盧增藝，陳 為，陳志宇

(1.臺(tái)達(dá)電子企業(yè)管理(上海)有限公司，上海201209;2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

1 引言

在現(xiàn)有正激變換器中，將功率變壓器和輸出濾波電感集成于一個(gè)磁性元件，構(gòu)成了兩種不同磁集成正激變換器［1-6］，分別記為磁集成正激變換器一和磁集成正激變換器二。文獻(xiàn)［1］研究了磁集成正激變換器一的磁件設(shè)計(jì)，提出變壓器繞組和電感繞組交變磁通正向耦合來(lái)減小電感電流脈動(dòng)，可獲得輸出電流的零紋波，實(shí)現(xiàn)寬范圍輸入電壓下輸出紋波的最小化。為了更直觀地理解集成磁件的電流紋波減小機(jī)理，本文基于磁路-電路對(duì)偶變換法獲得集成磁件等效電路模型，從電路角度對(duì)磁集成正激變換器一進(jìn)行討論。

對(duì)于磁集成正激變換器二，集成磁件的三個(gè)繞組分別繞在三個(gè)不同的磁柱上，繞組間的耦合關(guān)系較為復(fù)雜。由于磁路構(gòu)造以及電路連接方式的不同，該變換器的輸出電流由副邊兩繞組組合而成，該變換器獲得的輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換比與占空比、繞組匝比等有關(guān)。本文也采用等效電路模型對(duì)磁集成正激變換器二展開(kāi)分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)副邊兩繞組匝數(shù)相等時(shí)，該集成方案也有機(jī)會(huì)獲得輸出電流零紋波性能，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)零紋波設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證。

2 輸出電流紋波減小機(jī)理分析

磁集成有源箝位正激變換器一如圖1(a)所示，采用磁路-電路對(duì)偶變換法來(lái)求解得等效電路如圖1(b)所示。圖1中標(biāo)示出實(shí)際繞組電流 ip、is、iL和等效電感電流iLm、iLx、iLo。根據(jù)有源箝位正激變換器的工作原理，電路的工作模式分為兩個(gè)階段，電路工作特點(diǎn)進(jìn)一步描述如下:

圖1 磁集成正激變換器一Fig.1 Magnetic integrated forward converter 1

階段1［0～DTs］:主開(kāi)關(guān)管 S1導(dǎo)通，副邊整流管SR1導(dǎo)通，繞組Np流過(guò)電流ip，副邊繞組Ns流過(guò)電流is，能量從原邊繞組Np(節(jié)點(diǎn)①②)傳遞到繞組Ns(節(jié)點(diǎn)③④)，副邊繞組電流is等于電感電流 iL。電流 ip和 is為

當(dāng) Ns=NL時(shí)，從式(1)可得:ip=iLm+iLoNs/Np，ip可視為常數(shù)，iLx在運(yùn)算中消除，說(shuō)明主開(kāi)關(guān)管電流峰值與iLx無(wú)關(guān)。當(dāng)Ns≠NL時(shí)，主開(kāi)關(guān)管的電流峰值將受電流iLx影響。

階段2［DTs～Ts］:主開(kāi)關(guān)管 S1截止，箝位管 S2導(dǎo)通，副邊續(xù)流管SR2導(dǎo)通，繞組Np流過(guò)磁芯復(fù)位所需去磁電流，包括電流iLm和iLx。副邊繞組電流為零，輸出電感Lo處于續(xù)流階段。電流ip和iL為

綜上兩個(gè)階段的電流關(guān)系，相比于分立磁件，集成磁件原邊繞組除了包含等效激磁電流iLm、副邊電流is的折算外，還增加了自由磁柱等效電感電流iLx。而電感繞組電流除了等效電感Lo的電流iLo外，還減少了電流iLx的折算值。電路中各等效電感兩端電壓保持不變，等效電感Lm和Lo的電流紋波iLm、iLo也就保持不變，調(diào)整等效電感Lx的大小來(lái)改變電流iLx，實(shí)現(xiàn)電流紋波轉(zhuǎn)移，從而影響和改變了表現(xiàn)在繞組上的電流紋波。這說(shuō)明電流iLx在變壓器原邊繞組和電感繞組之間起到電流紋波轉(zhuǎn)移的橋梁作用，而且紋波轉(zhuǎn)移的比重與匝比有關(guān)，表現(xiàn)為NL:Np。

