正激電源--諧振去磁技術(shù)

一 概述

單端正激型開關(guān)電源只使用一支功率開關(guān)管，整體電路結(jié)構(gòu)比較簡單，在中小功率輸出的場合得到了廣泛的應(yīng)用。但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是功率變壓器工作于B-H曲線的第一象限，變壓器存在磁心飽和的潛在隱患，必須采用適當(dāng)?shù)娜ゴ欧椒?，將功率變壓器在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的磁化能量在截止期間瀉放或者消耗掉。否則，經(jīng)過多個(gè)開關(guān)周期后，由于剩磁作用，變壓器的工作點(diǎn)逐漸上移，極易由于磁心飽和而產(chǎn)生近似短路狀態(tài)，導(dǎo)致功率開關(guān)管上流過較大的電流，超過其額定值而燒毀。

工程中常用的經(jīng)典去磁方法包括增加去磁繞組、有源嵌位、R-C-D嵌位法、ZVT嵌位法等，其共同思路是：在主功率開關(guān)截止后，通過一定的途徑，使變壓器中剩余的磁化能量進(jìn)行瀉放或者消耗在無源功率電阻上。

實(shí)際上，由于目前的開關(guān)電源普遍采用MOSFET作為功率開關(guān)，因此僅利用其分布參數(shù)也能夠較好的完成去磁工作，即采用諧振技術(shù)進(jìn)行去磁。諧振去磁的基本原理為：在功率開關(guān)截止后，利用變壓器的自感和電路中元器件的分布電容進(jìn)行諧振，將變壓器的磁化能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這樣，省去了相對(duì)復(fù)雜的去磁設(shè)計(jì)，使得電路結(jié)構(gòu)得到簡化。

二 諧振去磁的工作原理

在分析利用諧振技術(shù)進(jìn)行變壓器去磁的工作原理之前，首先作出以下假設(shè)：

(1)整個(gè)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)輸出電感LO與輸出電容CO與參與諧振的分布元件相比，近似為無窮大。

(3)變壓器的漏感可以忽略不計(jì)。

(4)開關(guān)管與二極管均為理想器件，即開關(guān)管導(dǎo)通電阻和二極管的正向壓降均可以近似認(rèn)為是0。

(5)與開關(guān)周期和諧振工作時(shí)間相比，開關(guān)器件的過渡時(shí)間很短。

對(duì)于一個(gè)單端正激型電源，與該諧振去磁方法相關(guān)的基本電路元件分布位置如圖1所示：

其中，Lm為變壓器初級(jí)線圈的等效電感;Ct為功率變壓器初級(jí)繞組的等效電容，與Lm為并聯(lián)關(guān)系;Cs為開關(guān)管Q1的漏-源極結(jié)電容和為改善其開關(guān)環(huán)境而并聯(lián)的外電容之和;C1為輸出整流二極管的結(jié)電容。

圖2為這些元器件等效到變壓器初級(jí)的示意圖。由圖中可以看到，Dr的結(jié)電容C1等效到變壓器初級(jí)的電容C2為：

且它與Ct為并聯(lián)關(guān)系。同時(shí)，假定輸入電壓源Vin為理想電壓源，其內(nèi)阻可以忽略不計(jì)，因此在交流諧振狀態(tài)時(shí)，Cs也與Ct呈并聯(lián)關(guān)系。

在一個(gè)完整的開關(guān)周期內(nèi)，諧振去磁的整個(gè)工作過程由以下幾個(gè)階段組成：

第一階段：圖3中的T1階段。在此之前， Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，其漏-源極上的電壓為輸入電壓Vin， Df續(xù)流導(dǎo)通，流過變壓器磁心的磁化電流為負(fù)值I1(其大小與方向在后面進(jìn)一步解釋)。從t=0開始，Q1受控導(dǎo)通，主功率變壓器磁心的磁化電流Imag為線性變化，由負(fù)值逐漸變?yōu)?，又開始正向增加。在這一階段，由于極性關(guān)系，Dr導(dǎo)通，Df截止。而C1和Cs的端電壓均近似為0，能量由輸入端通過變壓器耦合至輸出負(fù)載。假定變壓器初級(jí)磁化電流在該階段開始時(shí)為I1，結(jié)束時(shí)為I2，則I1與I2的關(guān)系為：

