反激式開關(guān)電源參數(shù)優(yōu)化分析和綜合實(shí)踐

1、反激式開關(guān)電源參數(shù)優(yōu)化分析和綜合實(shí)踐4.1 問題的提出反激式開關(guān)電源是一種電路最簡(jiǎn)單、最容易實(shí)現(xiàn)的開關(guān)電源電路拓?fù)洌欢?，反激式開關(guān)電源的參數(shù)選擇不合理就會(huì)導(dǎo)致反激式開關(guān)電源的損耗增加、效率降低。然而在設(shè)計(jì)制作時(shí)，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置不合理的現(xiàn)象，因此需要清楚參數(shù)設(shè)置與反激式開關(guān)電源效率的關(guān)系。最終確定反激式開關(guān)電源的參數(shù)優(yōu)化。4.2 不同的占空比對(duì)開關(guān)管導(dǎo)通損耗的影響在相同電源電壓、相同輸出功率條件下，開關(guān)管峰值電流與占空比的關(guān)系如下式：（） 很顯然，開關(guān)管的占空比的減小會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的峰值電流的增加。如圖。 圖4.1 相同的平均值電流條件下開關(guān)峰值電流與占空比的關(guān)系 分析開關(guān)周期：s；導(dǎo)通時(shí)間

2、0.3 s；輸出二極管導(dǎo)通時(shí)間小于0.6 s；整個(gè)變壓器儲(chǔ)能與釋放儲(chǔ)能的時(shí)間不到1 s；總占空比小于。其余 s處于休閑狀態(tài)；電源電壓18V；復(fù)位電壓約10V圖中的橫坐標(biāo)為占空比，縱坐標(biāo)為開關(guān)管或變壓器一次側(cè)峰值電流（一占空比為1時(shí)的開關(guān)管峰值電流為單位）同樣，開關(guān)管流過的電流有效值與占空比的關(guān)系如公式（）或（）： （）（）式（）表達(dá)的是，開關(guān)管流過的有效值電流隨占空比的減小而增加，這樣在相同的開關(guān)管導(dǎo)通電阻的條件下，開關(guān)管的導(dǎo)通電阻與占空比的關(guān)系如下式：通過式（）可以看到，在相同的導(dǎo)通電阻條件下，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗與占空比成反比關(guān)系，也就是說在相同的電源電壓、相同的輸出功率條件下占空比越低，開關(guān)

3、損耗越大。在相同的開關(guān)管導(dǎo)通電阻和相同的平均值電流的條件下，不同占空比條件下的有效值與平均值的比值以及與損耗（有效值2）的相對(duì)關(guān)系如表。表4.1 不同占空比條件下的有效值與平均值的比值以及與損耗的相對(duì)關(guān)系 占空比0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0平均值有效值/平均值3.652.582.101.831.631.491.381.291.211.151有效值2/平均值13.36.674.443.332.672.221.91.671.481.331通過表，可以更清楚地看懂隨著占空比的減小不僅有效值增加，而且損耗增加的速度更快；由圖和表看到占空比小于以后，不僅有效值增加的速度加

4、快，損耗的速度也更進(jìn)一步的加快。當(dāng)占空比為時(shí)，損耗為平均值的倍！為占空比為時(shí)的2倍；如果占空比降低到則損耗為平均值的倍！為占空比時(shí)的4倍！為了獲得相同的平均電流值，占空比越小，付出的損耗值越高。4.3 不同的占空比對(duì)開關(guān)管參數(shù)選擇的影響在相同的輸入電壓的條件下反激式開關(guān)電源的反沖電壓與直流母線電壓的關(guān)系如公式（）： （）可以看到，隨著占空比的提高，反沖電壓也隨之上升，反沖電壓的上升會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的額定電壓增加，開關(guān)管的額定電壓選擇由公式（）決定： （）式中的V為變壓器漏感在開關(guān)管關(guān)斷過程產(chǎn)生的尖峰電壓，對(duì)于220Vac輸入電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的尖峰電壓一般取100V。如果電源電壓最高值為370V，最低電

