DC-DC正激變換器次級(jí)有源箝位電路

1、    DC-DC正激變換器次級(jí)有源箝位電路    DC-DC正激變換器次級(jí)有源箝位電路    類別：電源技術(shù)      摘 要 提出一種新型DC-DC正激變換器次級(jí)有源箝位電路。它一方面將儲(chǔ)存于變壓器漏感能量無(wú)損耗地轉(zhuǎn)移到負(fù)載，另一方面有效降低了次級(jí)功率二極管電壓應(yīng)力。本文對(duì)其一個(gè)周期內(nèi)工作原理及相關(guān)理論進(jìn)行分析，并給出2.8kW DC-DC變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果及波形。 關(guān)鍵詞 正激變換 有源箝位 漏感 1 前言 圖1為

2、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)開關(guān)管開通時(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)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，VD1關(guān)斷，VD2開通，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VD2)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。    

3、;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箝位電路，它能將功率二極管反向電壓箝位在一較低范圍內(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)載，便于實(shí)現(xiàn)變換器的小型化。 2 電路原理分析 DC-DC次級(jí)有源箝位電路如圖3所示，L2表示變壓器次級(jí)的漏感，由VD1、VD2、VD3、VD4、C1組成全橋結(jié)構(gòu)箝位電路，VD1、VD2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)

4、，加在每個(gè)主二極管上的最大反向電壓就是電容C1的電壓。因此，如果能將C1電壓箝在小于每個(gè)二極管的最大反向電壓，二極管就可實(shí)現(xiàn)安全箝位了。VT3、L3、VD5、C2組成升-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)有源箝位電路一個(gè)周期內(nèi)工作過(guò)程進(jìn)行分析，參見圖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)開關(guān)周期內(nèi)，其電流基本保持不變，因此Lf和Cf以及負(fù)載可看成一個(gè)電流為Io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VD1和續(xù)流二極管VD2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。

5、0;    (1)t0t1 t0時(shí)刻，變換器初級(jí)開關(guān)管開通，變壓器次級(jí)線圈電壓Usec翻轉(zhuǎn)為Upri/k，其中Upri為初級(jí)直流電壓，k為變壓器初次級(jí)匝比。整流二極管VD1正向偏置導(dǎo)通，流過(guò)L2、VD1的電流線性增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率為di/dt=Usec/L22。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Io不變。 (2)t1t2 IL2在t1時(shí)刻達(dá)到最大值IL2(max)=Io+IRR，其中IRR為VD2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上開始有反向電壓，箝位二極管VD4導(dǎo)通。此時(shí)，箝位電路將加在VD2上的

6、反向電壓箝位為C1的電壓，L2上多余的能量向C1轉(zhuǎn)移，I2L2下降，UC1增加。t2時(shí)刻，IL2=Io，VD4關(guān)斷，UVD2=Upri/k?？梢杂?jì)算出這段時(shí)間轉(zhuǎn)移到C1上的能量為： (3)t3t4 t2時(shí)刻，VT3開通，而在此之 前，IL3=0，因此VT3實(shí)現(xiàn)了零電流開通，開通損耗很小。C1上儲(chǔ)存的能量通過(guò)負(fù)載L3VT3通路向負(fù)載和L3轉(zhuǎn)移，IL3增加。由于Io不變，IVD1將減小。t3時(shí)刻，C1復(fù)位，UC1=Upri/k。 (4)t3t4 t3時(shí)刻，變換器初級(jí)開關(guān)管關(guān)斷，同時(shí)VT3關(guān)斷，IL2和IVD 1線性減小，減率di/dt=Usec/L2，IVD2以相同速率線性增加。儲(chǔ)存于L3上的能量

7、轉(zhuǎn)移到C2上，IL3減小，其減小率為dIL3/dt=-U0/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)，C2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。 (5)t4t5 t4時(shí)刻，IL2和IVD1達(dá)到負(fù)的IRR，而IVD2達(dá)到最大值，ID2(MAX)=Io+IRR，VD1關(guān)斷，箝位二極管VD3開通。此時(shí)，加在VD1上的反向電壓為箝位電容C1的電壓，漏感上的能量通過(guò)VD2C1VD RRL2通路向C1轉(zhuǎn)移，UCRR 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)VD2續(xù)流，以維持

8、輸出電流連續(xù)。此后開始新的周期，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)開關(guān)周期內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量為E=E1+E2=L2IRR(IRR+Io)，那么單位時(shí)間內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量為P=f×E=fL2IRR(IRR+Io)(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

9、源箝位分析 由以上分析可知，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)漏感所儲(chǔ)存的能量均轉(zhuǎn)移到箝位電容C1上，由此可得C1上電壓增量U為    式中，U=Upri/k。 為了確保二極管安全箝位，也就是當(dāng)箝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)，箝位電容的電容量需要大些。這樣，在每個(gè)開關(guān)周期，箝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，U越小。但C1越大，體積和價(jià)格也相應(yīng)增加。因此，只要選擇合適的C1值，U就可確定，U+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。 4

10、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 下面是2.8kW、180kHz、48V輸出DC-DC變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 圖5是箝位電容C1兩端電壓波形。由圖可看出，其電壓是在160V平均電壓上有些波動(dòng)，但最大值不超過(guò)180V。因此，整流(續(xù)流)二極管用低耐壓200V的二極管是很安全的。 表1是可選用的兩種二極管的參數(shù)對(duì)比，顯然，200V比400V的二極管有更低導(dǎo)通壓降，同等條件下，用200V的二極管導(dǎo)通損耗更低。 表中，IRR反向恢復(fù)電流峰值在dif/dt=-480A/s,Tj=100條件下測(cè)得；UF導(dǎo)通壓降在If=60A,Tj=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137W； (2)選用400V功率二極管，有源緩沖電路總損耗70W； (3)選用200V功率二極管，有源緩沖電路總損耗48W。 由此可見，選