磁集成技術(shù)在倍流同步整流器中的應(yīng)用
摘要:為了解決傳統(tǒng)倍流同步整流變流器的磁性元件和連接端子較多的問題,磁集成(integratedmagnetics)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在這種拓撲中。對幾種磁集成倍流整流拓撲進行了分析比較。最后給出了1V,20W的直流/直流變流器實驗?zāi)P鸵约皩嶒灢ㄐ巍?/P>
關(guān)鍵詞:倍流整流;磁集成;拓撲
引言
在現(xiàn)今的大電流DC/DC變流器中,倍流整流(CDR)拓撲結(jié)構(gòu)由于它本身的特點,已經(jīng)成為最優(yōu)的輸出整流拓撲選擇。與傳統(tǒng)的帶中間抽頭的整流拓撲相比較,其變壓器副邊只有一組繞組,結(jié)構(gòu)上相對比較簡單;同時CDR副邊繞組的匝數(shù)也較少,在大電流情況下,副邊繞組的損耗就會降低;且它的輸出有兩個濾波電感,流經(jīng)每個電感上的電流只有負載電流的一半,所以,輸出濾波電感上的功率損耗也較小,由于兩個濾波電感的存在,變流器的輸出電流/電壓紋波也相對較小。但它需要3個磁性元件,必然導(dǎo)致體積的增大,從而減小了功率密度;同時具有較多的連接端子,在電流較大時,連接端子上的功率損耗必然相對較大。為了克服以上缺點,磁集成(integrated magnetics)技術(shù)早已應(yīng)用在CDR拓撲當中。所謂磁集成就是將變流器中兩個或兩個以上的分立磁性元件(變壓器,輸入/輸出濾波電感)都繞制在一副磁芯內(nèi),從而達到減小體積,提高功率密度,減少連接端子的目的。
圖1
本文對多種磁集成倍流整流拓撲(IM-CDR)進行了分析和比較,選出了其中較佳的拓撲,并在此IM?CDR拓撲的基礎(chǔ)上對一個輸出為1V,20W的DC/DC變流器進行了實驗,同時給出了實驗波形。特別要提出的是,當負載較大時,存儲在變壓器原邊漏感中的能量可用來實現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動,從而降低了控制電路的復(fù)雜程度。
1 幾種磁集成倍流整流拓撲的比較
圖1給出了到目前為止的幾種適于低壓大電流電壓調(diào)整模塊(VRM)拓撲的IM-CDR拓撲結(jié)構(gòu)。
圖1(a)所示的是采用分立元件構(gòu)成的CDR電路,它一共需要3個分立的磁性元件,分別是輸出濾波電感L1和L2,以及變壓器。結(jié)果導(dǎo)致變流器體積和重量過大。同時,它的大電流連接端子也較多,這必然增加副邊的導(dǎo)通損耗。
圖2
為了避免上述這種傳統(tǒng)CDR拓撲結(jié)構(gòu)的不足,PengC提出了一種IM-CDR電路拓撲[1],如圖1(b)所示。它將以往的CDR整流電路中的3個分立磁性元件(輸出濾波電感和變壓器)集中繞制在同一副磁芯中,結(jié)果大大地減小了變流器的體積和重量,但是,由于它副邊仍然有較多的繞組數(shù)和連接端子,使得這種CDR拓撲的應(yīng)用受到了限制。
圖1(c)是由Chen Wei提出的CDR拓撲結(jié)構(gòu)[2]。它是將圖1(b)中的變壓器副邊繞組分解,分別繞在磁芯的兩個外磁柱上。結(jié)果使得拓撲副邊的結(jié)構(gòu)變得簡單,連接端子也相對減少。這種CDR拓撲結(jié)構(gòu)非常適合大電流變流器的應(yīng)用場合,因為它含有較少的連接端子和繞組數(shù)。且由于它的中心磁柱上有氣隙存在,原邊的激磁電感Lm就會減小,在輸出輕載時能夠?qū)崿F(xiàn)主開關(guān)的ZVS[2]。但氣隙不能開得太大,如果太大Lm就會很小,導(dǎo)致變壓器原邊的激磁電流的增大,從而增大原邊的導(dǎo)通損耗。
圖1(d)中給出的是中心柱不開氣隙的情況,此時變壓器原邊激磁電感Lm較大,原邊繞組中的激磁電流較小,因此,原邊的導(dǎo)通損耗也較小。在這種IM-CDR拓撲中,由于原副邊繞組是分別繞在三個磁柱上的,所以,原副邊繞組間的耦合較差,導(dǎo)致變壓器原邊漏感較大,降低了變流器的性能。此外,這種中間沒有氣隙兩邊開氣隙的IM-CDR拓撲,其磁芯的生產(chǎn)比較困難。普通的EE或EI磁芯的兩個外磁柱上都沒有氣隙,要應(yīng)用于圖1(d)中的IM-CDR拓撲,就必須在外磁柱上加氣隙,結(jié)果使得它的實現(xiàn)比較困難。
圖3、4