3 磁集成正激變換器二輸出電流零紋波設(shè)計(jì)

與磁集成正激變換器一的耦合集成方案相比，由于磁路構(gòu)造以及電路連接方式的不同，該變換器獲得的輸入輸出電壓轉(zhuǎn)換比與占空比的關(guān)系并不像方案一那樣隨占空比呈線性變化。輸出電流io由分時(shí)工作的變壓器副邊繞組Ns和電感繞組NL共同組成。繞組Ns和NL在不同階段獲得電流包含等效電感Lo的電流imL折算值。當(dāng)繞組Ns≠NL時(shí)，電流imL直流分量折算到Ns或NL的大小也不會(huì)相同，這意味著輸出電流io將呈現(xiàn)脈動(dòng)臺(tái)階波形，無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸出電流零紋波。但當(dāng)繞組NL=Ns時(shí)，輸出電流能夠呈連續(xù)線性變化，這就有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)輸出電流零紋波。因此，后續(xù)均以副邊兩繞組匝數(shù)相等作為分析基礎(chǔ)。

為了直觀地從電路特征上闡述該變換器的工作原理，圖2(b)給出了采用等效電路模型表示的磁集成正激變換器二，圖中包含三組變壓器T1、T2、T3和三個(gè)等效激磁電感 Lp、Ls、Lo，電感 Lp=/Rp，Ls=/Rs，Lo=/RL，其中 Rp、Rs、RL分別為圖 2(a)三磁柱磁芯左、右、中磁柱的等效磁阻。

以階段1(S1、SR1導(dǎo)通)作分析，得到電流紋波間的關(guān)系為

因?yàn)棣mL=Uo(1－D)Ts/Lo為常數(shù)，為實(shí)現(xiàn)輸出電流零紋波，即 Δis=0，必須設(shè)計(jì) Δims=ΔimL，將繞組電流is的交流紋波轉(zhuǎn)移到等效電感Ls上。

圖2 磁集成正激變換器二Fig.2 Magnetic integrated forward converter 2

同樣地，以階段2(S2、SR2導(dǎo)通)作分析，得到電流紋波間的關(guān)系:

為實(shí)現(xiàn)輸出電流零紋波，即ΔiL=0，也必須設(shè)計(jì)Δims=ΔimL，將輸出電流紋波從繞組電流iL轉(zhuǎn)移到等效電感Ls上，這個(gè)階段需要原邊繞組提供更多的磁芯復(fù)位電流。

根據(jù)式(3)或式(4)，可推導(dǎo)輸出電流紋波為

當(dāng)輸出電流零紋波時(shí)，即Δio=0時(shí)，相應(yīng)電路占空比為Dz，可以推導(dǎo)得副邊繞組和電感繞組所在磁柱的等效電感或磁阻與Dz的關(guān)系為

4 零紋波設(shè)計(jì)的磁件損耗分析

4.1 磁芯損耗

通過(guò)調(diào)整等效電感Ls，即改變磁阻Rs來(lái)實(shí)現(xiàn)電流紋波的轉(zhuǎn)移，帶來(lái)直流磁通的分布不同。而各磁柱內(nèi)部的交流磁通由繞組兩端的電壓伏秒積決定，和磁阻大小無(wú)關(guān)。如果不考慮直流偏磁對(duì)磁芯損耗的影響，可認(rèn)為磁芯損耗與紋波轉(zhuǎn)移設(shè)計(jì)基本無(wú)關(guān)。

