高功率密度快充及PD適配器電源結(jié)構(gòu)(1):有源箝位反激變換器
快充及電源適配器通常采用傳統(tǒng)的反激變換器結(jié)構(gòu),隨著快充及PD適配器的體積進(jìn)一步減小、功率密度進(jìn)一步提高以及對(duì)于高效率的要求,傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)反激變換器技術(shù)受到很多限制。采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)工作在更高的頻率,可以降低開(kāi)關(guān)損耗提高效率,減小變壓器及電容的尺寸降低電源體積,同時(shí)改善EMI性能,從而滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,特別適合于采用超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓功率MOSFET或高壓GaN器件的高功率密度快充及電源適配器。
傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)反激變換器功率開(kāi)關(guān)管電壓、電流應(yīng)力大,變壓器的漏感引起電壓尖峰,必須采用無(wú)源RCD吸收電路進(jìn)行箝位限制,RCD吸收電路的電阻R產(chǎn)生額外的功率損耗,降低系統(tǒng)效率,如圖1所示。
如果將RCD吸收電路的電阻R去掉,同時(shí)將二極管換成功率MOSFET,這樣就變成了有源箝位反激變換器,通過(guò)磁化曲線在第一、第三象限交替工作,將吸收電路的電容Cc吸收的電壓尖峰能量,回饋到輸入電壓,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常工作。
圖1:傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)反激變換器
圖2:有源箝位反激變換器
2、有源箝位反激變換器工作原理
非連續(xù)模式DCM有源箝位反激變換器電路結(jié)構(gòu)及相關(guān)波形如圖2、圖3所示,圖中的各個(gè)元件定義如下。
Lm:變壓器初級(jí)激磁電感
Lr:變壓器初級(jí)漏感
Lp:變壓器初級(jí)總電感,Lp=Lm Lr
n:變壓器初級(jí)和次級(jí)的匝比,n=Np/Ns
Q1:主功率開(kāi)關(guān)管,DQ1、CQ1為Q1寄生體二極管和寄生輸出電容
Qc:箝位開(kāi)關(guān)管,DQc、CQc為Qc寄生體二極管和寄生輸出電容
Do:次級(jí)輸出整流二極管
Cc:箝位電容
Cr:CQ1、CQc以及其它雜散諧振電容Cto總和,Cr=CQ1 CQc Cto
Cc1:Cc1=Cc CQ1 Cto
Vsw:Q1的D、S兩端電壓
Vin:輸入直流電壓
Vo:輸出直流電壓
VC:箝位電容電壓
每個(gè)開(kāi)關(guān)周期根據(jù)其工作狀態(tài)可以分為8個(gè)工作模式,各個(gè)工作模式的狀態(tài)及等效電路圖分別討論如下。
圖3:有源箝位反激變換器波形(非連續(xù)模式DCM)
?(1)模式1:t0-t?1
在t0時(shí)刻,Q1處于導(dǎo)通狀態(tài),Qc、Do保持關(guān)斷狀態(tài)。Lp兩端所加的電壓為Vin,Lp激磁,其電流從0開(kāi)始,隨著時(shí)間線性上升。
圖4:模式1(Q1導(dǎo)通,Qc、Do關(guān)斷)
(2)模式2:t1-t?2
在t1時(shí)刻,Q1關(guān)斷,Qc、Do保持關(guān)斷狀態(tài)。Q1關(guān)斷后,Lp和Cr諧振,激磁電流對(duì)CQ1充電,對(duì)CQc放電,Vsw電壓諧振上升。
圖5:模式2(Q1、Qc、Do關(guān)斷)
在t1-t2中間某一時(shí)刻tm,對(duì)應(yīng)的Vsw電壓為Vin:① t1-tm期間,Lp所加電壓為正,其電流諧振上升,但是上升斜率變得緩慢。② tm-t2期間,從tm時(shí)刻開(kāi)始,Lp所加電壓為負(fù),其電流諧振下降。
?