Xu Peng提出了如圖1(e)所示的IM-CDR電路拓撲[3]。它是將圖1(d)中的變壓器原邊繞組拆分,并分別繞制到磁芯的兩個外磁柱上,這樣原副邊繞組就會形成較好的耦合。并只是在中心的磁柱加氣隙,兩個外磁柱上不加氣隙。改進的IM-CDR不僅減小了變壓器原邊漏感,提高變流器性能,而且這種磁芯結(jié)構(gòu)也更加便于生產(chǎn),普通的EE和EI磁芯就可以滿足要求,還有利于減小磁芯損耗和提高效率[3]。但它的原邊存在兩組繞組,結(jié)構(gòu)要比圖1(c)及圖1(d)中的拓撲復(fù)雜。
在上面提出的這些IM-CDR拓撲中都存在同一個問題,就是它們的輸出濾波電感值受到了限制,所以,存在相對較大的輸出電流/電壓紋波。因此,Sun Jian提出了如圖1(f)所示的電路。從結(jié)構(gòu)上與圖1(e)相比較,只是在中心的磁柱上加了一組繞組,并串在了輸出端,這就相當于在輸出端多加了一個濾波電感,從而減小了輸出電流和電壓紋波[4]。但這種結(jié)構(gòu)拓撲并不適合低壓大電流場合。
綜上所述,圖1(c)所示的IM-CDR拓撲是最簡單的,在對輸出電流/電壓紋波要求不是很高的大電流變流器中,它是最合適的。雖然變壓器的原邊存在相對較大的漏感,但折衷考慮,它還是最優(yōu)的選擇。而且在負載電流較大的情況下,變壓器漏感可用來實現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動。
2 實驗及其結(jié)果
IM-CDR結(jié)構(gòu)選擇如圖1(c)所示的拓撲。從結(jié)構(gòu)上可以看出,磁芯的3個磁柱上都加了相同的氣隙(lg),這必然會導(dǎo)致變壓器原邊的漏感(Lk)的增大,但可以利用變壓器原邊漏感中的能量實現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(開通),同步管的關(guān)斷是通過外加驅(qū)動信號來完成的。實驗電路如圖2所示,由圖2可以看到副邊同步管的驅(qū)動電路包括一個繞組(Na),兩個二極管(Da1,Da2)和兩個MOS管(Sa1,Sa2),它的實現(xiàn)比較簡單,只需要在磁芯的中心磁柱上多加一組繞組即可。變壓器原邊采用的是對稱半橋拓撲。實驗電路的具體參數(shù)見表1所列。實驗波形圖如圖3和圖4所示。圖3是在負載電流Io=4A時測得的變壓器原邊電壓波形以及兩個同步整流管的門極驅(qū)動電壓波形圖。由于此時的負載電流較小,反映到變壓器原邊的激磁電流也較小,在原邊開關(guān)管關(guān)斷的瞬間,變壓器原邊漏感(Lk)與開關(guān)管輸出結(jié)電容(Co1,Co2)間的振蕩尖峰不夠高,不足以開通副邊的同步整流管。所以,在兩個原邊開關(guān)管都處于斷態(tài)期間內(nèi),其中一個同步整流管的體二極管必須導(dǎo)通進行續(xù)流。由于此時的負載電流不大,體二極管上的功率損耗也不明顯。隨著負載的加大,原邊的振蕩會逐漸增大,直到能夠開通副邊同步整流管。圖4所示的是負載電流Io=20A時的變壓器原邊電壓波形以及兩個同步管驅(qū)動波形。當原邊開關(guān)管關(guān)斷時,存在于漏感中的能量足夠以開通兩個同步管。然而同步管的關(guān)斷只能通過外加驅(qū)動信號來實現(xiàn)。它們分別來自于原邊開關(guān)管的門極驅(qū)動vg1和vg2。圖5是測得的變流器的效率曲線圖。
表1 實驗電路參數(shù)
參 數(shù) |
數(shù) 值 |
輸入電壓Vin |
DC48V |
輸出電壓Vo |
1V |
輸出電流Io |
20A |
工作頻率fs |
315kHz |
C1,C2 |
63V/100μF |
S1,S2 |
IRLU2905 |
SR1,SR2 |
IRLR7843 |
Sa1,Sa2 |
IRLU120 |
Da1,Da2 |
IN4148 |
磁芯(Core) |
R-42216-EC |
氣隙(lg) |
0.09mm |
原邊激磁電感L |
76μH |
原邊漏感Lk |
0.8μH |
變比Np:Ns |
10:1 |
變比Ns:Na |
5:1 |
3 結(jié)語
倍流同步整流拓撲在大電流變流器中的應(yīng)用越來越廣泛,但是,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上存在著磁性元件較多,體積較大等缺點,為了克服這些不足之處,磁集成技術(shù)早已經(jīng)應(yīng)用在這種拓撲當中。本文分析比較了幾種磁集成倍流整流拓撲結(jié)構(gòu),并給出了相應(yīng)的實驗電路模型。在負載較大情況下,存儲在變壓器的原邊漏感中的能量可以用來實現(xiàn)副邊同步整流管自驅(qū)動(開通)。