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[導(dǎo)讀]1、前言反激變換器是一種常用的電源結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于中小功率的快充及電源適配器。高功率密度的ZVS軟開關(guān)反激變換器除了有源箝位反激變換器,還有另一種結(jié)構(gòu),其利用輸出反灌電流,實(shí)現(xiàn)初級主功率MOSFET零電壓開通,電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示,和傳統(tǒng)的采用同步整流的反激變換器完全相同,只是控...


1、前言


反激變換器是一種常用的電源結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用于中小功率的快充及電源適配器。高功率密度的ZVS軟開關(guān)反激變換器除了有源箝位反激變換器,還有另一種結(jié)構(gòu),其利用輸出反灌電流,實(shí)現(xiàn)初級主功率MOSFET零電壓開通,電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示,和傳統(tǒng)的采用同步整流的反激變換器完全相同,只是控制的方式不一樣,工作的原理分析如下。

圖1:輸出反灌電流零電壓軟開關(guān)反激變換器

圖2:輸出反灌電流零電壓軟開關(guān)反激變換器波形


2、工作原理


每個開關(guān)周期根據(jù)其工作狀態(tài)可以分為8個工作模式,各個工作模式的狀態(tài)及等效電路圖分別討論如下,其中,模式1-5和傳統(tǒng)的反激變化器工原理相同。


Lm:變壓器初級激磁電感
Lr:變壓器初級漏感
Lp:變壓器初級總電感,Lp=Lm Lr
n:變壓器T初級和次級的匝比,n=Np/Ns


Q1:主功率開關(guān)管,DQ1、CQ1為Q1寄生體二極管和寄生輸出電壓
Qs:次級同步整流管
Dc:箝位吸收電路二極管


Cc:箝位吸收電路電容
Cr:C
Q1、Dc以及其它雜散諧振電容Ct總和,Cr=CQ1 CDc Ct
Cc1:Cc1=Cc C
Q1 Ct


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


模式1:t0-t1

Q1開通,Qs保持關(guān)斷狀態(tài)。變壓器初級電感Lp在輸入電壓的作用下正向激磁,其電流隨時(shí)間線性上升:Lp?diLp/dt=Vin。

圖3:模式1(Q1開通,Qs關(guān)斷)


模式2:t1-t2

在t1時(shí)刻,Q1關(guān)斷,Qs保持關(guān)斷狀態(tài)。Q1關(guān)斷后,Lp和Cr諧振,Vsw的電壓諧振上升。

圖4:模式2(Q1關(guān)斷,Qs關(guān)斷)


模式3:t2-t3

在t2時(shí)刻,Vsw的電壓上升到Vin Vc時(shí),Dc自然導(dǎo)通,Q1、Qs保持關(guān)斷狀態(tài)。Dc導(dǎo)通后,Vc和Vsw的電壓繼續(xù)諧振上升。

圖5:模式3(Dc導(dǎo)通,Q1關(guān)斷,Qs關(guān)斷)


模式4:t3-t4

在t3時(shí)刻,VLm電壓諧振上升到n?Vo時(shí),Qs導(dǎo)通,Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Qs導(dǎo)通后(Qs的寄生體二極管先導(dǎo)通,然后Qs導(dǎo)通后),Lm兩端電壓箝位在n?Vo,Lm儲存能量通過次級繞組向輸出負(fù)載傳送,其電流線性下降。


Lr和Cc1諧振,Lr的電流同時(shí)對Cc、CQ1充電,Vsw、Vc的電壓繼續(xù)諧振上升;同時(shí),Lr的電流諧振下降,將其儲存的能量轉(zhuǎn)化到Cc、CQ1中。相對于Cc值,CQ1的電容值較小,因此,漏感Lr的能量主要由Cc吸收。

圖6:模式4(Dc導(dǎo)通,Qs導(dǎo)通,Q1關(guān)斷)


