雙晶體管正激有源鉗位軟開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

O 引言
    現(xiàn)在世界資源短缺，各國政府及社會(huì)各界越來越要求節(jié)能降耗。中國政府也正秉持這一國際化趨勢的理念在不斷邁進(jìn)，這一趨勢在未來幾年還會(huì)加速，這勢必為響應(yīng)這一國際趨勢的科技型企業(yè)帶來巨大的機(jī)遇。同時(shí)對技術(shù)薄弱的電源企業(yè)就是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。在電源行業(yè)來講，這幾年大家一直致力于80PLUS的產(chǎn)品研發(fā)，時(shí)至今日，這項(xiàng)技術(shù)在大的企業(yè)已經(jīng)得到普及。接下來的方向就是如何來達(dá)到85PLUS的要求。這對于一般的適配器或高電壓直流輸出的電源來講沒有什么問題，大家很容易就可以實(shí)現(xiàn)。但是對于一般的PC電源或服務(wù)器電源這種帶多輸出中低直流電壓的電源來講，要達(dá)到85PLUS就不這么容易了。電源目前常見的幾種可以實(shí)現(xiàn)高效率的電路拓?fù)鋪碇v，單晶體管有源鉗位技術(shù)現(xiàn)在有很多廠商推廣，但是目前使用情況還是不太普及，全橋零電壓開關(guān)的技術(shù)也有人使用，也同樣沒有得到廣泛普及?，F(xiàn)今在大的電源使用上大家最常用的就是雙晶體管正激，目前很多廠商從300W～1200W的范圍都有使用，同時(shí)可以滿足80PLUS的要求，但是目前要作到85PLUS就很難，不進(jìn)行一些技術(shù)變更幾乎不可能。基于目前的情況，本文介紹一種利用有源鉗位技術(shù)在雙晶體管正激上實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的設(shè)計(jì)方法，并給出實(shí)際的設(shè)計(jì)案例及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

l 雙晶體管正激有源鉗位軟開關(guān)的工作原理
    雙晶體管正激有源鉗位軟開關(guān)主電路如圖1所示。

    參閱圖2至圖7，詳細(xì)講述雙晶正激有源鉗位開關(guān)電源的工作過程如下：
    1)功率傳輸階段(t0～t1)，如圖2所示，該階段第一主開關(guān)管VT1和第二主開關(guān)管VT2同時(shí)導(dǎo)通，而鉗位開關(guān)管VTR1處于關(guān)斷狀態(tài)。加在變壓器上的輸入電壓使勵(lì)磁電流線性上升，初級(jí)向次級(jí)經(jīng)變壓器傳輸能量。次級(jí)VD1導(dǎo)通，VD2截止，L1上的電流線性上升，整流濾波后供給負(fù)載RL。在此條件下VD1和VD2剛好ZVS下導(dǎo)通，因其體二極管先前已經(jīng)在導(dǎo)通狀態(tài)(如圖6所示)
    2)諧振階段(t1～t2)，如圖3所示，在占空比的控制下，第一主開關(guān)管VT1和第二主開關(guān)管VT2在t1時(shí)刻同時(shí)關(guān)斷，變壓器磁芯極性反轉(zhuǎn)。因輸入電源和變壓器的勵(lì)磁電感的作用給VT1和VT2的寄生電容COSS1，COSS2充電，由于電容電壓不能突變，第一主開關(guān)管VT1和第二主開關(guān)管VT2在ZVS狀態(tài)下關(guān)斷。同時(shí)變壓器的勵(lì)磁電流開始給鉗位開關(guān)管VTR1的寄生電容COSS放電，經(jīng)VTR1的體二極管給鉗位電容CR1充電。次級(jí)VD1截止，VD2導(dǎo)通，L1經(jīng)過VD2續(xù)流繼續(xù)給負(fù)載RL供電。

    3)有源鉗位階段(t2～t3)，如圖4和圖5所示，在亡2時(shí)刻鉗位開關(guān)管VTR在ZVS狀態(tài)下開啟，由于VTR1的體二極管先前已開通，VTRl的UDS電壓很低。鉗位開關(guān)管VTR1在整個(gè)階段處于開通狀態(tài)，變壓器勵(lì)磁電流經(jīng)過鉗位開關(guān)管VTR1繼續(xù)給鉗位電容CR1充電，鉗位電容CR1充滿以后經(jīng)變壓器勵(lì)磁電感放電。次級(jí)在整個(gè)階段由L1續(xù)流經(jīng)VD2給負(fù)載供電，VD1截止。

