磁集成技術(shù)在倍流同步整流器中的應(yīng)用

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(wèn)題，磁集成（integratedmagnetics）技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在這種拓?fù)渲小?duì)幾種磁集成倍流整流拓?fù)溥M(jìn)行了分析比較。最后給出了1V，20W的直流/直流變流器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皩?shí)驗(yàn)波形。

關(guān)鍵詞：倍流整流；磁集成；拓?fù)?/p>

0    引言

    在現(xiàn)今的大電流DC/DC變流器中，倍流整流（CDR）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于它本身的特點(diǎn)，已經(jīng)成為最優(yōu)的輸出整流拓?fù)溥x擇。與傳統(tǒng)的帶中間抽頭的整流拓?fù)湎啾容^，其變壓器副邊只有一組繞組，結(jié)構(gòu)上相對(duì)比較簡(jiǎn)單；同時(shí)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(huì)降低；且它的輸出有兩個(gè)濾波電感，流經(jīng)每個(gè)電感上的電流只有負(fù)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(gè)濾波電感的存在，變流器的輸出電流/電壓紋波也相對(duì)較小。但它需要3個(gè)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(shí)具有較多的連接端子，在電流較大時(shí)，連接端子上的功率損耗必然相對(duì)較大。為了克服以上缺點(diǎn)，磁集成（integrated magnetics）技術(shù)早已應(yīng)用在CDR拓?fù)洚?dāng)中。所謂磁集成就是將變流器中兩個(gè)或兩個(gè)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(dá)到減小體積，提高功率密度，減少連接端子的目的。

    本文對(duì)多種磁集成倍流整流拓?fù)洌↖M-CDR）進(jìn)行了分析和比較，選出了其中較佳的拓?fù)?，并在此IM?CDR拓?fù)涞幕A(chǔ)上對(duì)一個(gè)輸出為1V，20W的DC/DC變流器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，同時(shí)給出了實(shí)驗(yàn)波形。特別要提出的是，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，存儲(chǔ)在變壓器原邊漏感中的能量可用來(lái)實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(dòng)，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?fù)涞谋容^

    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?fù)涞腎M-CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(a)分立磁性元件的倍流整流    (b)PengC提出的IM-CDR[1]    (c)ChenWei提出的IM-CDR[2]

(d)(c)中的中間柱氣隙可不加    (e)XuPeng提出的IM-CDR[3]    (f)SunJian提出的改進(jìn)型IM-CDR

圖1    IM-CDR電路結(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(gè)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(guò)大。同時(shí)，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。

    為了避免上述這種傳統(tǒng)CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足，PengC提出了一種IM-CDR電路拓?fù)鋄1]，如圖1(b)所示。它將以往的CDR整流電路中的3個(gè)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?fù)涞膽?yīng)用受到了限制。

    圖1(c)是由Chen Wei提出的CDR拓?fù)浣Y(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(gè)外磁柱上。結(jié)果使得拓?fù)涓边叺慕Y(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，連接端子也相對(duì)減少。這種CDR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常適合大電流變流器的應(yīng)用場(chǎng)合，因?yàn)樗休^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(huì)減小，在輸出輕載時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)主開(kāi)關(guān)的ZVS[2]。但氣隙不能開(kāi)得太大，如果太大Lm就會(huì)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(kāi)氣隙的情況，此時(shí)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?fù)渲?，由于原副邊繞組是分別繞在三個(gè)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(méi)有氣隙兩邊開(kāi)氣隙的IM-CDR拓?fù)?，其磁芯的生產(chǎn)比較困難。普通的EE或EI磁芯的兩個(gè)外磁柱上都沒(méi)有氣隙，要應(yīng)用于圖1（d）中的IM-CDR拓?fù)?，就必須在外磁柱上加氣隙，結(jié)果使得它的實(shí)現(xiàn)比較困難。

    Xu Peng提出了如圖1(e)所示的IM-CDR電路拓?fù)鋄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(gè)外磁柱上，這樣原副邊繞組就會(huì)形成較好的耦合。并只是在中心的磁柱加氣隙，兩個(gè)外磁柱上不加氣隙。改進(jìn)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(mǎn)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?fù)鋸?fù)雜。

    在上面提出的這些IM-CDR拓?fù)渲卸即嬖谕粋€(gè)問(wèn)題，就是它們的輸出濾波電感值受到了限制，所以，存在相對(duì)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(dāng)于在輸出端多加了一個(gè)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?fù)洳⒉贿m合低壓大電流場(chǎng)合。

    綜上所述，圖1（c）所示的IM-CDR拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的，在對(duì)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(duì)較大的漏感，但折衷考慮，它還是最優(yōu)的選擇。而且在負(fù)載電流較大的情況下，變壓器漏感可用來(lái)實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(dòng)。 [!--empirenews.page--]

2    實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

    IM-CDR結(jié)構(gòu)選擇如圖1（c）所示的拓?fù)?。從結(jié)構(gòu)上可以看出，磁芯的3個(gè)磁柱上都加了相同的氣隙(lg)，這必然會(huì)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(shí)現(xiàn)副邊同步整流管的自驅(qū)動(dòng)（開(kāi)通），同步管的關(guān)斷是通過(guò)外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)完成的。實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示，由圖2可以看到副邊同步管的驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)繞組（Na），兩個(gè)二極管(Da1，Da2)和兩個(gè)MOS管(Sa1，Sa2)，它的實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)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(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)洹?shí)驗(yàn)電路的具體參數(shù)見(jiàn)表1所列。實(shí)驗(yàn)波形圖如圖3和圖4所示。圖3是在負(fù)載電流Io=4A時(shí)測(cè)得的變壓器原邊電壓波形以及兩個(gè)同步整流管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓波形圖。由于此時(shí)的負(fù)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷的瞬間，變壓器原邊漏感（Lk）與開(kāi)關(guān)管輸出結(jié)電容(Co1，Co2)間的振蕩尖峰不夠高，不足以開(kāi)通副邊的同步整流管。所以，在兩個(gè)原邊開(kāi)關(guān)管都處于斷態(tài)期間內(nèi)，其中一個(gè)同步整流管的體二極管必須導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流。由于此時(shí)的負(fù)載電流不大，體二極管上的功率損耗也不明顯。隨著負(fù)載的加大，原邊的振蕩會(huì)逐漸增大，直到能夠開(kāi)通副邊同步整流管。圖4所示的是負(fù)載電流Io=20A時(shí)的變壓器原邊電壓波形以及兩個(gè)同步管驅(qū)動(dòng)波形。當(dāng)原邊開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，存在于漏感中的能量足夠以開(kāi)通兩個(gè)同步管。然而同步管的關(guān)斷只能通過(guò)外加驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它們分別來(lái)自于原邊開(kāi)關(guān)管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)vg1和vg2。圖5是測(cè)得的變流器的效率曲線圖。

表1    實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)

圖2    實(shí)驗(yàn)電路圖  [!--empirenews.page--]

圖3    Io=4A時(shí)的vp，vg3和vg4波形

圖4    Io=20A時(shí)的vp，vg3和vg4波形

圖5    變流器效率曲線圖

3    結(jié)語(yǔ)

    倍流同步整流拓?fù)湓诖箅娏髯兞髌髦械膽?yīng)用越來(lái)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(diǎn)，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?fù)洚?dāng)中。本文分析比較了幾種磁集成倍流整流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路模型。在負(fù)載較大情況下，存儲(chǔ)在變壓器的原邊漏感中的能量可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)副邊同步整流管自驅(qū)動(dòng)（開(kāi)通）。