雙正激DC/DC變換器的一種新型拓?fù)溲芯?/h1>
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時(shí)間：2009-07-27
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引言目前在各種電氣設(shè)備中應(yīng)用的各式各樣的開(kāi)關(guān)電源,大多數(shù)都采用間接式DC/DC 變換電路。它具有隔離性能好,便于提供多路輸出直流電源等優(yōu)點(diǎn)。間接式DCPDC 變換電路通常又分為單端電路和雙端電路。一般小容量的開(kāi)關(guān)電源多采用單端正激式或單端反激式DC/DC 變換電路,其高頻變壓器鐵芯中的磁通是單方向脈動(dòng)的。單端間接式直流變換電路所存在的主要缺點(diǎn)是高頻變壓器鐵芯中的磁通只工作在磁化曲線(xiàn)的第1 象限,一方面使鐵芯不能得到充分利用,另一方面總需要解決磁通復(fù)位的問(wèn)題。相比之下,雙端間接式DC/DC 變換電路比較適用于中大容量的開(kāi)關(guān)電源,其高頻變壓器鐵芯的工作磁通在磁化曲線(xiàn)的第1、3 象限之間對(duì)稱(chēng)地交變,鐵芯的利用率較高,也不必?fù)?dān)心磁通的復(fù)位問(wèn)題。而且對(duì)應(yīng)于正負(fù)半周都可以向輸出傳遞能量,加之高頻變壓器鐵芯的磁通變化線(xiàn)性范圍寬,有利于減小變壓器的繞組匝數(shù)和鐵芯體積,提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度和工作效率。因此研究開(kāi)發(fā)完善、可靠的雙正激DC/DC 變換http://butianyuan.cn/article/188802.htm
基于上述考慮,我們?cè)诳蒲袑?shí)踐中,提出了一種新型雙端正激式DC/DC 變換器的半橋變換器,在直流輸入電壓高、高頻變壓器變比大的情況下,都存在磁通維持續(xù)流階段的不理想方面,本文提出了一種獨(dú)特的磁通維持續(xù)流控制方法。同時(shí),為了解決開(kāi)關(guān)電源的自啟動(dòng)問(wèn)題,還給出了一種自舉電路控制方案。
新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
主電路采用了如圖1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中變壓器原邊采用半橋式雙正激電路,主電路可直接利用高壓直流環(huán)節(jié)供電。兩原邊繞組L1、L2 上下對(duì)稱(chēng),極性相反,共用同一鐵芯。這種結(jié)構(gòu)可以有效地避免在高頻PWM 開(kāi)關(guān)作用下,由于MOS 管關(guān)斷不及時(shí)所可能出現(xiàn)的上下橋臂直通現(xiàn)象。
圖中右上回路代表著一系列帶有中間抽頭的副邊繞組及高頻整流濾波環(huán)節(jié)。它對(duì)副繞組兩端產(chǎn)生的正2零2負(fù)三電平交變高頻脈沖電壓,通過(guò)兩只快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)全波整流,然后進(jìn)行L-C 濾波或直接電容濾波后穩(wěn)壓輸出。另外,為了穩(wěn)定輸出電壓和提高抗干擾能力,電路中還選擇了其中一組副邊為SG3525 芯片的PWM控制提供反饋電壓。
以下將每個(gè)開(kāi)關(guān)周期分為三個(gè)階段來(lái)分析整個(gè)主電路部分的工作原理。首先要假設(shè)變壓器原邊電流的正方向是流入繞組同名端的。主電路中開(kāi)關(guān)管M1 、M2 占空比變化范圍是0～50 % ,且輪流導(dǎo)通。
1) 開(kāi)關(guān)管M1 導(dǎo)通時(shí),電容C1 的正向電壓加在原邊繞組L1 上。在此電壓的激勵(lì)下, 根據(jù)u =Ld i/d t , 可推導(dǎo)出
式中U=Ud/2,即輸入側(cè)直流電壓的一半,L 為高頻變壓器的等效勵(lì)磁電感。在電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,每周期開(kāi)關(guān)管M1 剛導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流初始值I0 應(yīng)為負(fù)值,并且勵(lì)磁電流以斜率UPL (常值) 從負(fù)到正線(xiàn)性增加(這里要注意的是:流經(jīng)L1 的電流是由其勵(lì)磁電流和總負(fù)載電流合成的,因而L1 中電流的大小還取決于負(fù)載的輕重) ,同時(shí)各副邊繞組兩端感應(yīng)生成正向電壓脈沖。
