基于LM5025的大功率有源箝位逆變電源
1 引 言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/177302.htm正激變換器由于拓?fù)涞暮唵涡?,被廣泛的應(yīng)用在電源行業(yè),但是變壓器開關(guān)關(guān)斷時需要磁復(fù)位【1】。一般都是用第三復(fù)位繞組、RCD箝位電路以及LCD緩沖器等,但是由于這幾種復(fù)位方式都有其自身的缺點導(dǎo)致正激變換器不適用于大功率和高頻場合。
和這些傳統(tǒng)的復(fù)位方式相比,有源箝位有許多優(yōu)點:①變壓器對稱雙向磁化,工作在B-H曲線的第一和第三象限,變壓器得到充分利用;②箝位開關(guān)管是零電壓開關(guān),主開關(guān)管雖然不容易實現(xiàn)零電壓開關(guān),但是由于有箝位裝置和緩沖電容使得其開通與關(guān)斷時的電壓應(yīng)力大大減??;③勵磁能量和漏感能量全部回饋電網(wǎng),占空比可以大于0.5。
以前,由于有源箝位專用IC較少,實現(xiàn)起來比較困難,限制了有源箝位的廣泛應(yīng)用。近年有源箝位與同步整流的結(jié)合,更是大大促進了有源箝位在低電壓輸出場合的應(yīng)用。隨著國際上相關(guān)專利的到期以及專用IC的發(fā)展,有源箝位的技術(shù)必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文在此基礎(chǔ)上,利用NS最新推出的有源箝位專用芯片LM5025研制了一臺單相220V輸入,輸出為24V/120A的大功率逆變電源。
2 有源箝位正激變換器工作原理
為了方便分析,做如下假設(shè):Lf足夠大,對負(fù)載可認(rèn)為是恒流源;所有的半導(dǎo)體器件都是理想器件;變壓器是變比為n的理想變壓器;主開關(guān)管S1只有漏源極間的電容C1,其他寄生參數(shù)不考慮;箝位開關(guān)管僅有反并二極管,其他寄生參數(shù)不考慮;箝位電容Cc足夠大箝位電壓基本不變,原理圖如圖1所示。下面分為10個工作區(qū)間分別論述,各區(qū)間工作波形如圖2所示。
t0-t1:t0時刻,S1導(dǎo)通,它是硬開通,此時D3和D4同時導(dǎo)通,ip快速上升。
t1-t2:t1時刻,D4關(guān)斷,ip以一個緩坡上上升。此時箝位管漏源極間電壓U-S2為箝位電壓Uin+Ucc。
t2-t3:t2時刻,S1關(guān)斷,由于有C1的存在,主開關(guān)管S1漏源極間電壓U-S1緩緩上升,可以減輕S1關(guān)斷時的電壓應(yīng)力;同時U-S2就在緩緩下降,由于變壓器原邊電壓還處在正向狀態(tài),故ip仍在緩緩上升。
t3-t4:t3時刻,U-S1升至Uin,變壓器開始承受反向電壓,副邊D3和D4同時導(dǎo)通,ip開始快速下降,U-S1繼續(xù)上升。
t4-t5:t4時刻,U-S1升至箝位電壓Uin+Ucc,二極管D2開始導(dǎo)通給箝位電容Cc充電,此時箝位開關(guān)管S2漏源極間電壓為零。
t5-t6:t5時刻,S2零電壓開通,但是由于此時電流方向仍是給Cc充電,故S2中沒有電流流過。
t6-t7:t6時刻,副邊反向電壓致使D3完全關(guān)斷,副邊電流依靠D4續(xù)流;原邊電流ip以更加緩慢的速度減小。
t7-t8:t7時刻,原邊電流降為零,由于箝位電壓高于Uin電流開始反向緩緩增加;這些電流全部來自箝位電容,由于Cc足夠大,可以認(rèn)為箝位電壓基本不變。
t8-t9:t8時刻,S2關(guān)斷,icc變?yōu)榱?,原邊電流通過抽取C1維持,由于有緩沖電容C1的存在且此時電流很小,故箝位開關(guān)管S2是零電壓關(guān)斷。
t9-t10:t9時刻,主開關(guān)管S1漏源極間電壓降為Uin,變壓器開始承受零電壓,D3和D4同時導(dǎo)通;如果諧振參數(shù)調(diào)整合適也可以讓S1實現(xiàn)零電壓開通,從t10時刻S1導(dǎo)通開始進入下一個循環(huán)。
3 主電路參數(shù)設(shè)計
3.1 最大占空比的確定
由變壓器的伏秒積平衡原理可知
為使箝位電壓不是太高,令
,則最大占空比Dmax=0.6
3.2 功率變壓器設(shè)計
由于有源箝位變壓器的激磁電壓是雙向矩形脈沖,且其工作于B-H曲線的一三象限,磁感應(yīng)變化量△B=2Bm,所以其鐵心的利用率高【2】。下面基于AP法來設(shè)計有源箝位逆變電源的變壓器,選用2KB系列EE型鐵氧體磁芯,其飽和磁通密度Bs=510mT,剩余磁通密度Br約為110mT。實際工作磁感應(yīng)強度Bm=1/3Bs=170mT,導(dǎo)線電流密度J取300A/cm2,窗口使用系數(shù)Ko取0.4,波形系數(shù)Kf取4(按照方波取),頻率fs=25KHz, 輸入電壓為300±40V,最大占空比為0.6,變壓器變比為5,實際變壓器
取0.8,把這些參數(shù)帶入公式(1)、(2)計算后與我們實際得視在功率