第二階段：圖4中的T2階段。在此階段的開始，Q1受控制信號(hào)的作用截止，其漏-源極電壓Vds開始迅速上升。當(dāng)Vds超過輸入電壓Vin之后，變壓器次級(jí)線圈的極性反轉(zhuǎn)，Dr相應(yīng)截止，Df導(dǎo)通。由于Q1的截止，變壓器初級(jí)電感Lm與電路中的等效電容Cr(C2、Ct、Cs之和)形成一個(gè)并聯(lián)諧振電路，開始諧振工作，去磁電流Imag開始以正弦形狀變化并流過諧振電路。由電路理論可以得知，一個(gè)L-C并聯(lián)電路以諧振方式工作時(shí)，電感上的電流與電容上的電壓均為正弦形變化，且彼此相位相差90度，參與諧振的電感和電容所存儲(chǔ)的能量互相交換。由于Cr在前一階段的端電壓為0，沒有存儲(chǔ)能量，而Lm中的能量在開關(guān)截止前達(dá)到了最大值，因此Lm與Cr產(chǎn)生能量交換;該階段的持續(xù)時(shí)間為T2，且T2為一個(gè)完整諧振周期的一半。

Cr上的電壓由0所能夠達(dá)到的最大值為：

而Q1漏-源極電壓Vds在Cr達(dá)到最大值時(shí)，也達(dá)到最大值：

這樣，到了該階段的末期，激磁電流Imag達(dá)到負(fù)向的最大值。由于系統(tǒng)處于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，且能夠完全去磁，因此其值等于-I2。此時(shí)， Q1漏-源極電壓Vds等于輸入電壓Vin。

這一階段的等效電容Cr為：

諧振頻率為：

由初始條件，可以得到磁化電流與等效電容電壓的變化分別為：

在上述兩個(gè)階段，變壓器中磁場強(qiáng)度H的變化與磁化電流Imag的變化相一致：當(dāng)T1階段，H向正方向增加;而在接下來的T2階段，由于諧振作用，H向反方向變化。這樣，通過諧振使變壓器的激磁能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，并且最終實(shí)現(xiàn)了磁化電流的反向流動(dòng)，從而達(dá)到了去磁的目的。

第三階段：圖5中的T3階段。在此時(shí)間段內(nèi)， Q1仍然保持截止?fàn)顟B(tài)，由于前一階段Cr上的電壓諧振地變化為0，因此Q1兩端的電壓為Vin。當(dāng)Cr上的電壓企圖繼續(xù)諧振，進(jìn)一步降低時(shí)，就導(dǎo)致Dr導(dǎo)通。因此，該時(shí)間段開始時(shí)，Np與Ns的端電壓均為0，Cr的端電壓被嵌位為0，諧振結(jié)束，此時(shí)與Q1并聯(lián)的Cs兩端沒有變化的交流電壓，只有穩(wěn)定的直流電壓Vin。Dr與Df均可以看作是處于“導(dǎo)通”狀態(tài)。而負(fù)向的磁化電流由于只有Df-Dr-Ns這樣一條通路可以繼續(xù)流動(dòng)，且磁化電流I1在這一階段保持恒定的負(fù)值I1不變，這種工作模式一直持續(xù)到下一個(gè)開關(guān)周期的到來。在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，且保證每個(gè)開關(guān)周期都能夠完全進(jìn)行去磁的條件下，磁化電流I1也等于下一個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)的I1，即：