2) 開(kāi)關(guān)管M2 導(dǎo)通的情況與M1 類(lèi)似,由于電容C2 端電壓U = Ud/2 ,相對(duì)于L2 的同名端而言為反極性作用,其勵(lì)磁電流的初始值I0 為正值,故此期間勵(lì)磁電流是以斜率UPL 從正到負(fù)反向線(xiàn)性增加的,因而各副邊繞組兩端生成負(fù)極性電壓脈沖。
3) 當(dāng)M1 、M2 都不導(dǎo)通時(shí),需要主磁通勵(lì)磁電流保持在最大值I0 不變,使各繞組磁通維持常值,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律u = - dψ/d t ,主電路原邊繞組及各副邊繞組的端電壓在此期間內(nèi)均保持為零,從而使變壓器副邊電壓為三電平PWM 脈沖波形,進(jìn)而保證輸出直流電壓具有可控性。
從上面的分析我們不難看出主電路高頻變壓器的勵(lì)磁磁勢(shì)是依照規(guī)律
線(xiàn)性增加(從負(fù)到正) ==維持恒定(在勵(lì)磁續(xù)流回路中)==線(xiàn)性減小(從正到負(fù))
而變化的,使得主磁通在第1、3 象限內(nèi)對(duì)稱(chēng)交變,滿(mǎn)足雙端正激式控制的要求。
按照本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上述工作原理,為了實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的可控調(diào)節(jié),應(yīng)該做到兩個(gè)方面,其一是主電路中開(kāi)關(guān)管M1 、M2 的PWM 占空比都能在0～50 %范圍內(nèi)連續(xù)變化;其二,在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期當(dāng)中,除兩只開(kāi)關(guān)管按一定的PWM 占空比輪流導(dǎo)通的時(shí)間之外,還有一段時(shí)間二者均不導(dǎo)通,此期間需要保持勵(lì)磁電流不變,使得輸出感應(yīng)電壓為零。此外,為了使高頻變壓器鐵芯的主磁通在第1、3 象限內(nèi)的對(duì)稱(chēng)交變有更寬的變化范圍,從而有利于減少繞組匝數(shù),充分利用鐵芯和減小變壓器體積,應(yīng)設(shè)法使勵(lì)磁磁勢(shì)在兩開(kāi)關(guān)管均不導(dǎo)通期間維持在正向或負(fù)向最大值不變。這就要求在L1 和L2 兩原邊繞組均不導(dǎo)通的情況下,由其它副邊繞組提供勵(lì)磁續(xù)流磁勢(shì),然而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果都表明,在直流側(cè)電壓較高而變壓器原、副邊變比較大的情況下,僅僅依靠類(lèi)似于L4 所在的副邊整流回路提供勵(lì)磁續(xù)流,其波形是很差的,遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的三電平PWM控制效果。
正是針對(duì)這一問(wèn)題,本方案專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)提出了一種勵(lì)磁續(xù)流回路如圖1 中右側(cè)L3 所在的回路所示?；芈分蠱OS 管M7 、M8 均帶有反并聯(lián)二極管。在主電路半橋的上下兩管都不導(dǎo)通的時(shí)候,通過(guò)同時(shí)開(kāi)通這兩只開(kāi)關(guān)管,來(lái)維持主磁通的勵(lì)磁磁勢(shì)及勵(lì)磁電流的連續(xù)性,由于該回路電阻很小,勵(lì)磁電流近似維持不變。
PWM控制信號(hào)產(chǎn)生電路
主電路的PWM 控制信號(hào)是由SG3525 產(chǎn)生出來(lái)的。由于3525 的控制簡(jiǎn)單且相關(guān)資料很多,在此我們就不詳細(xì)給出其周邊電路了。SG3525 根據(jù)變壓器副邊反饋的電壓信號(hào)Vfd 調(diào)整輸出PWM 控制信號(hào)的占空比,如圖2 所示。由于主電路采用雙端正激式結(jié)構(gòu),門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)也需要隔離,因此SG3525 輸出端接于變壓器T2 原邊兩端,兩個(gè)副邊分別以相反的極性來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管門(mén)極。至于勵(lì)磁續(xù)流回路中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的門(mén)極控制信號(hào)的控制邏輯,可以采用SG3525的兩個(gè)輸出信號(hào)的“或非”得到,從而保證在OUTA 、OUTB 有一個(gè)為高電平時(shí),G3、G4 就都輸出低電平。只有當(dāng)兩個(gè)輸出均為低電平時(shí),G3、G4 才為高電平,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁續(xù)流回路開(kāi)通。
