,滤波电容的电容值足够大,输入电压纹波和输出电压纹波都很小,输入电压Vin和输出电压Vo保持稳定不变,SW为开关管和变压器连接点,称为开关节点,电压为VDS。变压器初级绕组N1与次级绕组N2的匝比为n:1,初级绕组N1与辅助复位绕组N3的匝比为nr:1,若N1=N3,N1:N3:N2= n: n: :1,先忽略漏感和绕组的电阻。

图2 开关管S导通

当t=0时,iL=IL(min),iLm=0,开关管S开通,变压器初级绕组电压为Vin,次级绕组电压为Vin/n,次级绕组电压极性为上正下负,D1两端电压正向偏置而导通;辅助复位绕组电压为Vin,其电压极性为上负下正,D3两端电压反向偏置处于截止;变压器励磁电感两端承受正向电压为Vin,Lm激磁,iLm随时间线性增加;输出电感两端承受正向电压为Vin/n-Vo,L激磁,iL从初始值IL(min)随时间线性增加,输出电感储存能量。

在t=ton时刻,开关管S关断,iL达到最大值IL(max)

同时有:

在t=ton时刻,开关管S关断,iLm达到最大值ILm(max)

2、SD1关断,D2D3导通

开关管S关断后,iL、iLm不能突变,要保持原来大小和方向。iLm对S的输出电容充电,VDS电压升高,变压器初级绕组和次级绕组的电压降低,当VDS电压升高Vin,然后继续升高,初级绕组开始承受反压,次级绕组的电压极性也发生改变,变为上负下正,D1两端电压反向偏置,D1电流逐渐减小到0而关断,D2导通续流,电流逐渐增加到等于输出电感的电流,维持输出电感的电流的大小和方向不变。

图3 开关管S关断

同时,当VDS电压升高Vin,然后继续升高,初级绕组开始承受反压,初级励磁电感也开始承受反压而去磁。同时辅助复位绕组的电压极性也发生改变,变为上正下负,但是,D3两端电压仍然是反向偏置而不导通;当VDS电压升高到2Vin时,D3两端电压变为正向偏置而导通,将辅助复位绕组的电压钳位在Vin,因此,辅助复位绕组反射到初级绕组的反向电压保持在Vin不变,VDS电压也保持在2Vin

变压器励磁电感两端承受反向电压为Vin,Lm去磁,iLm从初始值ILm(max)随时间线性降低。输出电感两端承受反向电压为-Vo,L去磁,iL从初始值IL(max)随时间线性降低,输出电感释放能量。

这一阶段时间起点从ton开始,当t= ton,iL=IL(max),得到:

同时有:

在磁通复位过程中,存储在初级励磁电感中的能量返回到输入电源,相当于无损复位,从而增加的变换器的效率。

3、S与D1及D3关断,D2导通

在t=tr时刻,初级励磁电感的电流iLm降低到0,D3自然关断,变压器的磁通回到起始的0值,实现变压器的磁通复位。在这个阶段,D2一直保持导通状态,直到这一个开关周期结束,在ton+toff=TS时刻,iL电流降低到起始值IL(min)。然后,开关管S再次开通,上一个开关周期结束,下一个开关周期开始,重复以上过程,如此反复。

图4 磁通复位后次级续流

辅助第3绕组复位正激变换器的工作波形如下图所示。

图5 工作波形

根据磁通复位的原理(伏秒值平衡),对于输出电感L:

化简得到:

辅助复位第3绕组匝数与变压器初级绕组匝数相同时,变压器励磁电感Lm的激磁电压与复位的去磁电压相等,都为Vin,因此,激磁时间与去磁时间也相等,为了保证Lm有足够的时间去磁复位,正激变换器的占空比必须小于50%。

4、初级与辅助复位绕组匝比影响

如果减小辅助复位绕组匝数,nr增大,复位电压增大,复位时间变短,但是,其反射的电压增加,VDS电压增加,开关管的电压应力增加;同样,如果增加辅助复位绕组匝数,nr减小其反射的电压降低,VDS电压降低,开关管的电压应力降低,但是,复位电压降低,复位时间变长,系统工作的占空比范围必须进一步降低。

功率开关管VDS电压为:

保证磁通复位的临界占空比为;

表1 复位绕组与初级绕组匝比对应电压应力和临界占空比

图6 复位绕组与初级绕组匝比对应电压应力和临界占空比

5、初级电感选择

正激变换器的变压器只是进行隔离的能量传输元件,不需要存储主功率能量,主功率能量的存储由输出电感来实现。理想的情况下,变压器的励磁电感越大越好,这样,励磁电流ILm就越小。开关管开通时,变压器初级电流等于开关管的电流,为激磁电流和等效负载电流之和:

若变换器的输出功率为Po,效率为h,输出电感在临界导通模式下工作,IL(min)=0,初级等效负载电流峰值为:

输出电感在临界导通模式下工作,开关管的峰值电流为:

过程设计中,激磁电流通常取等效负载电流一定的系数:

电流比例系数km取值范围通常为:0.1-0.3。

因此,得到:

变压器初级励磁电感Lm为:

正激变压器磁芯通常不需要设置气隙,当需要减小变压器的磁芯体积或饱和电流不够时,才需要考虑设置气隙。

6、正激变换器优点及缺点

正激变换器主要优点为

(1)正激变换器由BUCK变换器变形而来,输出的储能电感工作在连续导通模式时,在开关管开通与关断时都可以向输出负载提供能量(电流),输出电流纹波与电压纹波都比较小,带负载的能力强,输出电压的瞬态控制特性比较好。

(2)正激变换器通过电感实现输入与输出的电气隔离,调整初级与次级匝比可以实现较宽的升降压比,同时输出负载电流通过匝比反射到初级开关管的电流应力降低。

(3)变压器增加多个绕组可以实现多路输出,多路输出通过磁放大器耦合进行多路交叉调节,实现更加精确的多路电压输出。每个输出不需要抽头绕组。

(4)开关管导通期间存储在励磁电感中的能量,在开关管关断后,通过辅助复位绕组将其返回到输入电源,没有产生额外损耗,系统效率高。

正激变换器缺优点:

(1)与反激变换器比较,正激变换器多用一个输出储能滤波电感以及一个输出续流二极管,电路相对复杂,成本增大。

(2)变压器需要磁通复位绕组,变压器的结构变得复杂,体积增大,成本增加。变压器依然工作在单端方式(磁化曲线第一象限),变压器利用率低。

(3)最大占空比有一定限制,通常不大于0.5,导致系统对输入电压变化的调节范围变小,。

(4)开关管电压应力大。输出短路时,复位二极管的电压应力、电流应力非常大。

因此,辅助底3绕组复位的正激变换器主要应用于中小功率的开关电源。

敬请关注后续:RCD电阻电容二极管复位正激变换器的工作原理与特点

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