基于LM5025的大功率有源箝位逆變電源

1　引 言

正激變換器由于拓?fù)涞暮?jiǎn)單性，被廣泛的應(yīng)用在電源行業(yè)，但是變壓器開關(guān)關(guān)斷時(shí)需要磁復(fù)位【1】。一般都是用第三復(fù)位繞組、RCD箝位電路以及LCD緩沖器等，但是由于這幾種復(fù)位方式都有其自身的缺點(diǎn)導(dǎo)致正激變換器不適用于大功率和高頻場(chǎng)合。

和這些傳統(tǒng)的復(fù)位方式相比，有源箝位有許多優(yōu)點(diǎn)：①變壓器對(duì)稱雙向磁化，工作在B-H曲線的第一和第三象限，變壓器得到充分利用；②箝位開關(guān)管是零電壓開關(guān)，主開關(guān)管雖然不容易實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)，但是由于有箝位裝置和緩沖電容使得其開通與關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力大大減??；③勵(lì)磁能量和漏感能量全部回饋電網(wǎng)，占空比可以大于0.5。

以前，由于有源箝位專用IC較少，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，限制了有源箝位的廣泛應(yīng)用。近年有源箝位與同步整流的結(jié)合，更是大大促進(jìn)了有源箝位在低電壓輸出場(chǎng)合的應(yīng)用。隨著國(guó)際上相關(guān)專利的到期以及專用IC的發(fā)展，有源箝位的技術(shù)必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文在此基礎(chǔ)上，利用NS最新推出的有源箝位專用芯片LM5025研制了一臺(tái)單相220V輸入，輸出為24V/120A的大功率逆變電源。

2　有源箝位正激變換器工作原理

為了方便分析，做如下假設(shè)：Lf足夠大，對(duì)負(fù)載可認(rèn)為是恒流源；所有的半導(dǎo)體器件都是理想器件；變壓器是變比為n的理想變壓器；主開關(guān)管S1只有漏源極間的電容C1,其他寄生參數(shù)不考慮；箝位開關(guān)管僅有反并二極管，其他寄生參數(shù)不考慮；箝位電容Cc足夠大箝位電壓基本不變，原理圖如圖1所示。下面分為10個(gè)工作區(qū)間分別論述，各區(qū)間工作波形如圖2所示。

t0-t1:t0時(shí)刻，S1導(dǎo)通，它是硬開通，此時(shí)D3和D4同時(shí)導(dǎo)通，ip快速上升。

t1-t2:t1時(shí)刻，D4關(guān)斷，ip以一個(gè)緩坡上上升。此時(shí)箝位管漏源極間電壓U-S2為箝位電壓Uin+Ucc。

t2-t3:t2時(shí)刻，S1關(guān)斷，由于有C1的存在，主開關(guān)管S1漏源極間電壓U-S1緩緩上升，可以減輕S1關(guān)斷時(shí)的電壓應(yīng)力；同時(shí)U-S2就在緩緩下降，由于變壓器原邊電壓還處在正向狀態(tài)，故ip仍在緩緩上升。

t3-t4:t3時(shí)刻，U-S1升至Uin，變壓器開始承受反向電壓，副邊D3和D4同時(shí)導(dǎo)通，ip開始快速下降，U-S1繼續(xù)上升。

t4-t5:t4時(shí)刻，U-S1升至箝位電壓Uin+Ucc，二極管D2開始導(dǎo)通給箝位電容Cc充電，此時(shí)箝位開關(guān)管S2漏源極間電壓為零。

t5-t6:t5時(shí)刻，S2零電壓開通，但是由于此時(shí)電流方向仍是給Cc充電，故S2中沒(méi)有電流流過(guò)。

t6-t7:t6時(shí)刻，副邊反向電壓致使D3完全關(guān)斷，副邊電流依靠D4續(xù)流；原邊電流ip以更加緩慢的速度減小。

t7-t8:t7時(shí)刻，原邊電流降為零，由于箝位電壓高于Uin電流開始反向緩緩增加；這些電流全部來(lái)自箝位電容，由于Cc足夠大，可以認(rèn)為箝位電壓基本不變。

t8-t9:t8時(shí)刻，S2關(guān)斷，icc變?yōu)榱?，原邊電流通過(guò)抽取C1維持，由于有緩沖電容C1的存在且此時(shí)電流很小，故箝位開關(guān)管S2是零電壓關(guān)斷。

t9-t10:t9時(shí)刻，主開關(guān)管S1漏源極間電壓降為Uin,變壓器開始承受零電壓，D3和D4同時(shí)導(dǎo)通；如果諧振參數(shù)調(diào)整合適也可以讓S1實(shí)現(xiàn)零電壓開通，從t10時(shí)刻S1導(dǎo)通開始進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

3　主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 最大占空比的確定

由變壓器的伏秒積平衡原理可知

為使箝位電壓不是太高，令

,則最大占空比Dmax=0.6

3.2 功率變壓器設(shè)計(jì)

由于有源箝位變壓器的激磁電壓是雙向矩形脈沖，且其工作于B-H曲線的一三象限，磁感應(yīng)變化量△B=2Bm,所以其鐵心的利用率高【2】。下面基于AP法來(lái)設(shè)計(jì)有源箝位逆變電源的變壓器，選用2KB系列EE型鐵氧體磁芯，其飽和磁通密度Bs=510mT,剩余磁通密度Br約為110mT。實(shí)際工作磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm＝1/3Bs＝170mT，導(dǎo)線電流密度J取300A/cm2,窗口使用系數(shù)Ko取0.4，波形系數(shù)Kf取4（按照方波?。?頻率fs=25KHz, 輸入電壓為300±40V,最大占空比為0.6，變壓器變比為5，實(shí)際變壓器