(3)模式3:t?2-t?3
在t2?時(shí)刻,Vsw的電壓諧振上升到Vin VC,VC=n?Vo,二極管DQc自然導(dǎo)通,Q1、Do保持關(guān)斷狀態(tài)。DQc導(dǎo)通后,Lp和Cc1諧振,激磁電流同時(shí)對(duì)Cc、CQ1充電,Vsw電壓、VC電壓諧振上升,Lp的電流繼續(xù)諧振下降。
圖6:模式3(DQc導(dǎo)通,Q1、Do關(guān)斷)
在t2-t3期間任一時(shí)刻,開(kāi)通Q?c,由于DQc處于導(dǎo)通狀態(tài),其兩端電壓為0,因此Qc的開(kāi)通就是零電壓開(kāi)通ZVS。?圖7:QQc零電壓開(kāi)通ZVS
初級(jí)繞組電壓:VLm=VC?Lm/(Lr Lm)此過(guò)程中,VLm電壓小于n?Vo,Do不導(dǎo)通。
(4)模式4:t3?-t?4??在t3時(shí)刻,VLm電壓諧振上升到n?Vo時(shí),Do導(dǎo)通,Qc保持導(dǎo)通狀態(tài),Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Do導(dǎo)通后,Lm兩端電壓箝位在n?Vo,Lm儲(chǔ)存能量轉(zhuǎn)移到次級(jí)繞組,向輸出負(fù)載傳送,其電流線性下降;同時(shí),Lr和Cc1諧振,Lr的電流同時(shí)對(duì)Cc、CQ1充電,Vsw電壓、VC電壓繼續(xù)諧振上升,Lr的電流諧振下降。?
圖8?:模式4(Q?Qc、Do導(dǎo)通,Q1關(guān)斷)
(5)模式5:t4-t?5
在t4時(shí)刻,Lr的電流諧振下降到0,Do、Qc保持導(dǎo)通狀態(tài),Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Lr的電流下降到0后,Lr和Cc1反向諧振,就是Cc對(duì)Lr反向激磁,Cc、CQ1放電,Vsw電壓、VC電壓諧振下降,Lr的電流從0開(kāi)始反向諧振上升,到達(dá)反向的最大值后繼續(xù)諧振,其反向電流的絕對(duì)值下降,而Lm繼續(xù)向輸出負(fù)載釋放能量,電流保持線性下降。?
圖9:模式5(QQc、Do導(dǎo)通,Q1關(guān)斷)
(6)模式6:t5?-t?6
在t5時(shí)刻,Lm的電流降低為0,Lm電感儲(chǔ)存能量全部釋放完畢,Do自然關(guān)斷,Qc保持導(dǎo)通狀態(tài),Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Do關(guān)斷后,輸出反射電壓n?Vo斷開(kāi),此時(shí),Lm又重新串聯(lián)進(jìn)入到諧振回路,Lp和Cc1諧振,Vc電壓反向加在Lp,Cc放電對(duì)Lp反向激磁,Lm的電流過(guò)0后和Lr一起繼續(xù)反向增加。
圖10:模式6(QQc導(dǎo)通,Q1、Do關(guān)斷)
在Do關(guān)斷瞬間,Lr的電流有一個(gè)高頻振蕩換流的過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中,Lr的電流快速下降到幾乎為0、和Lm電流相等的過(guò)程,其中一部分能量轉(zhuǎn)送到輸出負(fù)載,另一部分能量轉(zhuǎn)移到Lm。
??
(7)模式7:t6-t?7?
在t6時(shí)刻,關(guān)斷Qc,Do、Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Qc關(guān)斷后,Lp和Cr諧振,Lp的電流對(duì)CQc充電,對(duì)CQ1放電。??圖11:模式7(QQc、Q1、Do關(guān)斷)
在t6?-t7?中間某一時(shí)刻tn,對(duì)應(yīng)的Vsw電壓為Vin:①t6-tn期間,Lp所加電壓為負(fù),其電流諧振下降,其反向電流的絕對(duì)值進(jìn)一步增加。②tn-t7期間,從tn時(shí)刻開(kāi)始,Lp所加電壓為正,其電流諧振上升,其反向電流的絕對(duì)值降低。?
