DC-DC正激變換器次級(jí)有源箝位電路

1 前言

圖1為正激變換器次級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路，VD1為整流二極管，VD2是續(xù)流二極管，Lf是輸出濾波電感，Cf是輸出濾波電容。當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，初級(jí)能量向負(fù)載轉(zhuǎn)移;當(dāng)初級(jí)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，VD1關(guān)斷，VD2開(kāi)通，濾波電感電流通過(guò)VD2續(xù)流。以上只是理想狀態(tài)，若考慮功率二極管的反向恢復(fù)特性和變壓器漏感，當(dāng)VD1(或V D2)處于反向恢復(fù)期時(shí)，有一沖擊電流流經(jīng)變壓器，并將能量?jī)?chǔ)存于變壓器漏感中，此能量將使二極管承受較大的反向電壓沖擊。這樣一方面需選用較高耐壓等級(jí)的二極管，另一方面產(chǎn)生的EMI也較大。此外，由于變壓器存在繞線電阻，此能量會(huì)使變壓器發(fā)熱。如何有效處理漏感能量呢? 最常用的辦法是將無(wú)源RC緩沖電路與每只功率二極管并聯(lián)，如圖2所示，使漏感能量都消耗在緩沖器上。工作頻率越高，緩沖器消耗的能量越多，因此，變換器頻率和效率都不高。下面 將介紹一種有源箱位電路，它能將功率二極管反向電壓籍位在一較低范圍內(nèi)，并且能量回收電路將漏感所存儲(chǔ)的能量無(wú)損耗地轉(zhuǎn)移到負(fù)圖1 DC載，便于實(shí)現(xiàn)變換器的小型化。

圖1 正激變換器次級(jí)拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)電路

圖2 帶RC緩沖電路的功率二極管

2 電路原理分析

DC 一DC 次級(jí)有源籍位電路如圖3所示，L2表示變壓器次級(jí)的漏感，由VDI,VD2,VD3,VD4,C1組成全橋結(jié)構(gòu)籍位電路，VD1,V D2是正激變換次級(jí)主整流二極管和續(xù)流二極管。對(duì)于這種全橋結(jié)構(gòu)，加在每個(gè)主二極管上的最大反向電壓就

圖3 DC 一DC 次級(jí)有源籍位電路

是電容CI的電壓。因此，如果能將C1電壓籍在小于每個(gè)二極管的最大反向電壓，二極管就可實(shí)現(xiàn)安全籍位了VT3,L3 ,V D5,C: 組成升一降壓式的能量回收電路。下面將分5個(gè)階段對(duì)DC -DC次級(jí)有源籍位電路一個(gè)周期內(nèi)工作過(guò)程進(jìn)行分析，參見(jiàn)圖4(圖中縱坐標(biāo)比例不一致)。

為了便于分析，作出如下假設(shè):

(a) 輸出電感Lf足夠大，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，其電流基本保持不變，因此L:和C;以及負(fù)載可看成一個(gè)電流為I。的恒流源;

(b) 變壓器除考慮次級(jí)漏感外視為理想器件;

(c) 主二極管VD;和續(xù)流二極管VD:除考慮

反向恢復(fù)特性外其它均不考慮;

(d) 其它元件都是理想的。

(1) t0一 t1

to時(shí)刻 ， 變換器初級(jí)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，變壓器次級(jí)線圈電壓U,翻轉(zhuǎn)為Up,;/k，其中嘰*為初級(jí)直流電壓，k為變壓器初次級(jí)匝比。整流二極管VD,正向偏置導(dǎo)通，流過(guò)玩、VD,的電流線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為di/dt= U sec/L 2。由于二極管的反向恢復(fù)特性，VD2 尚未關(guān)斷，IVD2以相同的速率減小，但總的I0不變。

(2) t1一 t2

IL2 在 t; 時(shí)刻達(dá)到最大值IL2(max)二Io+IRR其中IRR為VD:的反向恢復(fù)電流峰值。t1時(shí)刻，VD2反向恢復(fù)期結(jié)束后關(guān)斷，VD2上開(kāi)始有反向電壓，籍位二極管VD;導(dǎo)通。此時(shí)，籍位電路將加在VD:上的反向電壓籍位為C1的電壓，L:上多余的能量向C1轉(zhuǎn)移，IL2下降，Uc，增加。t:時(shí)刻，IL2= I0 ,VD 4 關(guān)斷

可以計(jì)算出這段時(shí)間轉(zhuǎn)移到C2上的能量為:

(3) t2一 t3

t2時(shí) 刻 ， VT3開(kāi)通，而在此之前，IL3=0，因此V T3實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通，開(kāi)通損耗很小。C1上儲(chǔ)存的能量通過(guò)負(fù)載一L3-V T3通路向負(fù)載和L3轉(zhuǎn)移，IL3增加。由于I。不變，IVDI將減小。t3時(shí)刻，C1復(fù)位

