基于單端正激型開關(guān)電源的諧振去磁技術(shù)方法研究

1 引言

單端正激型開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)比較簡單，已廣泛用于中小功率輸出場合。由于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是功率變壓器工作在B-H曲線的第一象限，因此必須采用適當(dāng)?shù)娜ゴ欧椒?，以消除磁心單向磁化飽和的潛在隱患。在工程中，常用的去磁技術(shù)有增加去磁繞組、有源箝位、RCD箝位和ZVT箝位等多種方法，其共同思路是在主功率開關(guān)管截止后，通過一定的途徑，使變壓器中剩余的磁化能量瀉放或者消耗在無源功率電阻上，以確保下一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通之前變壓器中無剩余磁化能量。實(shí)際上，不用增加額外的電路技術(shù)及元器件，僅僅利用單端正激型電源自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，就能較好地完成去磁要求，即采用諧振技術(shù)進(jìn)行去磁。這種諧振去磁技術(shù)的基本原理是在功率開關(guān)管截止后，利用變壓器自身的等效電感和電路中元器件的分布電容進(jìn)行諧振，產(chǎn)生能量交換，以轉(zhuǎn)移變壓器的磁化能量。

2 諧振去磁技術(shù)的工作原理

在分析該諧振去磁電路的工作原理之前，首先假設(shè)：①整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，一個(gè)開關(guān)工作周期內(nèi)的各電量均為動態(tài)平衡;②輸出電感Lo和輸出電容Co與參與去磁的諧振組件相比，近似無窮大;③忽略變壓器的漏感及其對電路的影響;④開關(guān)管VQ1與二極管均為理想器件，即忽略開關(guān)管導(dǎo)通電阻RDS(on)和二極管的正向壓降VF。圖1示出一個(gè)單端正激型電源中，參與諧振去磁的基本電路組件。該電源的開關(guān)管采用MOSFET組件。

Lm——變壓器初級的等效電感

Ct——功率變壓器初級繞組的等效電容，與Lm并聯(lián)

Cs——開關(guān)管VQ1的漏-源極結(jié)電容與并聯(lián)在其兩端的外電容之和

Cl——輸出整流二極管的結(jié)電容與外接并聯(lián)電容之和

功率變壓器初級的等效電路。由圖可見，C1等效到變壓器初級的電容為C1(N8/Np)2，且與Ct為并聯(lián)關(guān)系，同時(shí)Cs與Ct也為并聯(lián)關(guān)系。

在一個(gè)完整的開關(guān)周期內(nèi)，一個(gè)完整的諧振去磁過程由以下幾個(gè)工作階段組成：

(1)第一階段即諧振去磁過程的諧振去磁電路電流走向及其工作過程。第一階段位于圖3b的Ton階段。在此之前，VQ1的漏源電壓uDSVQ1為輸入電壓uin，負(fù)載電流流過VDf，流過變壓器磁心的磁化電流imag為負(fù)值i1。由t=0開始，VQ1受控導(dǎo)通。此時(shí)，imag開始線性增加。流過變壓器初級的電流ip為imag和次級負(fù)載電流Io反射到變壓器初級的電流迭加之和，即ioNs/Npo在此階段，VDr導(dǎo)通，VDf截止。而C1和Cs的端電壓uC1和uCs均近似為零。假定變壓器的初級磁化電流在該階段開始時(shí)為i1;結(jié)束時(shí)為i2，則兩者的關(guān)系為：

i2=i1+uinTon/Lm(1)

(2)第二階段圖4示出第二階段即諧振去磁階段的諧振去磁電路電流走向及其工作過程。

第二階段在Tr開始階段，VQl受控制信號的作用截止。其uDSVQ1開始迅速上升，當(dāng)uDSVQ1超過uin后，變壓器次級的線圈極性反轉(zhuǎn)，VDr截止，VDf導(dǎo)通。由于VQ1截止，Lm與電路中的等效電容Cr，即前述的Cs和C1等效到初級的電容，以及變壓器初級繞組的等效電容Ct三者并聯(lián)，形成一個(gè)并聯(lián)諧振電路，開始諧振工作，形成正弦去磁電流imag。由電路理論可知，一個(gè)LC串聯(lián)或并聯(lián)的電路，在以諧振方式工作時(shí)，電感上的電流與電容上的電壓變化均為正弦，且彼此相位相差900，二者儲存的能量互相交換，即一個(gè)電量達(dá)到絕對值的最大時(shí)，另一個(gè)電量為零。由于在Tr開始時(shí)，Cr的端電壓uCr=0，沒有存儲能量，而Lm中的能量在開關(guān)截止前就達(dá)到了最大值，因此Lm與Cr產(chǎn)生能量交換;該階段的持續(xù)時(shí)間為Tr，且Tr為一完整諧振周期的1/2。即：

Tr=πLmCr(2)

uCr由零所能達(dá)到的最大值：

UCrmax=i2Lm/Cr(3)

uDSVQ1在Cr達(dá)到最大值時(shí)，也達(dá)到其峰值：

UdsVQ1max=uin+i2Lm/Cr(4)