    4)諧振階段(t2～t4)，如圖6所示，t3時(shí)刻鉗位開關(guān)管VTR1在ZVS狀態(tài)下關(guān)斷(VTR1的寄生電容使電壓不能突變)，由于變壓器初級(jí)電流仍然反向流動(dòng)，磁芯極性反轉(zhuǎn)，使第一主開關(guān)管VT1和第二主開關(guān)管VT2的寄生電容COSS放電，在t3后VD1導(dǎo)通，VD2截止；然后其主開關(guān)管的體二極管導(dǎo)通把能量全部送回輸入電源與負(fù)載，變壓器磁芯完成磁復(fù)位。此時(shí)主開關(guān)管VT1和VT2的UDS電壓為零，t4時(shí)刻同時(shí)開啟第一主開關(guān)管VT1和第二主開關(guān)管VT2做到ZVS導(dǎo)通。在t4完成后，開關(guān)周期又返回到t0～t1的狀態(tài)。

    其中t1～t2和t3～t4的諧振時(shí)間是實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的關(guān)健，可以調(diào)節(jié)使零電壓開關(guān)做到最佳。
    [!--empirenews.page--]本文介紹的雙晶體管正激有源鉗位開關(guān)電源同時(shí)擁有單晶正激有源鉗位和雙晶正激兩者的優(yōu)點(diǎn)，適合于高壓中大功率應(yīng)用，并且磁芯得到有效的復(fù)位，磁芯利用率得到提高，占空比可以超過0．5，甚至可以達(dá)到0．7。如果輸入電壓為380V，占空比在0．7時(shí)，主開關(guān)管反壓也才634V左右，在高電壓應(yīng)用中有較大的好處，做到了零電壓開關(guān)，效率比雙晶正激有較大的提高，同時(shí)也減少了EMI的干擾。而次級(jí)波形無死區(qū)時(shí)間，適合采用自驅(qū)動(dòng)同步整流，對低電壓大功率輸出有很大的好處，頻率也可以相應(yīng)的提高，可節(jié)省磁芯材料，減小體積，初次級(jí)開關(guān)管的電壓應(yīng)力也相應(yīng)減小。
    雙晶正激有源鉗位軟開關(guān)電源還有另一種結(jié)構(gòu)，如圖8所示。其結(jié)構(gòu)與圖1所示的雙晶正激有源鉗位軟開關(guān)電源基本相似，只鉗位開關(guān)管VTR3以及鉗位電容CR3設(shè)置在副邊，鉗位電容CR3一端與變壓器的同名端相連，另一端與鉗位開關(guān)管VTR3的D極相連，鉗位開關(guān)管VTR3的S極與變壓器的異名端相連，請參閱圖8。其工作原理同在初級(jí)鉗位相差不多，這里不再講述。

2 實(shí)際波形結(jié)果
    我們實(shí)際用一般雙晶體管正激的產(chǎn)品經(jīng)過改進(jìn)，將其調(diào)整為上述的有源鉗位方式，其實(shí)際的雙晶體管工作波形如圖9～圖12所示。

    從以上實(shí)際的波形來看，兩個(gè)晶體管的UDS電壓比原來的硬開關(guān)低了不少，有利于設(shè)計(jì)中選擇MOSFET開關(guān)管，同時(shí)選擇一樣規(guī)格的材料其電壓余量提高不少，增加了產(chǎn)品可靠度。另外從圖中我們很明顯的可以看出在MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷基本是零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷，降低了開關(guān)損耗。同時(shí)對電磁兼容也有很大的好處。
    圖13為次級(jí)變壓器+12V輸出繞組波形。
    從這個(gè)波形圖我們可以看到正向電壓39V，負(fù)向電壓26V，占空比為0．42。所以次級(jí)整流部分的組件耐壓可以比原本的規(guī)格降下來很多，這對效率提升有很大的好處。

3 結(jié)束語
    本文介紹的線路目前已經(jīng)在實(shí)際運(yùn)用中得到驗(yàn)證，它充分體現(xiàn)了文中講述的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，對于材料選用余量，產(chǎn)品效率提升起到了很大的好處。運(yùn)用這個(gè)線路做的大功率服務(wù)器電源1000W實(shí)例目前不僅滿足了80PLUS銀牌的標(biāo)準(zhǔn)，再在二次輸出整流及材料選擇上稍加改善，完全可以達(dá)到金牌的標(biāo)準(zhǔn)。所以此線路可讓廣大電源設(shè)計(jì)者在線路選擇上多一個(gè)有益的方案。