(4) t3 一 t4

t3時(shí)刻，變換器初級(jí)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，同時(shí)VT 3關(guān)斷，I0和IVDI線性減小，減率di/dt=U},/L29I V D 2以相同速率線性增加。儲(chǔ)存于L3上的能量轉(zhuǎn)移到C:上，IL3減小，其減小率為dIL3/dt=一Uo/L3。若忽略R3損耗，(因?yàn)樵谀K正常工作時(shí)R3上消耗的功率約0.3W ),C: 與負(fù)載并聯(lián)，這樣L3上的能量就轉(zhuǎn)移到負(fù)載上去了。

圖4 箱位電路工作原理波形

(5) t4 一 t5

t;時(shí)刻 ，IL2和，VDl達(dá)到負(fù)的，RR，而IVD2達(dá)到最大值，ID2(MAX)=Io+IRR,VD1關(guān)斷，籍位二極管V D3開(kāi)通。此時(shí)，加在VD1上的反向電壓為籍位電容C1的電壓，漏感上的能量通過(guò)V D2-Cl-VD3-L:通路向C,轉(zhuǎn)移，UCi增加。t5時(shí)刻，IL2 為0，這段時(shí)間轉(zhuǎn)移到C1上的能量為:

t5時(shí)刻后 ，輸出電感通過(guò)VD:續(xù)流，以維持輸出電流連續(xù)。此后開(kāi)始新的周期，狀態(tài)同(1)。

3 、性能分析

3.1 、能量分析

由于變壓器的漏感與繞制工藝和磁芯材料有關(guān)，為了簡(jiǎn)化分析在這里將它看成一常量。由以上分析可知:在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量為

那么單位時(shí)間內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量為

式中，f為變換器的工作頻率)。若采用RC緩沖器與主二極管并聯(lián)，這部分能量全消耗在緩沖器上。由該式可看出，P與f成正比，這使得采用RC緩沖器的變換器工作頻率和效率難以提高。若采用本文介紹的能量回收電路，這部分能量全部轉(zhuǎn)移到負(fù)載上，有利于提高工作頻率和效率。

3.2 有源箱位分析

由以上分析可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量均轉(zhuǎn)移到籍位電容C1上，由此可得C,上電壓增量△U為變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖 5是籍位電容C1兩端電壓波形。由圖可看出，其電壓是在160 V平均電壓上有些波動(dòng)，但最大值不超過(guò)180 V。因此，整流(續(xù)流)二極管用低耐壓200 V的二極管是很安全的。

圖 5 箱位電容C1兩端電壓波形

表 1是可選用的兩種二極管的參數(shù)對(duì)比，顯然，200 V比400 V的二極管有更低導(dǎo)通壓降，同等條件下，用200 V的二極管導(dǎo)通損耗更低。

表 1 兩種二極管參數(shù)對(duì)比

為了 確 保 二極管安全箱位，也就是當(dāng)籍位電容吸收漏感多余能量而電壓升高時(shí)二極管不會(huì)有燒壞的危險(xiǎn)，籍位電容的電容量需要大些。這樣，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期，籍位電容上的電壓就是在一平均電壓基礎(chǔ)上有微小的波動(dòng)。由此可知，C1越大，DU越小。但C,越大，體積和價(jià)格也相應(yīng)增加。因此，只要選擇合適的C,值，DU就可確定，U十△U(主二極管上的最大反向電壓)也確定了。將它與手冊(cè)上擬選用二極管的最大反向電壓相比較，即可確定二極管工作是否安全。表中，IRR反向恢復(fù)電流峰值在

Tj=100℃條件下測(cè)得;OF導(dǎo)通壓降在if=60A ,Ti =150℃條件下測(cè)得。

此外， 經(jīng)計(jì)算，(1)選用400V 功率二極管，RC緩沖電路總損耗137 W ;

(2) 選用 400V 功率二極管，有源緩沖電路總損耗70 W ;

(3) 選用 200V 功率二極管，有源緩沖電路總損耗48 W,,

由此可見(jiàn) ，選用200V 功率管的有源緩沖電路比選用400 V功率管的RC緩沖電路節(jié)省功率89 W。對(duì)于2.8 kW的變換器而言，可將效率提高3個(gè)百分點(diǎn)。

5、結(jié)論

由以上分析可知，次級(jí)有源籍位電路有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)將功率二極管反向恢復(fù)期間存儲(chǔ)于變壓器漏感的能量無(wú)損轉(zhuǎn)移到負(fù)載;(2)降低功率二極管電壓應(yīng)力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電路設(shè)計(jì)是可行的。