LCD电感电容二极管无损复位电路工作原理是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在激磁过程中存储的能量全部转移到Cr,完成变压器的磁通复位。然后,Cr与一个复位电感Lr串联,Lr与Cr组成谐振回路,将Cr从Lm获得的能量,再全部转移到Lr。如果Cr足够大,可以看作电压源VCr。最后,Lr连接到输入电源Vin,Lr从Cr获得的能量全部返回到Vin,实现无损耗的磁通复位。复位过程中,能量转移的路径为:Lm-->Cr-->Lr--> Vin。
开关管S关断时,Cr与Lm并联,完成能量转化和磁通复位;开关管S导通时,开关节点SW(开关管漏极、变压器和Cr的共同连接点)连接到输入电源的地,如果将Lr的上端与Cr的左端连接,Lr的下端与输入电源的地连接,正好组成闭合的谐振回路。然后,Lr的上端与Cr的左端一起连接到输入电源的正端,不但符合Lm与Cr并联的连接关系,同时也满足Lr连接到Vin的电路状态,如图1所示。
图1 复位Cr与Lr的连接方式
图1中的电路有如下问题:
(1)开关管S开通时,输入电源将正向直接加到Cr两端,输入电压Vin与VCr电压方向相反,Vin对Cr反向充电,如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;输入电压Vin直接加到Lr,形成对Lr的反向激磁,导致Cr的能量无法向Lr转换,如图2所示。
图2 输入电源对Cr与Lr影响
(2)开关管S导通时,Cr与Lr谐振电流到峰值后下降到0,再反向谐振,导致变压器励磁电感的能量无法回馈到输入端,磁通复位电路无法正常工作,VCr电压快速增加,功率MOSFET管因为过压产生损坏。
二极管具有单向流过电流的特性,因此,可以根据电流方向实现元件相互之间的隔离。开关管关断后变压器磁通复位时,iLm对Cr充电电流方向从右向左;开关管导通时,Cr对Lr的激磁电流方向也就是Cr放电电流方向从左向右,Cr的水平支路要流过二个方向的电流,因此,二极管不能串联在Cr的水平支路。
如果在Lr的上端及Cr的左端的共同连接点与输入电源Vin之间串联一个二极管D3,D3的方向向上,这样就可以消除问题1的影响。同时,D3既不会影响变压器磁通复位过程中iLm对Cr充电(D3的方向与iLm对Cr充电电流的方向一致),也不会影响Lr向输入电源回馈能量(D3的方向与Lr向输入电源回馈能量的电流方向一致),如图3所示。
图3 复位电路增加二极管
Lr串联一个二极管D4,D4的方向向上,这样就可以消除问题2的影响。同时,D4既不会影响开关管导通期间Cr中存储的能量向Lr转换(D4的方向与Cr对Lr激磁的电流方向一致),也不会影响Lr向输入电源回馈能量(D4的方向与Lr向输入电源回馈能量的电流方向一致)。另外,D4限制Lr与Cr只能完成正半周期的谐振过程(Lr与Cr谐振电流只能顺时针流动,无法反向,不能逆时针流动),防止在异常情况下,Lr对Cr反向充电。
完整复位电路与工作波形,如图4、图5所示,LCD电感电容二极管无损复位电路正激变换器整个工作过程有7个状态。
图4 LCD复位电路
图5 LCD复位电路工作波形
(1)状态1:t0-t1阶段
图6 工作状态1
开关管处于导通状态,输出整流管D1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随时间线性增加。
同时:
Cr、Lr通过D4与导通的开关管S形成谐振回路,VCr方向左负右正,Cr与Lr在谐振过程中,Lr激磁,存储能量,iLr方向从下到上;Cr放电,释放在变压器磁通复位过程中存储的能量。
(2)状态2:t1-t2阶段
图7 工作状态2
开关管S关断后,在这段时间内,变压器的励磁电感Lm与开关节点的寄生电容(开关管的输出寄生电容、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,等于变压器的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开关节点的寄生电容充电,寄生电容的电压VDS在初级电流作用下随着时间上升,iLm继续增加。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,开关节点总电容近似等于Coss。