5、壓為200V，開關(guān)管的最大導(dǎo)通占空比為、對(duì)應(yīng)的反沖電壓分別為：50V、87、133V、200V、300V，在直流母線電壓為370V條件下對(duì)應(yīng)的開關(guān)管峰值電壓分別為：520V、557、603V、670、770，所選擇開關(guān)管的峰值電壓分別為：600V、600V、650V、700V或800V、700V或800V、800V。表4.2 電流臨界狀態(tài)下開關(guān)管的導(dǎo)通占空比對(duì)反沖電壓、開關(guān)管峰值電壓的影響 占空比0.20.30.40.50.6反沖電壓5087133200300開關(guān)管峰值電壓520557603670770開關(guān)管的額定電壓600600650800800表4.3 不同額定電壓的第三代MOSFET（I

6、RF系列）的導(dǎo)通性能型號(hào)IRF740IRF840IRFBC40IRF830IRFBC30IRFBE40IRFBF40IRFBG30開關(guān)管的額定電壓400V500V600V500V600V800V900V1000V開關(guān)管額定電流10A8A6.2A4.5A3.6A4.1A3.7A3.1A導(dǎo)通電阻0.550.81.21.52.233.65.0導(dǎo)通電壓5.5V6.4V7.446.75V7.92V12.3V13.32V15.5V很顯然，隨著MOSFET的額定電壓的上升，導(dǎo)通電壓會(huì)急劇增加。為了很好的反映不同額定電壓下導(dǎo)通電阻的增加程度，可以將以上的MOSFET折算成相同的額定電流條件下的導(dǎo)通電阻。折算成

7、3A狀態(tài)下的導(dǎo)通電阻為：表4.4 將表4.2 的各MOSFET折合成3A額定電流時(shí)的導(dǎo)通電阻開關(guān)管的額定電壓400V500V600V800V900V1000V導(dǎo)通電阻1.833.3753.966.146.667.75以上結(jié)果表明：如果選用常規(guī)MOSFET，很可能既是提高占空比也不會(huì)降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。為了減小開關(guān)管的導(dǎo)通損耗由不明顯的提高開關(guān)管的開關(guān)損耗，應(yīng)選擇Infineon的CoolMOS，CoolMOS的C3系列是比較成熟的型號(hào)：表4.5 Infineon公司生產(chǎn)的CoolMOS的導(dǎo)通特性 型號(hào)VDSS額定電流導(dǎo)通電阻額定電流下的導(dǎo)通電壓SPD02N60C3650V1.8A35.4VS

8、PP02N80C3800V2A2.75.4VIPW90R1K2C3900V5.1A1.26.12V可以看到，CoolMOS的額定定電壓的提升并沒有明顯的提高導(dǎo)通電壓。為了與IRF系列具有可比性，需要將CoolMOS折算成2A額定電流下的導(dǎo)通電阻：表4.6 的MOSFET折合成2A額定電流時(shí)的導(dǎo)通特性型號(hào)VDSS折合電流折合后的導(dǎo)通電阻折合電流下的導(dǎo)通電壓SPD02N60C3650V2A2.75.4VSPP02N80C3800V2A2.75.4VIPW90R1K2C3900V2A3.066.12V這個(gè)結(jié)果可以看到，盡管CoolMOS的額定電壓提高，導(dǎo)通電阻并沒有明顯的提高。這時(shí)通過提高占空比可以

9、有效地降低開關(guān)管的導(dǎo)通損耗。公式（）的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果很相近。以上分析僅僅考慮開關(guān)管的導(dǎo)通損耗與占空比的關(guān)系。開關(guān)管的損耗不僅與導(dǎo)通損耗有關(guān)，還與開關(guān)損耗有關(guān)。4.4 不同的占空比對(duì)開關(guān)管開關(guān)損耗的影響在相同的開關(guān)管的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間以及相同的直流母線電壓條件下反激式變換器的開關(guān)損耗主要是關(guān)斷損耗。開關(guān)管的開關(guān)損耗可以用圖表示：很顯然，在開關(guān)管的關(guān)斷時(shí)間相同的條件下，開關(guān)管關(guān)斷電流越小，所產(chǎn)生的關(guān)斷損耗越小。也就是說開關(guān)管的占空比增加一倍，如從增加到。開關(guān)管的峰值電流就可以減半，開關(guān)管的關(guān)斷損耗同樣減半，如圖（b）。圖4.2 開關(guān)管的關(guān)斷過程圖4.3 開關(guān)管的開通過程圖的左圖為硬開關(guān)的反激