如果電路的諧振頻率恰好等于開關(guān)管截止的時(shí)間，則Ts的持續(xù)時(shí)間為0。而如果諧振周期大于Tr，可能會(huì)出現(xiàn)I1與I2不相等的情況。在這種情況下，下一個(gè)開關(guān)周期開始前半個(gè)諧振周期未結(jié)束，因此主功率開關(guān)上的漏-源極電壓在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)超過Vin;這樣，會(huì)增加開關(guān)損耗。同時(shí)，也無法有效的實(shí)現(xiàn)變壓器的完全去磁。

三 諧振去磁的特點(diǎn)及諧振頻率選擇：

1 降低了對(duì)控制電路的50%占空比的要求。單端正激型開關(guān)電源在實(shí)際工程中通常采用在主變壓器中增加第3個(gè)繞組的方法進(jìn)行去磁。由于受到開關(guān)管的耐壓值的限制，通常將去磁繞組與初級(jí)繞組的匝比定為1：1。這樣，最大占空比只能達(dá)到50%。同時(shí)。為了減少開關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，復(fù)位繞組和初級(jí)繞組在工藝上要求緊密耦合，因此變壓器的設(shè)計(jì)和加工工藝比較復(fù)雜。而諧振去磁只要求在開關(guān)管截止期內(nèi)，至少保證能完整進(jìn)行半個(gè)諧振周期工作。而通過諧振頻率的選擇和諧振元件參數(shù)值的調(diào)整，可以充分保證做到這一點(diǎn)。這樣，占空比不再受50%的要求，電源可以工作于較寬的輸入電壓范圍。同時(shí)對(duì)于簡化電路結(jié)構(gòu)也很有意義。

2 對(duì)比常規(guī)的去磁繞組法與諧振去磁，可以看出，常規(guī)的去磁繞組法中，磁化電流始終可以認(rèn)為是非負(fù)值，在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)線性增長，在開關(guān)截止時(shí)線性減少。因此其B-H特性為第1象限;而諧振去磁的磁化電流在每一個(gè)周期內(nèi)有一段時(shí)間為負(fù)值，因此屬于雙向磁化電流變化。在選擇較大的磁感應(yīng)強(qiáng)度擺幅(ΔB)進(jìn)行功率變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，在防止磁心飽和方面，諧振去磁具有更多的優(yōu)勢(shì)。

3 由理論分析和后面的桌面電路試驗(yàn)的實(shí)際波形可以看出，諧振去磁時(shí)，開關(guān)管漏-源極電壓波形為較為光滑的半正弦波，而去磁繞組法為波形邊緣較為陡峭的脈沖方波，前者無疑比后者具有更小的高次諧波分量。因此，對(duì)于開關(guān)電源的EMI問題也有所改善。

4 諧振去磁中，諧振元件參數(shù)的確定

在采用諧振去磁時(shí)，為以確保在開關(guān)截止期內(nèi)能夠完成半個(gè)諧振周期的去磁過程，需要仔細(xì)確定諧振元件的參數(shù)。因此，在理論分析的基礎(chǔ)上，必須在試驗(yàn)中仔細(xì)觀察各種工作狀態(tài)下開關(guān)管的漏-源極波形，以確定比較適宜的諧振頻率。

在選擇諧振頻率時(shí)，需要對(duì)開關(guān)管的額定電壓和去磁效果相互之間的矛盾進(jìn)行綜合考慮。目前在中、小功率應(yīng)用場合中，單端正激功率變壓器的初級(jí)電感量通常為幾十到幾百微亨，而開關(guān)管的結(jié)電容通常為幾百到幾千pF，這樣，在僅僅利用初級(jí)電感和器件結(jié)電容進(jìn)行諧振去磁時(shí)，諧振頻率一般都可以達(dá)到幾百kHz或者更高。而為了降低主開關(guān)管在諧振上的電壓應(yīng)力Vds，有時(shí)需要在開關(guān)管Q1或二極管Dr兩端并聯(lián)一定數(shù)量的電容以適當(dāng)降低諧振頻率。然而，該電容的容值不能過大，否則會(huì)導(dǎo)致無法完全進(jìn)行諧振去磁的問題。