开关管S关断后,Lr通过D4与电容Cr、Coss形成谐振回路,在谐振过程中,Lr继续激磁,存储能量,Cr继续放电,释放在变压器磁通复位过程中存储的能量。
(3)状态3:t2-t3阶段
图8 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,Lm两端为负压,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作用下随着时间继续上升,在t3时刻,VDS增加到等于Vin+VCr时,D3开通。
Lr继续与电容Coss、Cr谐振,在谐振过程中,Lr继续激磁,存储能量,Cr继续放电,释放在变压器磁通复位过程中存储的能量。
D2导通续流,输出电压Vo反向加在输出电感的两端,输出电感去磁,iL随着时间线性下降。后面的阶段,输出回路都维持输出电感去磁的过程,直到下一个开关周期开始。
这一阶段时间起点从ton开始,当t=ton,iL=IL(max),得到:
(4)状态4:t3-t4阶段
图9 工作状态4
D3开通后,Lm通过D3与电容Coss+Cr形成谐振回路,在谐振过程中,复位电容的电压VCr反向加在Lm两端(VCr电压方向与iLm电流方向相反),Lm在VCr作用下反向去磁,iLm随时间谐振下降,VDS随时间谐振增加。
D3开通后,Lr通过D3、D4连接到Vin,Vin反向加在Lr两端,Lr去磁,iLr随时间线性下降,将其存储的能量回馈到输入电源。
Lm电感值通常较小,在t4时刻,iLm先下降到0,此时,iD3=iD4,Lm存储的能量全部转移到电容Coss+Cr,VDS谐振到最大值。
(5)状态5:t4-t5阶段
图10 工作状态5
iLm下降到0后,D3、D4保持导通,Lr在Vin反向作用下继续去磁,iLr随时间线性下降,将其存储的能量继续回馈到输入电源。
Lm通过D3与电容Coss+Cr形成谐振回路反向谐振,iLm随时间反向谐振上升,VDS随时间谐振下降。iCr电流反向,从上一个阶段的从右向左,变为从左向右,iCr从0开始增加,iD3、iD4电流继续下降,保持如下关系:
在t5时刻,iD3下降到0,D3自然关断,iCr=iLr。
(6)状态5:t5-t6阶段
图11 工作状态6
D3关断后,Lr与电容Coss、Cr形成谐振回路,Lm与电容Coss形成谐振回路,iLr随时间继续谐振下降,iLm随时间继续反向谐振上升,VDS随时间继续谐振下降,在t6时刻,iLr(iD4)下降到0,D4自然关断。
(7)状态6:t6-t7阶段
图12 工作状态7
D4关断后,Lm与电容Coss谐振,VDS谐振降低,iLm谐振反向增加,iLm增加到负最大值-ILm(0),VDS谐振降低到Vin,然后,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,iLm从负的最大值-ILm(0)开始,随着时间线性上升。
如果Lr值过大,下一个开关周期开始,其电流仍然不会谐振下降到0,Lr工作在连续电流模式,降低系统效率。Lr值过小,在开关管导通期间,iLr电流过峰值后降低,存储在Lr能量会返回到Cr,严重时Lr电流过峰值后降低到0,导致稀土无法磁通复位。
正激变换器LCD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,成本相对不高。开关管的电压被钳位,电压尖峰降低,开关管电压应力降低。变压器励磁电感以及漏感的能量通过复位电路返回到输入电源,没有损耗,系统的效率高。缺点是需要一个额外的电感Lr,Lr与Cr谐振电流增加开关管的导通损耗,影响系统效率。增加一个额外二极管,除了产生导通损耗,还会产生漏电流损耗,也会增加成本,要选择漏电流小的二极管管。系统工作开关频率高时,Lr与Cr谐振电流增加,损耗增加,同时,需要选择合适电感值,保证电路正常工作。因此,这种复位方式主要用于中等功率、频率不太高的应用。