1、双管复位基本原理
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。开关管关断后,通过外部电路,如果将变压器初级励磁电感直接连接到输入电源,可以将其存储能量返回到输入电源,实现磁通复位。
开关管S关断后,变压器初级励磁电感Lm的电流方向为从上向下,将励磁电感的下端连接到输入电源的正端,励磁电感的上端连接到输入电源的地端,这样励磁电感通过输入电源去磁,就可以将其储存的能量返回到输入电源。但是,这样连接输入电源与电感直接被短路,因此,需要使用一些元件进行隔离,避免输入电源被短路。
添加的虚线支路只流过单向电流,即:只在开关管S关断后才流过电流,且方向从下向上。二极管单向导通特性具有隔离的作用,可以顺着电流方向,将励磁电感的上端、下端分别通过二极管D1、D2连接到输入电源的地端、输入电源的正端,就避免输入电源与电感短路问题。
开关管S2关断后,D1、D2导通给Lm提高续流回路进行复位,但是D1承受反向电压无法导通,因此,在开关管S2关断期间,必须将D1以及励磁电感的上端与输入电源正端的连接断开;同时,在开关管S2导通期间,D1以及励磁电感的上端必须与输入电源正端的连接,保证输入电源向变压器传输能量。
D1以及励磁电感的上端与输入电源正端之间,需要间断的断开和导通,那么,可以在断开地方另外增加一个开关管S1,让S1、S2同时开通与关断,就可以解决上面问题。
(a) 励磁电感续流方向
(b) 增加二极管限制复位电流方向
(c) 断开Vin与D1及变压器上端连接
(d) 增加开关管连接Vin与D1及变压器上端
图1 双管正激复位原理
通过上面连接变换,就组成基本的双管复位正激变换器。
图2 双管正激变换器
2、双管复位基本工作过程
双管正激变换器有3种工作状态。
(1)S1、S2开通,D3导通,D1、D2、D4关断
在开关周期开始时,开关管S1、S2同时开通,变压器初级励磁电感激磁,激磁电流随着时间线性上升,初级励磁电感存储能量;输出二极管D3导通,输出电感激磁,激磁电流随着时间线性上升,输出电感存储能量。复位二极管D1、D2,输出续流二极管D4处于截止状态,输入电源向输出负载传送能量。S1、S2开通一段时间ton后,同时关断,此时,变压器初级励磁电感激磁电流、输出电感激磁电流达到最大值。
图3 双管正激变换器工作状态1
(2)S1、S2关断,D3关断,D1、D2、D4导通
S1、S2同时关断后,变压器初级励磁电感的电流要维持原来的大小与反向,复位二极管D1、D2同时导通,提供续流回路,输入电压Vin反向加在变压器初级励磁电感,变压器初级励磁电感承受反向电压被钳位在-Vin,变压器初级励磁电感去磁,去磁电流随着时间线性降低,初级励磁电感存储能量向输入电源释放,变压器磁通开始进行复位。
变压器初级承受反向电压为-Vin,次级电压反向,D3关断,输出电感的电流要维持原来的大小与反向,D4导通,提供续流回路,输出电感左端电压为0,右端电压为Vo,输出电感承受反向电压-Vo,输出电感去磁,去磁电流随着时间线性降低,输出电感存储能量向输出负载释放。
图4 双管正激变换器工作状态2
变压器初级励磁电感去磁电流过0后,由于二极管只能单向导通,电流不能反向,变压器磁通复位结束。
(3)S1、S2关断,D1、D2、D3关断,D4导通
变压器磁通复位结束后,初级开关管S1与S2、复位二极管D1与D2、输出整流二极管D3维持截止状态,输出续流二极管D4维持导通状态,输出电感仍然承受反向电压-Vo,输出电感继续去磁,去磁电流随着时间线性进一步降低,输出电感存储能量向输出负载释放能量,直到开关周期结束,下一个开关开始,如此重复。
图5 双管正激变换器工作状态3
双管正激变换器工作波形如图6所示。
图6 双管正激变换器工作波形
3、双管复位设计要求
每个开关周期,初级励磁电感激磁、去磁的电压相等,都为Vin,开关管S1、S2导通时间为ton,初级励磁电感激磁时间为ton,那么,去磁时复位二极管D1、D2导通时间同样为ton,因此,为了保证磁通可靠复位,每个开关周期,toff>ton,也就是双管正激变换器的正极占空比不能大于0.5。
在输出电感处于连续导通状态下工作,可以得到:
其中:
前级有PFC,双管正激电源输入电压为400V,变压器初级电感量为5mH,系统在空载、中等负载和满载时的工作波形如下图7、图8、图9所示。
图7 空载工作波形
图8 中载工作波形
图9 满载工作波形
双管正激变换器变压器磁通电感储存的能量返回到输入端,通复位没有功率损耗,变换器的效率高。每个功率开关管的电压应力为Vin,开关管的电压应力低,这样可以选取相对较低的额定电压的功率MOSFET 管,成本低,而且额定功率较低的功率MOSFET的导通电阻小,导通损耗小。但是,电路结构复杂,所用元器件较多,上开关管驱动需要隔离驱动,占空比必须小于0.5,这种电路主要适合用中大功率的应用。