4.2 繞組損耗

為了實(shí)現(xiàn)輸出電流的零紋波，增加磁阻Rs，減小等效電感Ls，滿足零紋波關(guān)系式(6)，將引入一個(gè)新氣隙，此時(shí)Rs對(duì)應(yīng)的氣隙兩端的交流磁壓Ums=RsΔΦs=RLΔΦL，即增加的磁阻磁壓大小與儲(chǔ)能氣隙磁壓相等。引入的氣隙構(gòu)成的磁通示意圖如圖3(b)所示，將相應(yīng)地增加繞組的氣隙擴(kuò)散磁通損耗。

圖3 氣隙擴(kuò)散磁通示意圖Fig.3 Air-gap fringing flux distribution

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)一有源箝位磁集成正激變換器二對(duì)上述的理論分析進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。輸入電壓Uin=48V，輸出電壓Uo=3.3V，輸出電流Io=10A，工作頻率 fs=100kHz。副邊同步整流管采用自驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，即直接取繞組端部電壓作為同步整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，如節(jié)點(diǎn)④電位驅(qū)動(dòng)同步整流管SR1，節(jié)點(diǎn)⑥電位驅(qū)動(dòng)同步整流管SR2。變壓器磁芯為TDG公司的ER42A，材料為 TP4。繞組 Np=18，Ns=3，NL=3。原邊繞組線徑0.6mm，單股;副邊繞組的線徑為0.6mm，5股并繞;電感繞組線徑為0.6mm，5股并繞。為了減小原、副邊繞組間的漏感，對(duì)圖2(a)的磁件進(jìn)行源轉(zhuǎn)移變換得到圖4(a)磁件設(shè)計(jì)1，原邊繞組由繞組Np1和Np2串聯(lián)組成，匝數(shù)均為18匝，繞組連接編號(hào)和圖2相一致，僅有電感繞組NL所在磁柱存在氣隙，其余磁柱沒(méi)有氣隙。實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)1電感量L34=2.95μH，L56=17.8μH。設(shè)計(jì) 2如圖 4(b)所示，電感繞組NL和副邊繞組Ns所在磁柱均設(shè)置有氣隙，并且磁阻滿足零紋波設(shè)計(jì)條件式(6)。實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)2電感量L34=2.95μH，L56=2.08μH，此設(shè)計(jì)的L56與L34的比值為0.7。

圖4 改進(jìn)的磁集成方案Fig.4 Improved integrated magnetic schemes

圖5為輕載輸出電流0.5A的實(shí)驗(yàn)波形，自上而下分別為原邊主開(kāi)關(guān)管的門極驅(qū)動(dòng)電壓ugs、原邊主開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓uds、電感NL電流波形iL、輸出電流的紋波io(為繞組NL和Ns組成的電流紋波)。對(duì)比圖5(a)和圖5(b)的電流波形，可以明顯看到設(shè)計(jì)2可以得到輸出電流io的零紋波，這將最大程度地減小副邊同步整流管的輕載通態(tài)損耗。另一方面，從S1的漏源極電壓uds看，設(shè)計(jì)2的主開(kāi)關(guān)管為零電壓開(kāi)通，因此其主開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗近似為零。

圖5 輸出電流0.5A的實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms as output current being 0.5A

為了說(shuō)明4.2節(jié)氣隙擴(kuò)散磁通對(duì)損耗的影響，可分析空載下變換器的損耗。空載下變換器的開(kāi)關(guān)管容易獲得零電壓的開(kāi)關(guān)條件，因此變換器空載損耗主要包含一些和負(fù)載電流關(guān)聯(lián)較小的損耗成分，如集成磁件的鐵芯損耗、繞組擴(kuò)散磁通損耗、副邊同步整流導(dǎo)通損耗等。在空載下測(cè)得設(shè)計(jì)1的損耗為1.3W，設(shè)計(jì)2的損耗為1.06W，表明設(shè)計(jì)2雖然增加了一部分氣隙擴(kuò)散磁通損耗，但由于電流零紋波減小了副邊同步整流管的損耗，則整體的輕載電路損耗仍然較小。

