正激变换器:RCD复位电路工作原理及特点

原创 松哥电源 2024-10-18 18:10

RCD电阻电容二极管复位电路工作原理是在变压器初级励磁电感Lm两端并联复位电容Cr,开关管S关断后,Lm与Cr谐振,将Lm在激磁过程中存储的能量全部转移到Cr,Cr的电压为VCr。如果Cr足够大,可以看作恒压源(电压源)VCr,相当于VCrLm反向去磁,Lm存储能量转移到电压源VCr了保持VCr稳定以免其不断增加,Cr两端并联一个复位电阻Rr,在每个开关周期,将转移到Cr的能量全部通过Rr消耗掉。因此,复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->Cr-->Rr,如图1、图2、图3所示

图1  变压器初级并联电容

图2  电容两端并联电阻

图3  复位电容电压极性

变压器初级直接并联Cr与Rr,开关管S开通时,输入电源将正向直接加到Cr与Rr两端,输入电压Vin与VCr电压方向相反,VinCr向充电,果开关管导通时间长,VCr电压将反向,导致变压器磁通无法复位,系统不能正常工作;同时,Cr将产生非常大的脉冲充电电流,流过开关管,开关管电流应力大,容易发生损坏。为了避免这种问题,Cr与Rr的并联回路需要串接一个复位二极管Dr,Dr连接方向与磁通复位过程中Lm对Cr充电电流的方向一致。在开关管导通时,Dr将阻挡Vin通过开关管对Cr反向充电,将CrVin进行隔离;开关管关断后,Dr给iLm提供续流去磁回路,完成磁通复位。如图4、图5所示。

图4  复位电容反向充电

图5  复位二极管阻止复位电容反向充电

RCD复位电路正激变换器整个工作过程有6个工作状态,工作波形如图7所示。

图6  RCD复位电路

图7  RCD复位电路工作波形

(1)状态1:t0-t1阶段

图8  工作状态1

开关管处于导通状态,输出整流管D1关导通,输出续流管D2关断,iLm与输出电感电流iL都处于激磁状态,iLm与iL随时间线性升高。

(2)状态2:t1-t2阶段

图9  工作状态2

开关管关断后,在这段时间内,Lm与开关节点的寄生电容Csw(开关管的输出寄生电容Coss、变压器初级寄生电容与复位二极管的寄生电容之和)谐振。由于这段时间非常短,初级电流非常大,等于变压器初级励磁电感的激磁电流iLm与输出负载反射电流之和,可以等效为初级电流对电容Csw充电,开关节点的寄生电容的电压VDS在初级电流作用下随着时间线性上升,变压器初级励磁电感电压(变压器初级绕组电压)VN1随着时间线性下降,但是仍然为正值,iLm继续缓慢增加。VDS增加到Vin后,D1关断,D2导通续流,iLm达到最大值ILm(max)

变压器初级寄生电容、复位二极管的寄生电容与Coss相比可以忽略,Csw近似等于Coss

(3)状态3:t2-t3阶段

图10  工作状态3

D1关断后,输出负载电流不再反射到变压器的初级,这段时间内,Lm与Coss继续谐振,VN1为负压,iLm略微有下降,由于时间非常短,可以认为iLm保持ILm(max)恒定不变,VDS在iLm作用下随着时间线性继续上升,VDS增加到等于Vin+VCr后,Dr开通。

(4)状态4:t3-t4阶段

图11  工作状态4

Dr开通后,VCr反向加在变压器的初级,VCr电压方向与iLm电流方向相反,VN1=-VCr,这段时间内,Lm与VCr谐振。忽略VCr的电压纹波,其电压保持恒定电压VCr,可以认为Lm在电压源VCr作用下反向去磁,直到iLm下降到0,Dr在iLm过0后自然关断,Lm在激磁过程中存储的能量全部转移到电容VCr,完成磁通复位。在后面的时间里,通过Rr将这部分能量全部消耗掉。

(5)状态5:t4-t5阶段

图12  工作状态5

Dr关断后,VDS=Vin+VCr,这段时间内,Lm与Coss谐振,VDS谐振降低,Lm两端为负压,反向激磁,iLm从0反向增加。当VDS谐振降低到Vin时,iLm增加到负的最大值- ILm(0)由于这段时间非常短,ILm(0)值非常小

(6)状态6:t5-t6阶段

图13  工作状态6

VDS谐振降低到Vin后,Lm两端电压为0,这段时间内,VDS维持Vin不变,iLm维持负的最大值- ILm(0)不变,直到下一个开关周期开始,开关管导通,iLm从负的最大值- ILm(0)开始,随着时间线性上升。

输入36-78V,输出12V/6A,变压器初级电感:300uH,输出滤波电感:22uH,仿真波形如图14、图15、图16所示。复位电阻值越低,复位电容的电压VCc越低,对应的磁通复位时间越长,VDS最大电压越小,复位电容值主要影响VCc纹波电压。

图14  Cr=100nF,Rr=1K

图15  Cr=100nF,Rr=10K

图16 Cr=470nF,Rr=10K

正激变换器RCD复位,励磁电感会进行轻微的反向激磁,工作在第3象限,即:iLm变为负值且其绝对值较小。这种复位方式优点是占空比可以大于0.5,适用于宽的输入电压范围的地方,同时,电路结构简单,成本低。缺点是开关管的电压应力大,通常大于2倍的输入电压Vin;变压器励磁电感以及漏感的能量完全消耗在复位电路的电阻中,导致系统的效率降低,因此,这种复位方式主要用于效率要求不高、成本低的低功率的应用。

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