射極激勵式準諧振反激變換器

1、射極激勵式準諧振反激變換器摘要：針對RCC型變換器存在的開關(guān)損耗問題，提出了對電路參數(shù)和磁路參數(shù)進行統(tǒng)一設(shè)計，以實現(xiàn)零電壓開關(guān)的方法射極激勵技術(shù)，使雙極性晶體管無二次擊穿機理，功率處理能力僅取決于結(jié)溫的限制。關(guān)鍵詞：無損耗諧振 零電壓開關(guān) 射極激勵 安全工作區(qū)域RCC（Ringing Choke Converter）型反激變換器，一直以其簡單、性能價格比優(yōu)越而受到人們的青睞，由于它需要一只高壓開關(guān)管，在開通和關(guān)斷時存在較大的損耗。雙極性晶體管還受二次擊穿的限制，相對橋式電路而言，功率處理能力較小。對傳統(tǒng)的RCC型變換器進行綜合分析發(fā)現(xiàn)，電路由截止狀態(tài)向?qū)顟B(tài)過渡時（L1和C1串聯(lián)諧振期間）諧

2、振損耗太大，導(dǎo)致了開關(guān)管容性開通損耗。通過對電路參數(shù)和磁路參數(shù)的統(tǒng)一設(shè)計，使諧振回路處于無損耗狀態(tài)和基極激勵的自適應(yīng)跟蹤控制，從而獲得零電壓開關(guān)（ZVS）。高壓雙極性晶體管的功率處理能力通常受兩個因素的限制：平均結(jié)溫和二次擊穿。采用文獻2提出的射極激勵技術(shù)，在這種關(guān)斷方式下，無二次擊穿機理，安全工作區(qū)域（SOA）為一矩形（由Ic和Vcbo組成），其功率處理能力可擴展到千瓦級水平。1無損耗諧振原理圖1所示為變換簡化原理圖，電路接通后，輸入電壓Vi通過R1，BG2先向C2充電，當C2上電壓達0.6 V時，再流向BG1的be極（假定K1已關(guān)閉），BG1導(dǎo)通形成Ic1電流，開關(guān)變壓器T1感應(yīng)出電壓（有

3、點的端為負），反饋繞組電壓Vn2和Vc2疊加，使BG2處于恒流工作狀態(tài)，BG1維持飽和導(dǎo)通，T儲能，一段時間后，K1斷開，BG1的Ic1經(jīng)b1極向D3和D4方向流動，使BG1形成反向關(guān)斷電流。電路關(guān)斷后，T1感應(yīng)電壓極性翻轉(zhuǎn)（有點的端為正），Vn2通過D1，R2，BG2的ec極（BG2反向飽和導(dǎo)通）向C2充電，使C2保持一定的電壓。在截止期間T1向負載釋放能量，當磁能放完后，C1通過開關(guān)變壓器初級電感L1向Vi放電，即C1和L1串聯(lián)諧振，半個諧振周期后C1上電壓達到最低點，這時BG1可重新導(dǎo)通，因此由BG2組成的恒流源電路，從反向激勵翻轉(zhuǎn)到正向激勵，也應(yīng)同樣延遲上述半個諧振周期的時間，才能使B

4、G1導(dǎo)通，由于D1選用了低頻二極管，利用其電荷累積效應(yīng)形成的短時反向通路，可達到延遲激勵BG1的目的，即基極激勵具有跟蹤性。圖1無損耗諧振原理圖要使電路滿足零電壓開關(guān)（ZVS）特性，C1上的電壓不僅要達到最小值，而且還要減小到零，實現(xiàn)無損耗諧振，其條件是：N2繞組幅度取3 V（PP），若開關(guān)變壓器1匝的幅度大于該值，則必須插入匹配變壓器，因為感應(yīng)電壓幅度越小，諧振損耗就越??；調(diào)整開關(guān)變壓器初次級匝數(shù)比，使開關(guān)導(dǎo)通時間不低于截止時間，即ToffTon。根據(jù)電感的伏秒平衡特性，在L上有VonVoff，等號為最佳諧振狀態(tài)，當Von（即Vi）較低時開關(guān)管先反向?qū)ㄒ粫?，再轉(zhuǎn)為正向?qū)顟B(tài)。在上述條件

