基于LM5025的大功率有源箝位逆變電源

1　引 言

正激變換器由于拓撲的簡單性，被廣泛的應用在電源行業(yè)，但是變壓器開關(guān)關(guān)斷時需要磁復位【1】。一般都是用第三復位繞組、RCD箝位電路以及LCD緩沖器等，但是由于這幾種復位方式都有其自身的缺點導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)斷時的電壓應力大大減小；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，對負載可認為是恒流源；所有的半導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導通，它是硬開通，此時D3和D4同時導通，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。實際工作磁感應強度Bm＝1/3Bs＝170mT，導線電流密度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?。?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，當用于P溝道時是要進行重迭時間設(shè)定，此時Rset要接

當用于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。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　（f）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].南京航空航天大學學報，2001（4）：372－374

[3]馬國勝.LM5025有效鉗位PWM控制器及其應用[J].電源世界，2005（2）：47－50

[4]National Semiconductor公司產(chǎn)品資料.