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)

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）。