圖6為滿載輸出電流10A的實(shí)驗(yàn)波形，測(cè)量的波形自上而下和圖5所示相同。由于在重載下，線路的阻抗壓降增加，使得驅(qū)動(dòng)電壓的占空比增加。原設(shè)計(jì)2在輕載下可以獲得零紋波，而由于負(fù)載引起占空比的增加而使得式(6)關(guān)系無(wú)法滿足，輸出電流io存在一定的紋波，并且紋波的特征發(fā)生明顯變化，即電流在原來(lái)的驅(qū)動(dòng)電壓下出現(xiàn)反方向變化。

圖6 輸出電流10A的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms as output current being 10A

設(shè)計(jì)1和設(shè)計(jì)2的實(shí)測(cè)效率分別對(duì)應(yīng)圖7的曲線①和曲線②。由于主開(kāi)關(guān)管和箝位開(kāi)關(guān)管采用互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)死區(qū)為500ns，使得副邊同步整流管的體二極管續(xù)流時(shí)間較長(zhǎng)。因此，設(shè)計(jì)2在輕載下可以獲得較高的效率，但是重載效率略有降低。

圖7 效率曲線Fig.7 Efficiency curve

6 結(jié)論

采用集成磁件等效電路模型對(duì)兩種磁集成有源箝位正激變換器的工作原理進(jìn)行研究，能夠更加直接地觀察出輸出電流紋波減小及零紋波的內(nèi)在特征，獲得如下結(jié)論:

(1)揭示了輸出電感電流紋波減小的內(nèi)在機(jī)理可以用紋波轉(zhuǎn)移概念來(lái)理解，將表現(xiàn)在原來(lái)輸出電感繞組上的電流紋波通過(guò)耦合轉(zhuǎn)移到集成磁件的等效電感上。

(2)提出在副邊繞組匝數(shù)等于電感繞組匝數(shù)，即Ns=NL，磁集成正激變換器二可以通過(guò)改變副邊繞組Ns所在磁柱的磁阻Rs，實(shí)現(xiàn)電流紋波轉(zhuǎn)移，減小輸出電流紋波，并獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(3)零紋波設(shè)計(jì)會(huì)使得集成磁件的磁芯復(fù)位電流增加，原邊主開(kāi)關(guān)容易實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通;當(dāng)副邊同步整流管采用自驅(qū)動(dòng)方式，零紋波設(shè)計(jì)將影響功率變換器的驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間。

(4)由于零紋波的實(shí)現(xiàn)條件和工作占空比緊密相關(guān)，線路存在阻抗，當(dāng)輸出負(fù)載電流變化，會(huì)改變占空比，進(jìn)而影響輸出電流紋波。

［1］陳乾宏，馮陽(yáng)，周林泉，等 (Chen Qianhong，F(xiàn)eng Yang，Zhou Linquan，et al.).輸出紋波最小化有源箝位正激磁集成變換器 (Active forward converter with integrated-magnetics and the minimum output ripple current)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào) (Proceedings of the CSEE)，2009，29(3):7-13.

［2］Bloom E，Severns R.Modern DC-DC switch mode power converter circuits［M］.New York:Van Nostrand Reinhold，1984.262-325.

［3］蔡宣三，龔紹文 (Cai Xuansan，Gong Shaowen).高頻功率電子學(xué) (High frequency power electroncis)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社 (Beijing:China Water Power Press)，2009.

［4］Bloom E.Core selection for＆ design aspects of an integrated-magnetic forward converter［A］.IEEE APEC［C］.1986.141-150.

［5］Bloom E.New integrated-magnetic DC-DC power converter circuits＆ systems［A］.IEEE APEC ［C］.1987.57-66.

［6］陳乾宏 (Chen Qianhong).開(kāi)關(guān)電源中磁集成技術(shù)的應(yīng)用研究 (Research on the application of the magneticsintegration techniques in switching power supply)［D］.南京:南京航空航天大學(xué) (Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics)，2001.