一種新型帶無損緩沖雙管串聯(lián)單正激電路

一種新型帶無損緩沖雙管串聯(lián)單正激電路??

摘要：詳細(xì)介紹了電路的整個(gè)工作過程。給出了重要的定量關(guān)系式，為具體設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。另外還討論了實(shí)際應(yīng)用中遇到的主要問題和注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：正激變換器；無損緩沖；諧振

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1??? 引言

??? 雙管串聯(lián)單正激電路在高頻大功率變換器中是一種常用的主功率電路，該電路的優(yōu)點(diǎn)是主功率管耐壓低，成本低。缺點(diǎn)是主變（高頻變壓器）磁芯的磁化方向?yàn)閱蜗虻?，比起橋式電路差一半。該電路一般?yīng)用在頻率較高的場合，如果電路中不加無損緩沖電路，那么主功率管的開關(guān)損耗將因頻率的升高而大幅增加，因而大大降低了整機(jī)的效率。本文將討論一種實(shí)用的帶無損緩沖雙管串聯(lián)單正激電路的工作過程。

2??? 工作原理

??? 電路如圖1所示。緩沖網(wǎng)絡(luò)由6個(gè)二極管D₁，D₂，D₃，D₄，D₅和D₆，一個(gè)緩沖電感L_S和兩個(gè)緩沖電容C₁，C₂組成，其中C₁=C₂=C₀。由于緩沖網(wǎng)絡(luò)中不存在電阻，因此該網(wǎng)絡(luò)是無損的。圖2給出了帶無損緩沖電路的正激變換器的主要工作波形，C_S1，C_S2是開關(guān)管S₁，S₂的結(jié)電容，該變壓器原副邊匝比為n=N₁/N₂。

圖 1??? 主 電 路

圖 2??? 主 要 波 形

??? 在一個(gè)開關(guān)周期T_s中，該變換器有7種工作狀態(tài)。在分析之前，作如下假設(shè)：所有開關(guān)管、二極管均為理想器件；濾波電感L_f足夠大，在一個(gè)

??? 開關(guān)周期中，其中的電流基本保持不變，這樣L_f和C_f以及負(fù)載電阻可以看成一個(gè)電流為I_o的恒流源。

??? 1）狀態(tài)1[t₀－t₁]??? 在t₀時(shí)刻之前，開關(guān)管S₁，S₂上的電壓為V_in/2，緩沖電容C₁，C₂上的電壓為0V，緩沖電感L_s中的電流為零。在t₀時(shí)刻，開通S₁，S₂，其結(jié)電容上的能量C_s全部消耗在S₁，S₂內(nèi)部，因此，S₁，S₂為硬開通，存在開通損耗，這種損耗是不可避免的。

??? S₁，S₂開通后，變壓器的原邊電壓為輸入電壓V_in，負(fù)載電流I_o流經(jīng)整流二極管D₇。變壓器初級勵(lì)磁電流i_M，從I_M－開始線性上升，即

??? i_M(t)=I_M－＋(t－t₀)

式中：L_M為變壓器原邊勵(lì)磁電感；

????? I_M－為負(fù)向最大勵(lì)磁電流。

??? 變壓器原邊電流i_p為折算到原邊的負(fù)載電流和勵(lì)磁電流之和，即

??? i_p=＋i_M(t)

??? 在這段時(shí)間里，V_in經(jīng)過S₁，C₁，L_s，D₆，C₂與S₂形成回路并諧振工作。緩沖電感L_s中的電流與緩沖電容C₁，C₂上的電壓分別為

??? i_LS(t)=sinω(t－t₀)

??? v_c1=v_c2=v_c(t)=[1－cosω(t－t₀)]

式中：ω=。

??? T_r=2π是緩沖電感與緩沖電容的諧振周期。經(jīng)過T_r/2，達(dá)到t₁時(shí)刻，緩沖電感中的電流為零，緩沖電容C₁,C₂上的電壓上升為V_in，此后L_s中的電流反向，緩沖二極管D₆自然關(guān)斷。