圖6是在相同的占空比條件下，選擇不同的諧振參數(shù)時(shí)，開關(guān)管漏-源極的典型電壓波形。圖中：

(1)是選擇比較適當(dāng)?shù)闹C振頻率后的理想電壓波形，其形狀與上節(jié)理論分析的一致;

(2)是諧振頻率選擇過高時(shí)的波形。在變壓器的各個(gè)參數(shù)均確定的條件下，等效電容Cr較小時(shí)是這種波形。從圖中可以看出，雖然其基本形狀與(1)完全相同，也能夠迅速完成去磁過程，但是由于等效電容較小，因此諧振頻率較高，相同的變壓器初級(jí)激磁能量導(dǎo)致等效電容Cr上的諧振電壓V2的幅值遠(yuǎn)超過了V1。這樣就要求主開關(guān)管的耐壓更高，增加了成本。

(3)則是在開關(guān)管、輸出二極管的兩端并聯(lián)的電容過大，導(dǎo)致諧振等效電容Cr過大，因此諧振頻率較低，甚至無法完全滿足在開關(guān)管的截止期內(nèi)完成諧振周期一半的工作。由前面的分析可知，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，完全的去磁條件是每一開關(guān)導(dǎo)通期開始的磁化電流應(yīng)該與上一開關(guān)截止期末的磁化電流相同，顯然(c)中的去磁過程沒有完全結(jié)束，在輸入電壓較低，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間較長時(shí)更是如此。在電路設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中，要盡量避免這種波形的產(chǎn)生。從這些圖也可以看出，工程設(shè)計(jì)中，有時(shí)為了降低功率開關(guān)管的損耗，在其兩端并聯(lián)電容，這樣會(huì)對(duì)諧振去磁的效果產(chǎn)生影響，因此需要綜合考慮。

四 設(shè)計(jì)實(shí)例：

在上述理論的指導(dǎo)下，進(jìn)行了利用諧振技術(shù)去磁的實(shí)際單端正激電源的桌面電路試驗(yàn)(12V/20W);并且在此基礎(chǔ)上，完成了某型號(hào)產(chǎn)品的初樣件設(shè)計(jì)工作。其基本原理見圖7。

在該電路中，控制器件選用UC1843(LCC20封裝);開關(guān)頻率設(shè)為近300kHz，最大占空比選擇60%左右;開關(guān)管Q1為2N6798(IRF230)，其Coss為250pF;整流二極管Dr選用15CLQ100，變壓器磁心選用MAGNETICS公司的RM6磁心，初級(jí)線圈為8匝，次級(jí)線圈為9匝。磁心的初級(jí)線圈電感量經(jīng)過實(shí)測(cè)為160μH左右，次級(jí)整流二極管未并聯(lián)電容，而初級(jí)MOSFET并聯(lián)510p電容;輸入電壓范圍為23V—33V。所測(cè)得的Q1漏-源極波形在最低輸入電壓和最高輸入電壓時(shí)的情況，如圖7所示(兩圖中的橫坐標(biāo)為時(shí)間量1μs/格;縱坐標(biāo)為電壓量20V/格)：

通過對(duì)實(shí)際電路功率MOSFET的漏-源極電壓波形實(shí)測(cè)，可以看出這種磁心復(fù)位方法的工作過程。從圖中可以大致推測(cè)出其去磁時(shí)的諧振頻率大約為300多kHz.。而實(shí)際的電路參數(shù)計(jì)算也大致在此范圍。對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的電源產(chǎn)品分別進(jìn)行了高低溫條件下長期連續(xù)通電試驗(yàn)，其工作性能穩(wěn)定，證明了該方法的技術(shù)有效性。