5、下，激勵回路的損耗已經(jīng)降低到最小程度。在諧振的前半部分是電能磁能的轉(zhuǎn)換，由于BG2組成的恒流源電路在翻轉(zhuǎn)時有一個較大的過沖電流，使T1儲存的磁能較多；而后半部分為磁能電能的轉(zhuǎn)換時這個過沖電流已衰減為恒流值，感應(yīng)電壓諧振到對稱點時，變壓器釋放的磁能小于儲存的磁能，多于的磁能會使感應(yīng)電壓幅度進一步升高，如圖2所示，A點電壓幅度大于B點。如果把這一過沖電流看成是容性（激勵繞組為感性電流），在諧振的前半部分，回路的容性值較大（電流大）；在其后半部分，則容性值較小（電流小），當能量轉(zhuǎn)換結(jié)束時，最終感應(yīng)電壓幅度就會大于初始值。眾所周知，高頻二極管在導(dǎo)通時，同樣有電荷累積效應(yīng)，在開始截止時，也會形成瞬時反向

6、電流（反向恢復(fù)期。因此，無損耗諧振現(xiàn)象，是由激勵回路和次級整流回路共同產(chǎn)生的。圖2L1兩端電壓波形2電路特點圖3為準諧振變換器原理圖，為進一步提高效率，在激勵回路中，插入電流互感器T2，作為BG1的比例電流激勵，BG1在導(dǎo)通期間處于準飽和狀態(tài)，關(guān)斷損耗可降至最低，同時，電路的控制靈敏度也顯著提高，具有開路工作的能力。圖3射極激勵式準諧振變換器原理圖開關(guān)變壓器不可避免地存在漏感與分布電容，其中分布電容可參予諧振，不形成損耗。D5，C3，R3組成箝位電路，吸收由漏感儲能形成的振鈴過沖，D5選用低頻二極管，利用振鈴周期遠小于開關(guān)管截止時間，這樣漏感儲能通過D5先轉(zhuǎn)變?yōu)镃3中的電能，然后C3電能又通過

7、D5（反向?qū)ǎ┓祷豑1，使T1形成短時正激變換器模式，R3的大小與D5恢復(fù)特性有關(guān)。這種箝位電路具有削峰和傳輸漏感儲能雙重功效。通常，二極管反向恢復(fù)問題，是導(dǎo)致開關(guān)器件容性開通損耗的主要因素之一。然而在本電路中，通過精心設(shè)計，巧妙地利用二極管反向恢復(fù)特性來消除開關(guān)器件容性開通損耗，其特點是：不需要輔助換相電路和磁性緩沖器件；利用諧振實現(xiàn)換相與負載無關(guān)，可開路工作；變換器效率和開關(guān)器件的利用率（參考文獻3）均大于傳統(tǒng)RCC型變換器，在TonToff時（標準輸入電壓），開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力的乘積最小，從而擴大了功率處理能力。該變換器的主要數(shù)據(jù)為：BG1為2SD1403，其Vi300 V，Vo

8、125 V，Po250 W， fs30 kHz，變換器效率大于93，在傳統(tǒng)的RCC型變換器中，2SD1403開關(guān)管僅用于輸出功率為50 W的電路中（如三洋18英寸彩色電視機），由此可見，該變換器將開關(guān)管的功率處理能力提高了5倍。準諧振變換器，工作于零電壓開通，大電流關(guān)斷模式，C1容量越大，電壓緩升作用就越明顯，考慮到開關(guān)管基極的跟蹤性，L1和C1的諧振時間是相對固定的（占開關(guān)周期的1015），這樣L1的取值就有限制，若輸出功率小于300 W，用橋式整流方式，以保證L1的取值較小，若輸出功率大于300 W，應(yīng)選用倍壓整流方式（Vi 600 V），由于BG1集電極電流比橋式整流方式減半，進一步提高了效率。3結(jié)論通過對電路和磁路參數(shù)的統(tǒng)一設(shè)計，靈活應(yīng)用半導(dǎo)體器件的非理想特性，實現(xiàn)了無損耗諧振和傳輸漏感儲能。這一特性的發(fā)現(xiàn)，使RCC型變換器的功率處理能力，突破了傳統(tǒng)概念上的限