??? 在實(shí)際應(yīng)用中，由于緩沖電感中的雜散電容的存在，使得緩沖電感內(nèi)部電流、電壓諧振轉(zhuǎn)換過程繼續(xù)進(jìn)行，但由于D₅存在，緩沖電感中的殘余能量將由D₅,C₁,Q₁,V_in迅速放掉。

??? 狀態(tài)1的持續(xù)時(shí)間為

??? t_0－1=t₁－t₀=T_r/2

??? 在這段時(shí)間里，緩沖電感中的最大電流為I_max=，S₁，S₂流過的電流為折算到原邊的負(fù)載電流、勵(lì)磁電流和緩沖電感電流之和，如果忽略勵(lì)磁電流，那么S₁，S₂的最大電流為

??? I_Qmax=I_O/n＋I_max

??? 2）狀態(tài)2[t₁－t₂]??? 在此狀態(tài)中，除了緩沖網(wǎng)絡(luò)停止工作以外，其他的工作情況與狀態(tài)1完全一樣。t₂時(shí)刻，S₁，S₂關(guān)斷。此時(shí)，勵(lì)磁電流為

??? i_M(t₂)=I_(M－)＋(t₂－t₀)

式中：t₂－t₀是S₁，S₂在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間t_on。

??? 3）狀態(tài)3[t₂－t₃]??? 在t₂時(shí)刻，S₁，S₂關(guān)斷，v_s1，v_s2由零開始逐漸上升，主變初級電壓由V_in開始相應(yīng)下降，整流管D₇仍然導(dǎo)通。由前面的分析知C₁，C₂上充有數(shù)值約為V_in的電壓。當(dāng)v_s2上升時(shí)，C₂上的電壓通過D₃向V_in放電，放電的結(jié)果使得v_s2的上升速度減慢，因而使S₂關(guān)斷過程的損耗下降，起到了緩沖的作用；同理，對于S₁而言，當(dāng)v_s1上升時(shí)，C₁上的電壓通過D₂向V_in放電，使S₁管的開關(guān)損耗下降。

??? 定量分析可以證明：S₂的管壓降從零開始上升時(shí)，除了C_s2結(jié)電容對S₂有緩沖作用外，C₂對S₂的緩沖作用的結(jié)果相當(dāng)于在C_s2上并聯(lián)一個(gè)C₂電容所產(chǎn)生的緩沖效果，所不同的是如果直接在C_s2上并聯(lián)C₂，則在S₂開通時(shí)，C₂上的能量將全部消耗在S₂上，而本緩沖電路則為完全無損。定量分析如下。

??? 如圖3（a），設(shè)在t=0時(shí)，S₂由開通變成關(guān)斷，v_s2=0，v_cs1=0，主變初級電流變化規(guī)律為i(t)，

則

??? v_cs1=??? (1)

??? 而對于圖3（b），設(shè)在t=0時(shí)，v_s2=0，v_cs1=0，v_c2=E_c，流向C_s1的電流為i₁(t)，則流向C₂的電流為i(t)－i₁(t)，根據(jù)C₂的放電情況，C₂上的電壓為

??? v_c2==E_c－〔i(t)－i₁(t)〕dt??? (2)

??? C_s1上的電壓為

??? v_cs1=??? (3)

??? 從圖3（b）中可以看出，V_cs1=E_c－V_c2

(a)S₂關(guān)斷瞬間??? (b)C₂放電

圖3??? 定量分量輔助電路圖

??? 結(jié)合式（2）可得

??? v_cs1=E_c－v_c2=〔i(t)－i₁(t)〕dt??? (4)

??? 由式（3）及式（4）可得

??? v_cs1=

由此可以看出C₂的緩沖作用，等價(jià)于在C_s1上并聯(lián)了一只C₂電容，C₂越大，緩沖效果越好。

??? 在圖2中，t₂－t₃時(shí)段主變原邊電流為折算至原邊的負(fù)載電流I₀/n和勵(lì)磁電流i_M之和，忽略i_M，則有v_s2(t)=I₀(t－t₂)/n(C_s1＋C_s2)。