取0.8，把這些參數(shù)帶入公式（1）、（2）計(jì)算后與我們實(shí)際得視在功率

然后查表選擇EE110磁芯，其

完全滿足要求。下面來(lái)計(jì)算初級(jí)線圈匝數(shù)N1:

4　控制電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用了NS公司最新推出的電壓模式的有源箝位專用芯片LM5025,其輸入工作電壓從13V到100V，由內(nèi)部偏壓調(diào)整器取代了外部偏壓調(diào)整器，用戶可編程振蕩器頻率可達(dá)1MHz,獨(dú)特的柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)使得驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3A,可以直接驅(qū)動(dòng)大功率的MOSFET。LM5025還帶有可調(diào)滯后的用戶編程的欠壓鎖定電路和雙模式過(guò)流保護(hù)電路，同時(shí)還有變壓器最大伏秒積限制和振蕩器同步性能【3】。

LM5025的頻率設(shè)定是依靠外部電阻Rt，

，F(xiàn)就是我們要設(shè)定的頻率，單位是KHz,Rt的單位是

；LM5025還有信號(hào)同步功能，外部時(shí)鐘信號(hào)最低可以比內(nèi)部振蕩器低20％，最高沒(méi)有限制；如果將Rt接至REF腳，則內(nèi)部振蕩器完全不起作用，同步時(shí)鐘信號(hào)沒(méi)有限制，輸出完全由外部時(shí)鐘控制；若不需外部同步的話要將SYNC接地，防止外部干擾信號(hào)。

LM5025既可以用于N溝道有源箝位也可以用于P溝道有源箝位，當(dāng)用于P溝道時(shí)是要進(jìn)行重迭時(shí)間設(shè)定，此時(shí)Rset要接

當(dāng)用于N溝道時(shí)是要進(jìn)行死區(qū)時(shí)間設(shè)定，此時(shí)Rset要接REF，

其中的Rset單位都是

。

LM5025還有欠壓鎖定功能，把Uin經(jīng)分壓以后接至UVLO腳，保證在輸入電壓允許范圍內(nèi)UVLO腳的電壓都大于2.5V，一旦此腳電壓低于2.5V，LM5025鎖定，處于待命狀態(tài)，因而也可以通過(guò)UVLO腳實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器的遠(yuǎn)程關(guān)斷/開通控制。

LM5025繼承了UCC3580等有源箝位控制芯片的變壓器最大伏秒積限制功能。也可以用來(lái)限制最大占空比，當(dāng)Uin通過(guò)Rff給Cff充電達(dá)到內(nèi)部參考電壓2.5V時(shí)，將會(huì)關(guān)斷主開關(guān)管，Cff內(nèi)的電荷在Ton結(jié)束時(shí)或其達(dá)到2.5V時(shí)被內(nèi)部的FET放掉，哪一個(gè)事件先發(fā)生就以哪一個(gè)為準(zhǔn)。其中關(guān)系為

在確定了Tonmax和Uin以后，選定一個(gè)Cff，就可以求出Rff，Cff的取值范圍一般在100pF到1000pF之間。

LM5025具有兩種電流保護(hù)模式CS1和CS2，一旦通過(guò)電流傳感器反饋在CS1腳電壓超過(guò)0.25V，控制器將會(huì)停止當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（也就是逐周期電流保護(hù)模式）；若是反饋到CS2腳的電壓超過(guò)0.25V，控制器也會(huì)停止當(dāng)前的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且給軟啟動(dòng)電容Css放電至零，之后限制充電電流為1uA，在Css充電到大約1V時(shí)開始輸出第一個(gè)觸發(fā)脈沖，再然后充電電流恢復(fù)到20uA（正常充電電流），這也就是所謂的打嗝模式，一般在變換器嚴(yán)重過(guò)流時(shí)使用[4]。

依據(jù)LM5025的這些特性我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖3所示的控制電路。

圖3 有源箝位控制電路

5　仿真與實(shí)驗(yàn)

在理論分析以后我們用仿真軟件對(duì)主電路做了仿真，又通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論的正確性。仿真和試驗(yàn)的條件是：?jiǎn)蜗?20V輸入整流濾波，主開關(guān)管和輔開關(guān)管都是G40N150D,箝位電容5uF，工作頻率25KHz,占空比0.4。仿真及實(shí)測(cè)波形如圖4所示:

（a）仿真原邊電流ip和輔管驅(qū)動(dòng)波形 （b）仿真輔管實(shí)現(xiàn)零電壓波形

（c）仿真主開關(guān)管漏源極間波形 （d）實(shí)測(cè)輔管實(shí)現(xiàn)零電壓波形

（e）實(shí)測(cè)原邊電流ip波形　（f）實(shí)測(cè)主開關(guān)管漏源極間波形

圖4　仿真和實(shí)測(cè)波形

6　結(jié) 論

（1）對(duì)有源箝位電路工作原理和波形進(jìn)行了分析，并通過(guò)軟件仿真進(jìn)行了理論驗(yàn)證；

（2）分析了有源箝位專用控制芯片LM5025特性和功能，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于LM5025的控制系統(tǒng)；

（3）通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了有源箝位在大功率逆變電源上應(yīng)用的可行性，并給出了實(shí)測(cè)波形，由實(shí)測(cè)波形可以看出，主開關(guān)管漏源極間電壓得到有效箝位，輔開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]彭國(guó)平等.有源箝位正激變換器的分析與設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)雜志，2003(10):29-33

[2]李啟明，嚴(yán)仰光.正激變換器脈沖變壓器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（4）：372－374

[3]馬國(guó)勝.LM5025有效鉗位PWM控制器及其應(yīng)用[J].電源世界，2005（2）：47－50

[4]National Semiconductor公司產(chǎn)品資料.