(8)模式8:t7?-t0???
在t7時(shí)刻,CQ1放電到0,Vsw電壓為0,D1自然導(dǎo)通續(xù)流,將Vsw電壓箝位到0,Do、Qc保持關(guān)斷狀態(tài)。D1導(dǎo)通后,Lp兩端所加的電壓為Vin,Lp的電流從負(fù)值線性上升,其電流絕對(duì)值進(jìn)一步降低,直到降低為0,完成一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。然后,Lp的電流繼續(xù)正向激磁,從0開(kāi)始正向線性上升,開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。
圖12:模式8(D1導(dǎo)通,Q1、Do關(guān)斷)?
在t7-t0期間任一時(shí)刻,開(kāi)通Q1,由于D1?處于導(dǎo)通狀態(tài),其兩端電壓為0,因此Q1的開(kāi)通就是零電壓開(kāi)通ZVS。
??圖13:Q1零電壓開(kāi)通ZVS?
?? 3、 說(shuō)明討論
(1)有源箝位軟開(kāi)關(guān)反激變換器工作于非連續(xù)模式DCM,因此每個(gè)周期初級(jí)激磁電感的電流要到0。
主功率開(kāi)關(guān)管Q1和箝位開(kāi)關(guān)管Qc配置成半橋的電路結(jié)構(gòu),只有當(dāng)Q1(Qc)的寄生體二極管先導(dǎo)通,然后再開(kāi)通Q1(Qc),才能實(shí)現(xiàn)零電壓軟開(kāi)關(guān)ZVS。
(2)從工作原理可以看到,當(dāng)Q1關(guān)斷后開(kāi)始諧振轉(zhuǎn)換時(shí),諧振環(huán)每次只換一個(gè)元件,依次的順序?yàn)椋?/span>Lp/Cr-->Lp/Cc1-->Lr/Cc1-->Lp/Cc1-->Lp/Cr
(3)只要Lp加正電壓,起始電流為正,其電流線性增加;起始電流為負(fù),其電流絕對(duì)值線性降低;只要Lp上加負(fù)電壓,起始電流為正,其電流線性下降;起始電流為負(fù),其電流絕對(duì)值線性增加。Lp所加的電壓有發(fā)生正、負(fù)轉(zhuǎn)換時(shí),Lp電流的斜率也發(fā)生改化。
(4)Lp的負(fù)電流的能量并沒(méi)有傳輸?shù)捷敵?,它只是為了?shí)現(xiàn)Q1的零電壓關(guān)斷,因此,Lp的負(fù)電流形成環(huán)流,在變壓器中產(chǎn)生銅損、鐵(磁)損,同時(shí)在回路的電阻中產(chǎn)生導(dǎo)通損耗,影響系統(tǒng)的效率,因此要精確的控制Lp的負(fù)電流的大小。
在t7時(shí)刻,當(dāng)Vsw電壓為0時(shí),若Lp的電流也為0,其效率最高,實(shí)際上這樣的條件很難精確的控制。
(5)由于Cc>>CQ1 Cto,因此,Cc1==Cc。相對(duì)于開(kāi)關(guān)周期,t1-t2、t2-t3時(shí)間非常短。Cc電容足夠大,其紋波可以忽略,因此,t1-t6期間,Vsw的電壓可以看成基本不變的平臺(tái),如下圖所示,圖中還標(biāo)出了開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通的順序、諧振元件依次改變的順序。
輸出二極管換成MOSFET,則為次級(jí)同步整流。為了方便驅(qū)動(dòng),可以將同步MOSFET放在低端,如圖所示。
圖14:?次級(jí)同步整流
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