模式5:t4-t5

在t4時(shí)刻,Lr的電流諧振下降到0,Dc自然關(guān)斷,Qs保持導(dǎo)通狀態(tài),Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Dc關(guān)斷后,Vsw電壓諧振下降到Vin n?Vo,Lm繼續(xù)向輸出負(fù)載釋放能量,電流保持線性下降。

圖7:模式5(Qs導(dǎo)通,Q1關(guān)斷,Dc關(guān)斷)


模式6:t5-t6

在t5時(shí)刻,Lm的電流下降到0,Qs保持導(dǎo)通狀態(tài),Dc和Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Lm的電流下降到0后,次級繞組的電流也下降到0,由于Qs保持導(dǎo)通,輸出電壓對次級繞組反向激磁,也就是形成輸出反灌電流。初級繞組在箝位電路的作用下外于反向偏置,次級反向激磁的能量無法向初級轉(zhuǎn)送,因此能量儲存在次級繞組的電感中。

圖8:模式6(Qs導(dǎo)通,Q1關(guān)斷,Dc關(guān)斷)


模式7:t6-t7

在t6時(shí)刻,關(guān)斷Qs,Dc和Q1保持關(guān)斷狀態(tài)。Qs關(guān)斷后,次級繞組儲存的能量轉(zhuǎn)移到初級繞組中,向輸入回路釋放能量,將能量回饋到輸入電源,Lp和Cr諧振,此時(shí)Q1的寄生電容放電,Vsw的電壓下降。

圖9:模式7(Qs關(guān)斷,Q1關(guān)斷,Dc關(guān)斷)


模式8:t7-t0

在t7時(shí)刻,Vsw的電壓下降到0,Q1的寄生體二極管導(dǎo)通,將Vsw的電壓箝位到0,Qs和Dc保持關(guān)斷狀態(tài)。Lp的反向負(fù)電流在輸入電壓的作用下繼續(xù)下降,也就是繼續(xù)向輸入電源回饋能量,直到其電流過0后,在輸入電壓的作用下正向激磁,Lm的電流從0開始,隨時(shí)間線性上升,進(jìn)入下一個開關(guān)周期。

圖10:模式8(D1關(guān)斷,Qs關(guān)斷,Dc關(guān)斷)


在此過程中任一時(shí)刻開通Q1,Vsw的電壓為0,因此Q1的開通就是零電壓開通ZVS。


圖11:Q1零電壓ZVS開通


3、說明


(1)這種結(jié)構(gòu)保留著無源RCD吸收電路,和有源箝位反激變換器相比,效率稍低,但是其電路結(jié)構(gòu)簡單,成本低,更適命較低功率的應(yīng)用。這種結(jié)構(gòu)的變換器工作于非連續(xù)模式DCM,因此每個周期初級激磁電感的電流要到0。


(2)主功率MOSFET管只有在其寄生電容的電壓放電到0、體二極管導(dǎo)通后,再開通,才能現(xiàn)零電壓軟開關(guān)ZVS工作,這也是所有零電壓ZVS軟開關(guān)工作的特性。


(3)由于變壓器的匝比關(guān)系,以及次級繞組電感較小,實(shí)現(xiàn)主功率MOSFET管零電壓軟開關(guān)ZVS工作的輸出反灌電流的大小不容易精確控制,輸出反灌電流太小,不能實(shí)現(xiàn)其零電壓的開通;反灌電流太大,產(chǎn)生較大的損耗。


(4)輸出反灌電流的能量并沒有傳輸?shù)捷敵觯皇菫榱藢?shí)現(xiàn)Q1的零電壓關(guān)斷,因此,在初級和次級之間來回往復(fù)形成環(huán)流。環(huán)流在變壓器的繞組和磁芯中產(chǎn)生額外的銅損、鐵(磁)損,同時(shí)在回路電阻產(chǎn)生導(dǎo)通損耗,影響系統(tǒng)的效率。反灌電流過大,效率會降低。


(5)初級主功率MOSFET和次級同步整流功率MOSFET的驅(qū)動信號的時(shí)序在各種條件下必須精度控制,否則會產(chǎn)生初級和次級的短路直通,導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。


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