自舉電路分析
作為實(shí)際能夠應(yīng)用的產(chǎn)品,必須要做到能夠自啟動(dòng),即自舉。要利用上電時(shí)的輸入直流高壓,來(lái)得到能夠提供給控制芯片的初始電源,在主電路變壓器真正開(kāi)始工作后,在某個(gè)副邊會(huì)產(chǎn)生一定的電壓,再利用此電壓經(jīng)過(guò)一定的處理作為工作電壓提供給控制芯片,這樣整個(gè)電路就可以正常工作了。
在許多開(kāi)關(guān)電源的方案中,或者根本沒(méi)有提出自啟動(dòng)的解決方案,或者采用的是直接利用大電阻將主電路直流側(cè)高電壓分壓得到,在整個(gè)電源工作時(shí)期內(nèi),它都要提供電壓,消耗許多能量,從而使得系統(tǒng)的效率大大降低。本方案提出一種有效的解決辦法,如圖3 所示,在上電初期,初始回路等效電阻較小,一旦工作電壓建立起來(lái),初始回路等效電阻變?yōu)楹艽?而且也不必為控制電路提供電源,因而提高了系統(tǒng)的效率。圖3 中Vd 為主電路輸入側(cè)直流電壓,V 為由某次級(jí)線(xiàn)圈提供的輸出直流電壓,R1 阻值很大,R2 相對(duì)R1 要小得多。剛上電時(shí),V 為零,開(kāi)關(guān)S1 斷開(kāi)。因此MOS 管TR1 導(dǎo)通。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后給作控制芯片的初始電源。一旦副邊電壓建立起來(lái)后,S1 閉合,進(jìn)而拉低TR1 的柵極電壓,使其關(guān)斷。需要注意的是,R2 可以取得很小;同時(shí),支路的電阻R1 由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極電流極小的緣故,阻值可以取得很大。這一點(diǎn)避免了傳統(tǒng)的方案中電阻必須較小以提供足夠大的電流的缺點(diǎn),從而提高了工作效率。
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目前在各種電氣設(shè)備中應(yīng)用的各式各樣的開(kāi)關(guān)電源,大多數(shù)都采用間接式DC/DC 變換電路。它具有隔離性能好,便于提供多路輸出直流電源等優(yōu)點(diǎn)。間接式DCPDC 變換電路通常又分為單端電路和雙端電路。一般小容量的開(kāi)關(guān)電源多采用單端正激式或單端反激式DC/DC 變換電路,其高頻變壓器鐵芯中的磁通是單方向脈動(dòng)的。單端間接式直流變換電路所存在的主要缺點(diǎn)是高頻變壓器鐵芯中的磁通只工作在磁化曲線(xiàn)的第1 象限,一方面使鐵芯不能得到充分利用,另一方面總需要解決磁通復(fù)位的問(wèn)題。相比之下,雙端間接式DC/DC 變換電路比較適用于中大容量的開(kāi)關(guān)電源,其高頻變壓器鐵芯的工作磁通在磁化曲線(xiàn)的第1、3 象限之間對(duì)稱(chēng)地交變,鐵芯的利用率較高,也不必?fù)?dān)心磁通的復(fù)位問(wèn)題。而且對(duì)應(yīng)于正負(fù)半周都可以向輸出傳遞能量,加之高頻變壓器鐵芯的磁通變化線(xiàn)性范圍寬,有利于減小變壓器的繞組匝數(shù)和鐵芯體積,提高開(kāi)關(guān)電源的功率密度和工作效率。因此研究開(kāi)發(fā)完善、可靠的雙正激DC/DC 變換http://butianyuan.cn/article/188802.htm
基于上述考慮,我們?cè)诳蒲袑?shí)踐中,提出了一種新型雙端正激式DC/DC 變換器的半橋變換器,在直流輸入電壓高、高頻變壓器變比大的情況下,都存在磁通維持續(xù)流階段的不理想方面,本文提出了一種獨(dú)特的磁通維持續(xù)流控制方法。同時(shí),為了解決開(kāi)關(guān)電源的自啟動(dòng)問(wèn)題,還給出了一種自舉電路控制方案。
新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理