??? 4）狀態(tài)4[t₃－t₄]??? 在t₃時(shí)刻，v_s1上升到超過V_in/2，同理可以分析出v_s1也上升到超過V_in/2；此時(shí)主變初級電壓開始變?yōu)橄抡县?fù)的極性，D₇承受反壓截止，D₈導(dǎo)通續(xù)流。主變初級電流只剩下勵(lì)磁電流i_M(t)。

??? 隨著i_M(t)繼續(xù)對C_s2充電。加在變壓器原邊繞組的電壓反向逐漸增加。C_s2電壓繼續(xù)上升，直到t₄時(shí)刻，v_cs2=V_in，同時(shí)v_cs1=V_in，v_c1=v_c2=0。

??? 5）狀態(tài)5[t₄－t₅]??? 在t₄時(shí)刻，箝位二極管D₁，D₄導(dǎo)通，將主變初級電壓箝位在V_in水平，加在原邊繞組的電壓為－V_in，由于勵(lì)磁電流的存在，原邊繞組的能量通過D₁,D₄釋放到電源V_in，此時(shí)，勵(lì)磁電流的減少量為

??? Δi_M=(t－t₄)

??? 6）狀態(tài)6[t₅－t₆]??? 在t₅時(shí)刻，勵(lì)磁電流為零，D₁，D₄關(guān)斷，v_c1=v_c2=0。結(jié)電容C_s1,C_s2上的電壓通過主變初級電感開始放電，勵(lì)磁電流從零開始反方向增加，當(dāng)結(jié)電容電壓下降到V_in/2時(shí)，開關(guān)狀態(tài)6結(jié)束。它的持續(xù)時(shí)間為

??? t_5－6=t₆－t₅=T_M/4??? T_M=2π

??? 此時(shí)勵(lì)磁電流達(dá)到負(fù)向最大值為I_M－。

??? 7）狀態(tài)7[t₆－t₇]??? 在此狀態(tài)下，結(jié)電容電壓v_cs1,v_cs2有繼續(xù)下降的趨勢，那么原邊繞組電壓將會(huì)為正，同樣副邊繞組電壓也變成正，使整流二極管D₇導(dǎo)通，由于原邊電流很小，不足以提供負(fù)載電流，因此續(xù)流二極管D₈繼續(xù)導(dǎo)通。在這段時(shí)間里，D₇和D₈同時(shí)導(dǎo)通，將副邊繞組箝位在零位，因此原邊繞組電壓也為零。

??? 在t₇時(shí)刻，開通S₁，S₂，開始下一個(gè)開關(guān)周期。

??? 由圖2波形可以看出，當(dāng)S₁，S₂開通時(shí)，E_c通過S₁，C₁，L_s，D₆，C₂，S₂形成諧振回路，使C₁，C₂充電為V_in，這一過程的持續(xù)時(shí)間為諧振半周期，它必須小于S₁，S₂的最大開通時(shí)間并留有足夠的余量。流過L_s的最大諧振電流I_p=，這個(gè)電流將流經(jīng)S₁，S₂，如果L_s選得過小或C₀選得過大，則過大的I_p將會(huì)造成主功率管的附加損耗增大。所以在選取L_s，C₀過程中，要求轉(zhuǎn)換時(shí)間，比主功率管的最大開通時(shí)間小，以及對主功率管的電流附加值不大，在這一原則下，選取最大的C₀和最小的L_s，以獲得最佳的緩沖效果和最低的成本。

3??? 結(jié)語

??? 上述電源電路是一種實(shí)用的高效率變換電路，要使它正常工作必須考慮以下因素：

??? 1）主電路開關(guān)周期特別是主功率管的最大開通時(shí)間必須遠(yuǎn)大于緩沖電路轉(zhuǎn)換時(shí)間；

??? 2）緩沖電感必須足夠大，使流過其中的峰值電流遠(yuǎn)小于開關(guān)管工作電流，以減輕開關(guān)管的附加損耗；

??? 3）適當(dāng)選取緩沖電容容量，綜合平衡緩沖電路轉(zhuǎn)換時(shí)間，緩沖電感中的峰值電流以及緩沖效果之間的矛盾關(guān)系。