10、式變換器的開關(guān)管漏-源極電壓波形，很顯然這是在電源電壓下開通的。右圖為準(zhǔn)諧振狀態(tài)下的開關(guān)管漏源極電壓波形。開關(guān)管的開通損耗可以通過設(shè)法降低開關(guān)管開通時(shí)刻的漏源極電壓減小，如果開關(guān)管在開通時(shí)刻的漏源極電壓為零，則可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通，開通損耗為零。采用準(zhǔn)諧振工作模式可以有效地降低開關(guān)管開通時(shí)刻的電壓，甚至可以將開通時(shí)刻的電壓降低到零，如圖的右圖。從以上分析可以得出盡可能的增加開關(guān)管的占空比有利于減小開關(guān)管關(guān)斷損耗的結(jié)論。4.5 不同的占空比對(duì)變壓器一次側(cè)繞組損耗的影響 （）或 （）在相同的輸出功率和對(duì)直流母線電壓條件下，盡可能的增加開關(guān)管的導(dǎo)通占空比將有利于降低變壓器一次側(cè)繞組有效值電流，這個(gè)結(jié)論

11、與開關(guān)管的導(dǎo)通損耗相一致。4.6 不同的占空比對(duì)直流母線電容器損耗的影響由上面的公式可以看到，盡可能的增加開關(guān)管的占空比有利于降低流過直流母線電容器的電流有效值。不同占空比下的直流母電容器流過的有效值電流與直流母線平均值之間的關(guān)系如表。表4.7 不同占空比下的直流母電容器流過的有效值電流與直流母線平均值之間的關(guān)系 占空比0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0有效值/平均值3.512.381.861.531.291.100.950.8160.6940.58有效值2/平均值12.35.673.442.331.671.220.900.670.480.33無(wú)論是有效值與平均值的比

12、值，還是有效值2與平均值的比值，均隨著占空比的減小而增長(zhǎng)，有效值2與平均值的比值增長(zhǎng)比有效值與平均值的比值增長(zhǎng)得更快。很顯然增大開關(guān)管的占空比有利于減小直流母線電容器的損耗。4.7 輸出整流二極管的導(dǎo)通占空比對(duì)輸出整流二極管導(dǎo)通損耗的影響輸出整流器的導(dǎo)通可分為電感電流臨界型和電感電流斷續(xù)型兩類，不同的工作狀態(tài)所產(chǎn)生的損耗不同。一般情況下，如我國(guó)單相交流市電輸入為220V（120%），開關(guān)管的最大占空比在電源電壓最低和最大輸出功率時(shí)，在這個(gè)狀態(tài)下可以將反激式變換器設(shè)置為電感電流臨界工作狀態(tài)。在高于電源電壓最低值和低于最大輸出功率狀態(tài)下，反激式變換器將進(jìn)入電感電流斷續(xù)狀態(tài)。4.7.1 電感電流臨界

13、工作狀態(tài)表4.8 電流臨界狀態(tài)下，直流母線電流平均值與輸出電流平均值的比值開關(guān)管占空比0.10.20.30.40.50.6直流母線電流平均值/輸出電流平均值942.331.510.67直流母線電流效值/直流母線電流平均值3.652.582.101.831.631.49輸出電流有效值/輸出電流平均值1.211.291.381.491.631.83圖4.4 不同占空比條件下的開關(guān)管電流波形與輸出整流器電流波形 4.7.2 電感電流斷續(xù)狀態(tài)電感電流斷續(xù)狀態(tài)下的輸出整流器流過的有效值電流仍然可以應(yīng)用公式（），流過輸出整流濾波電容器的電流有效值仍然可以應(yīng)用公式（）。但是電流斷續(xù)狀態(tài)下的反激式變換器的輸出