主電路采用了如圖1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中變壓器原邊采用半橋式雙正激電路,主電路可直接利用高壓直流環(huán)節(jié)供電。兩原邊繞組L1、L2 上下對(duì)稱(chēng),極性相反,共用同一鐵芯。這種結(jié)構(gòu)可以有效地避免在高頻PWM 開(kāi)關(guān)作用下,由于MOS 管關(guān)斷不及時(shí)所可能出現(xiàn)的上下橋臂直通現(xiàn)象。
圖中右上回路代表著一系列帶有中間抽頭的副邊繞組及高頻整流濾波環(huán)節(jié)。它對(duì)副繞組兩端產(chǎn)生的正2零2負(fù)三電平交變高頻脈沖電壓,通過(guò)兩只快恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)全波整流,然后進(jìn)行L-C 濾波或直接電容濾波后穩(wěn)壓輸出。另外,為了穩(wěn)定輸出電壓和提高抗干擾能力,電路中還選擇了其中一組副邊為SG3525 芯片的PWM控制提供反饋電壓。
以下將每個(gè)開(kāi)關(guān)周期分為三個(gè)階段來(lái)分析整個(gè)主電路部分的工作原理。首先要假設(shè)變壓器原邊電流的正方向是流入繞組同名端的。主電路中開(kāi)關(guān)管M1 、M2 占空比變化范圍是0～50 % ,且輪流導(dǎo)通。
1) 開(kāi)關(guān)管M1 導(dǎo)通時(shí),電容C1 的正向電壓加在原邊繞組L1 上。在此電壓的激勵(lì)下, 根據(jù)u =Ld i/d t , 可推導(dǎo)出
式中U=Ud/2,即輸入側(cè)直流電壓的一半,L 為高頻變壓器的等效勵(lì)磁電感。在電路工作達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,每周期開(kāi)關(guān)管M1 剛導(dǎo)通時(shí)對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流初始值I0 應(yīng)為負(fù)值,并且勵(lì)磁電流以斜率UPL (常值) 從負(fù)到正線(xiàn)性增加(這里要注意的是:流經(jīng)L1 的電流是由其勵(lì)磁電流和總負(fù)載電流合成的,因而L1 中電流的大小還取決于負(fù)載的輕重) ,同時(shí)各副邊繞組兩端感應(yīng)生成正向電壓脈沖。
2) 開(kāi)關(guān)管M2 導(dǎo)通的情況與M1 類(lèi)似,由于電容C2 端電壓U = Ud/2 ,相對(duì)于L2 的同名端而言為反極性作用,其勵(lì)磁電流的初始值I0 為正值,故此期間勵(lì)磁電流是以斜率UPL 從正到負(fù)反向線(xiàn)性增加的,因而各副邊繞組兩端生成負(fù)極性電壓脈沖。
3) 當(dāng)M1 、M2 都不導(dǎo)通時(shí),需要主磁通勵(lì)磁電流保持在最大值I0 不變,使各繞組磁通維持常值,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律u = - dψ/d t ,主電路原邊繞組及各副邊繞組的端電壓在此期間內(nèi)均保持為零,從而使變壓器副邊電壓為三電平PWM 脈沖波形,進(jìn)而保證輸出直流電壓具有可控性。
從上面的分析我們不難看出主電路高頻變壓器的勵(lì)磁磁勢(shì)是依照規(guī)律
線(xiàn)性增加(從負(fù)到正) ==維持恒定(在勵(lì)磁續(xù)流回路中)==線(xiàn)性減小(從正到負(fù))
而變化的,使得主磁通在第1、3 象限內(nèi)對(duì)稱(chēng)交變,滿(mǎn)足雙端正激式控制的要求。
按照本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的上述工作原理,為了實(shí)現(xiàn)輸出直流電壓的可控調(diào)節(jié),應(yīng)該做到兩個(gè)方面,其一是主電路中開(kāi)關(guān)管M1 、M2 的PWM 占空比都能在0～50 %范圍內(nèi)連續(xù)變化;其二,在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期當(dāng)中,除兩只開(kāi)關(guān)管按一定的PWM 占空比輪流導(dǎo)通的時(shí)間之外,還有一段時(shí)間二者均不導(dǎo)通,此期間需要保持勵(lì)磁電流不變,使得輸出感應(yīng)電壓為零。此外,為了使高頻變壓器鐵芯的主磁通在第1、3 象限內(nèi)的對(duì)稱(chēng)交變有更寬的變化范圍,從而有利于減少繞組匝數(shù),充分利用鐵芯和減小變壓器體積,應(yīng)設(shè)法使勵(lì)磁磁勢(shì)在兩開(kāi)關(guān)管均不導(dǎo)通期間維持在正向或負(fù)向最大值不變。這就要求在L1 和L2 兩原邊繞組均不導(dǎo)通的情況下,由其它副邊繞組提供勵(lì)磁續(xù)流磁勢(shì),然而通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果都表明,在直流側(cè)電壓較高而變壓器原、副邊變比較大的情況下,僅僅依靠類(lèi)似于L4 所在的副邊整流回路提供勵(lì)磁續(xù)流,其波形是很差的,遠(yuǎn)不能達(dá)到理想的三電平PWM控制效果。
