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        雙端DCM模式反激變換器變壓器變比研究

        2017-03-13 09:35:24,
        電氣開關(guān) 2017年4期
        關(guān)鍵詞:勵(lì)磁電漏感雙端

        (三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

        1 引言

        反激式變換器在功率較小的場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用。與正激式直流變換器相比,它有諸多優(yōu)點(diǎn),例如:不需要輸出濾波電感、電路拓?fù)浜?jiǎn)單、適合多組輸出、可以在輸出電感電流不連續(xù)模式(DCM)下穩(wěn)定工作等[1]。因此,在小功率多組輸出場(chǎng)合使用反激式變換器,可以有效減小變換器體積,降低經(jīng)濟(jì)成本。

        但是,傳統(tǒng)單端反激變換器在開關(guān)管關(guān)斷時(shí),除了承受直流出入電壓以外,還要承受變壓器副邊折算到原邊的電壓以及漏感尖峰,這大大增加了開關(guān)管的電壓應(yīng)力,因此限制了變換器在高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。雙端DCM反激變換器使用兩個(gè)箝位二極管,將開關(guān)管的關(guān)斷電壓箝位于直流輸入電壓,拓展了反激式變換器在高電壓場(chǎng)合的應(yīng)用。然而,雙端反激變換器的漏感效應(yīng)使變換器的效率下降,也限制了變壓器的變比[2]。本文將詳細(xì)分析雙端反激變換器的工作原理,提出確定DCM模式下最大效率變壓器變比的方法。

        2 雙端反激變換器

        2.1 工作原理

        雙端反激變換器的拓?fù)淙鐖D1所示。它使用兩個(gè)開關(guān)管,兩個(gè)箝位二極管,變壓器原邊等效成一個(gè)勵(lì)磁電感和一個(gè)漏感的串聯(lián)。開關(guān)管S1和S2同時(shí)開通同時(shí)關(guān)斷。

        當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),原邊二極管和副邊二極管同時(shí)截止,負(fù)載電壓由電容維持,變壓器原邊電感電流開始線性上升[3]。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)刻,原邊電流達(dá)到峰值:

        其中,Lm和L1分別為變壓器原邊繞組的勵(lì)磁電感和漏感,DC為開關(guān)管的占空比。

        圖1 雙端反激變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        2.2 雙端反激變換器的漏感效應(yīng)

        開關(guān)管S1和S2的關(guān)斷時(shí)的電路如圖2所示。在關(guān)斷瞬間,勵(lì)磁電感Lm和漏感L1中流過相同的電流,該電流經(jīng)二極管D1和D2流向直流電源。假設(shè)此時(shí)勵(lì)磁電感Lm和漏感L1上的電壓分別為Um和U1,忽略二極管導(dǎo)通壓降,有:

        U1=Udc-Um

        由該式可見,提供給負(fù)載的電流有一個(gè)上升的過程,并且在漏感一定時(shí),U1越大,電流上升的越快。

        圖2 雙端反激變換器的漏感效應(yīng)

        2.3 雙端反激變換器輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系

        雙端反激變換器的輸出電壓與開關(guān)管占空比和變壓器變比密切相關(guān)。下面分析兩者之間的關(guān)系:

        關(guān)斷瞬間等效電路如圖3所示,I1和Im分別為漏感和勵(lì)磁電感中的電流,關(guān)斷瞬間

        I1=Im=IP

        原邊和副邊的電流關(guān)系如圖4所示。假設(shè)漏感電流在t2時(shí)刻下降到零,即:

        此時(shí)副邊輸出電流達(dá)到最大值:

        t3時(shí)刻,勵(lì)磁電感電流下降到零,即:

        整個(gè)周期副邊電流平均值為:

        則副邊平均電壓為:

        U0=I0avR

        關(guān)斷時(shí)刻的勵(lì)磁電感電壓Um和漏感電壓U1也和U0相關(guān),如果進(jìn)一步展開,將得到關(guān)于U0的三次方程,通過計(jì)算機(jī)輔助求解,可以得到精確的輸出電壓表達(dá)式,但是該算式相當(dāng)復(fù)雜,給計(jì)算和設(shè)計(jì)帶來不便。而且在變換器的實(shí)際設(shè)計(jì)中,通常輸入電壓和輸出電壓的幅值范圍都是已知的,因此不必解出輸出電壓。

        3 DCM模式下最大效率變壓器變比推導(dǎo)

        3.1 變壓器變比與傳輸效率分析

        由以上分析可知,在雙端反激變換器中,隔離變壓器的變比對(duì)傳輸效率有明顯的影響。變比過大時(shí),副邊電流上升緩慢,傳輸效率下降;雖然通過降低變比,可以提高效率,但是變比過小會(huì)使電路進(jìn)入連續(xù)工作模式(CCM),這有可能使變換器失去控制。

        圖3 關(guān)斷瞬間等效電路

        圖4 原邊電流與副邊電流的關(guān)系

        如果將平均電流轉(zhuǎn)換為關(guān)于K的函數(shù):

        對(duì)K求導(dǎo):

        f′(K)<0

        可見,隨著變比K的增大,副邊平均電流逐漸減小。

        3.2 變壓器變比與變換器工作模式

        由3.1的分析,如果變壓器變比取得足夠小,漏感的影響可以忽略不計(jì)。但是變比過小會(huì)使電路進(jìn)入連續(xù)工作模式,為DCM模式設(shè)計(jì)的控制電路將失去對(duì)變換器的控制。

        為使變換器安全工作,要留一定的時(shí)間裕度,一般取開關(guān)周期的20%作為死區(qū)時(shí)間[3],設(shè)開關(guān)管關(guān)斷后,副邊整流二極管導(dǎo)通的時(shí)間為Tr,則有

        DCTS+Tr≤0.8TS

        如果輸出電壓已知,可以由該式聯(lián)合第1節(jié)中分析得出的輸出電壓表達(dá)式確定合適的開關(guān)管占空比和變壓器變比。

        4 仿真結(jié)果分析

        為了檢驗(yàn)上述分析是否準(zhǔn)確,使用MATLAB進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。主電路參數(shù)如下:輸入電源為240V直流電源,開關(guān)管為MOSFET,開關(guān)頻率為50kHz,負(fù)載電阻10Ω,變壓器原邊勵(lì)磁電感80μH,漏感為4μH,輸出電壓40V。變比為4、2、1時(shí)漏感電流和副邊電流的波形分別如圖5(a)、5(b)、5(c)所示。

        圖5 漏感電流和副邊電流波形

        可以看出,當(dāng)變比為4時(shí),副邊電流上升緩慢,但是下降的很快,變換器的傳輸效率不高,死區(qū)時(shí)間很長(zhǎng);當(dāng)變比降低到2時(shí),副邊電流上升斜率有所增長(zhǎng),同時(shí)下降變慢,死區(qū)時(shí)間變短;當(dāng)進(jìn)一步降低變比到1時(shí),變換器已經(jīng)進(jìn)入連續(xù)工作模式。

        5 結(jié)論

        變壓器的變比設(shè)計(jì)對(duì)于雙端DCM反激變換器來說至關(guān)重要。變壓器變比同時(shí)受變換器轉(zhuǎn)換效率和DCM工作模式的約束。變壓器變比越大,轉(zhuǎn)換效率越

        低;變壓器變比越小,轉(zhuǎn)換效率越高,但是死區(qū)時(shí)間變短,安全工作受到影響。找到效率和安全的平衡點(diǎn),是雙端DCM反激變換器變壓器變比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

        [1] Abraham I.Pressman.Switching Power Supply Design[M].New York:McGraw-Hill,1998.

        [2] 韓明武,劉兆元,馬吉志.雙端反激式變換器漏感效應(yīng)的研究[J].電子器件,2008,31(3):963-965.

        [3] 王志強(qiáng),等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].北京,電子工業(yè)出版社,2006.

        [4] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京,電子工業(yè)出版社,2004.

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