14、整流器的導(dǎo)通時(shí)間由于電感電流的斷續(xù)，其導(dǎo)通時(shí)間將小于開關(guān)周期與開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間的差值，也就是說在電感電流斷續(xù)狀態(tài)下，公式（）將不再適合。因此公式（）和公式（）中的D將變?yōu)檩敵稣髌鞯膶?shí)際導(dǎo)通時(shí)間與開關(guān)周期的比值。除了輸出整流器導(dǎo)通占空比的變化外，電流斷續(xù)狀態(tài)下，輸出整流器流過的有效值電流和輸出濾波電容器流過的有效值與輸出整流器導(dǎo)通占空比的關(guān)系同樣可以應(yīng)用公式（）和公式（），這兩個(gè)公式所得出的結(jié)論也是同樣適用的。通過上述分析可以知道：由于反激式變換器的能量傳輸需要通過變壓器的激磁電感存儲(chǔ)與釋放儲(chǔ)能，因此在開關(guān)管和輸出整流器導(dǎo)通之和為開關(guān)周期或接近于開關(guān)周期時(shí)為最佳。由于變壓器激磁電感電流不能連續(xù)

15、，在整個(gè)開關(guān)周期中總會(huì)有開關(guān)管和輸出整流器均不導(dǎo)通的狀態(tài)，這種狀態(tài)的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管的占空比的降低、輸出整流器占空比的降低或兩者同時(shí)降低。為了維持輸出功率的不變，由于開關(guān)管、輸出整流器的導(dǎo)通占空比的下降，使得開關(guān)管、輸出整流器的峰值電流上升，導(dǎo)致了開關(guān)管、輸出整流器的在平均電流相同的條件下有效值電流的上升，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)管、輸出整流器電流額定的增加和的導(dǎo)通損耗增加。尤其是開關(guān)管與輸出整流器導(dǎo)通占空比之和很低狀態(tài)下尤為明顯。圖為某反激式開關(guān)電源的開關(guān)管的漏源極電壓波形。圖中的開關(guān)周期約為；開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間約為開關(guān)管的導(dǎo)通占空比不到；輸出整流器的導(dǎo)通時(shí)間約為，輸出整流器的導(dǎo)通占空比約為。開關(guān)管與輸出整

16、流器的導(dǎo)通占空比之和還不到，也就是說整個(gè)開關(guān)周期中大約有85%的時(shí)間，變換器處于不工作狀態(tài)。這樣的狀態(tài)將使得開關(guān)管、輸出整流器在導(dǎo)通狀態(tài)下的有效值電流分別為直流母線平均值電流和輸出平均值電流的倍和倍，這個(gè)數(shù)值與臨界狀態(tài)下開關(guān)管導(dǎo)通占空比為狀態(tài)下的和分別高出倍和倍！所帶來的損耗增加則是高出10倍和5倍以上。直流母線電容器流過的電流和輸出整流器流過的電流為直流母母線電流平均值和輸出電流平均值的倍和倍。在相同ESR條件下，損耗是直流平均值的倍和倍。而在電流臨界狀態(tài)下開關(guān)管占空比為條件下，開關(guān)管、輸出整流器的電流有效值電流與，開關(guān)管、輸出整流器的電流平均值的比值分別為和，對(duì)應(yīng)的損耗也僅為直流平均值的倍

17、和倍。兩者的相差值在10倍以上！輸出整流器輸出的電壓為開關(guān)管關(guān)斷后的“平頂”電壓部分也就是反沖電壓或復(fù)位電壓，這個(gè)電壓幅值約為5V。根據(jù)反激式變換器的輸入輸出電壓關(guān)系，可以得出電流臨界狀態(tài)下的占空比為，同樣不是一個(gè)比較合理的數(shù)值。由于開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間過于短，致使開關(guān)管導(dǎo)通很差，在電源電壓為18V時(shí)開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)的壓降竟達(dá)到近3V！這在低壓MOSFET的選擇是不正常的，或者是驅(qū)動(dòng)不合理所致。其柵極啟動(dòng)電壓波形如圖。如果MOSFET是標(biāo)準(zhǔn)柵極電壓驅(qū)動(dòng)的MOSFET，和顯然能夠達(dá)到8V的最低驅(qū)動(dòng)電壓的時(shí)間是很短的，表明由于占空比過于小而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)不足。 4.8 輸出整流二極管的導(dǎo)通占空比對(duì)變壓器二次側(cè)繞組損耗的影響4.8.1 電流臨界狀態(tài)公式（）同樣也是變壓器二次側(cè)繞組的電流有效值，公式（）所得出的結(jié)論同樣適用于變壓器二次側(cè)繞組，也就是隨著輸出整流器的導(dǎo)通占空比的增加，電流有效值變小。4.8.2 電流斷續(xù)狀態(tài)