正是針對(duì)這一問(wèn)題,本方案專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)提出了一種勵(lì)磁續(xù)流回路如圖1 中右側(cè)L3 所在的回路所示?；芈分蠱OS 管M7 、M8 均帶有反并聯(lián)二極管。在主電路半橋的上下兩管都不導(dǎo)通的時(shí)候,通過(guò)同時(shí)開(kāi)通這兩只開(kāi)關(guān)管,來(lái)維持主磁通的勵(lì)磁磁勢(shì)及勵(lì)磁電流的連續(xù)性,由于該回路電阻很小,勵(lì)磁電流近似維持不變。
PWM控制信號(hào)產(chǎn)生電路
主電路的PWM 控制信號(hào)是由SG3525 產(chǎn)生出來(lái)的。由于3525 的控制簡(jiǎn)單且相關(guān)資料很多,在此我們就不詳細(xì)給出其周邊電路了。SG3525 根據(jù)變壓器副邊反饋的電壓信號(hào)Vfd 調(diào)整輸出PWM 控制信號(hào)的占空比,如圖2 所示。由于主電路采用雙端正激式結(jié)構(gòu),門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)也需要隔離,因此SG3525 輸出端接于變壓器T2 原邊兩端,兩個(gè)副邊分別以相反的極性來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管門(mén)極。至于勵(lì)磁續(xù)流回路中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的門(mén)極控制信號(hào)的控制邏輯,可以采用SG3525的兩個(gè)輸出信號(hào)的“或非”得到,從而保證在OUTA 、OUTB 有一個(gè)為高電平時(shí),G3、G4 就都輸出低電平。只有當(dāng)兩個(gè)輸出均為低電平時(shí),G3、G4 才為高電平,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁續(xù)流回路開(kāi)通。
自舉電路分析
作為實(shí)際能夠應(yīng)用的產(chǎn)品,必須要做到能夠自啟動(dòng),即自舉。要利用上電時(shí)的輸入直流高壓,來(lái)得到能夠提供給控制芯片的初始電源,在主電路變壓器真正開(kāi)始工作后,在某個(gè)副邊會(huì)產(chǎn)生一定的電壓,再利用此電壓經(jīng)過(guò)一定的處理作為工作電壓提供給控制芯片,這樣整個(gè)電路就可以正常工作了。
在許多開(kāi)關(guān)電源的方案中,或者根本沒(méi)有提出自啟動(dòng)的解決方案,或者采用的是直接利用大電阻將主電路直流側(cè)高電壓分壓得到,在整個(gè)電源工作時(shí)期內(nèi),它都要提供電壓,消耗許多能量,從而使得系統(tǒng)的效率大大降低。本方案提出一種有效的解決辦法,如圖3 所示,在上電初期,初始回路等效電阻較小,一旦工作電壓建立起來(lái),初始回路等效電阻變?yōu)楹艽?而且也不必為控制電路提供電源,因而提高了系統(tǒng)的效率。圖3 中Vd 為主電路輸入側(cè)直流電壓,V 為由某次級(jí)線(xiàn)圈提供的輸出直流電壓,R1 阻值很大,R2 相對(duì)R1 要小得多。剛上電時(shí),V 為零,開(kāi)關(guān)S1 斷開(kāi)。因此MOS 管TR1 導(dǎo)通。經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后給作控制芯片的初始電源。一旦副邊電壓建立起來(lái)后,S1 閉合,進(jìn)而拉低TR1 的柵極電壓,使其關(guān)斷。需要注意的是,R2 可以取得很小;同時(shí),支路的電阻R1 由于場(chǎng)效應(yīng)管柵極電流極小的緣故,阻值可以取得很大。這一點(diǎn)避免了傳統(tǒng)的方案中電阻必須較小以提供足夠大的電流的缺點(diǎn),從而提高了工作效率。
評(píng)論