然后查表選擇EE110磁芯,其
完全滿足要求。下面來計算初級線圈匝數(shù)N1:
4 控制電路設(shè)計
本次設(shè)計采用了NS公司最新推出的電壓模式的有源箝位專用芯片LM5025,其輸入工作電壓從13V到100V,由內(nèi)部偏壓調(diào)整器取代了外部偏壓調(diào)整器,用戶可編程振蕩器頻率可達1MHz,獨特的柵極驅(qū)動技術(shù)使得驅(qū)動電流可達3A,可以直接驅(qū)動大功率的MOSFET。LM5025還帶有可調(diào)滯后的用戶編程的欠壓鎖定電路和雙模式過流保護電路,同時還有變壓器最大伏秒積限制和振蕩器同步性能【3】。
LM5025的頻率設(shè)定是依靠外部電阻Rt,
,F(xiàn)就是我們要設(shè)定的頻率,單位是KHz,Rt的單位是
;LM5025還有信號同步功能,外部時鐘信號最低可以比內(nèi)部振蕩器低20%,最高沒有限制;如果將Rt接至REF腳,則內(nèi)部振蕩器完全不起作用,同步時鐘信號沒有限制,輸出完全由外部時鐘控制;若不需外部同步的話要將SYNC接地,防止外部干擾信號。
LM5025既可以用于N溝道有源箝位也可以用于P溝道有源箝位,當(dāng)用于P溝道時是要進行重迭時間設(shè)定,此時Rset要接
當(dāng)用于N溝道時是要進行死區(qū)時間設(shè)定,此時Rset要接REF,
其中的Rset單位都是
。
LM5025還有欠壓鎖定功能,把Uin經(jīng)分壓以后接至UVLO腳,保證在輸入電壓允許范圍內(nèi)UVLO腳的電壓都大于2.5V,一旦此腳電壓低于2.5V,LM5025鎖定,處于待命狀態(tài),因而也可以通過UVLO腳實現(xiàn)對變換器的遠(yuǎn)程關(guān)斷/開通控制。
LM5025繼承了UCC3580等有源箝位控制芯片的變壓器最大伏秒積限制功能。也可以用來限制最大占空比,當(dāng)Uin通過Rff給Cff充電達到內(nèi)部參考電壓2.5V時,將會關(guān)斷主開關(guān)管,Cff內(nèi)的電荷在Ton結(jié)束時或其達到2.5V時被內(nèi)部的FET放掉,哪一個事件先發(fā)生就以哪一個為準(zhǔn)。其中關(guān)系為
在確定了Tonmax和Uin以后,選定一個Cff,就可以求出Rff,Cff的取值范圍一般在100pF到1000pF之間。
LM5025具有兩種電流保護模式CS1和CS2,一旦通過電流傳感器反饋在CS1腳電壓超過0.25V,控制器將會停止當(dāng)前的驅(qū)動信號(也就是逐周期電流保護模式);若是反饋到CS2腳的電壓超過0.25V,控制器也會停止當(dāng)前的驅(qū)動信號,并且給軟啟動電容Css放電至零,之后限制充電電流為1uA,在Css充電到大約1V時開始輸出第一個觸發(fā)脈沖,再然后充電電流恢復(fù)到20uA(正常充電電流),這也就是所謂的打嗝模式,一般在變換器嚴(yán)重過流時使用[4]。
依據(jù)LM5025的這些特性我們設(shè)計了如圖3所示的控制電路。
圖3 有源箝位控制電路
5 仿真與實驗
在理論分析以后我們用仿真軟件對主電路做了仿真,又通過試驗驗證了理論的正確性。仿真和試驗的條件是:單相220V輸入整流濾波,主開關(guān)管和輔開關(guān)管都是G40N150D,箝位電容5uF,工作頻率25KHz,占空比0.4。仿真及實測波形如圖4所示:
(a)仿真原邊電流ip和輔管驅(qū)動波形 (b)仿真輔管實現(xiàn)零電壓波形
(c)仿真主開關(guān)管漏源極間波形 (d)實測輔管實現(xiàn)零電壓波形
(e)實測原邊電流ip波形?。╢)實測主開關(guān)管漏源極間波形
圖4 仿真和實測波形
6 結(jié) 論
(1)對有源箝位電路工作原理和波形進行了分析,并通過軟件仿真進行了理論驗證;
(2)分析了有源箝位專用控制芯片LM5025特性和功能,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于LM5025的控制系統(tǒng);
(3)通過試驗驗證了有源箝位在大功率逆變電源上應(yīng)用的可行性,并給出了實測波形,由實測波形可以看出,主開關(guān)管漏源極間電壓得到有效箝位,輔開關(guān)管實現(xiàn)了零電壓開關(guān)。
參考文獻
[1]彭國平等.有源箝位正激變換器的分析與設(shè)計[J]. 電工技術(shù)雜志,2003(10):29-33
[2]李啟明,嚴(yán)仰光.正激變換器脈沖變壓器的優(yōu)化設(shè)計[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2001(4):372-374
[3]馬國勝.LM5025有效鉗位PWM控制器及其應(yīng)用[J].電源世界,2005(2):47-50
[4]National Semiconductor公司產(chǎn)品資料.
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