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双管反激变换器研究分析


摘要:研究了基于峰值电流模式的双管反激变换器,分析了它的工作原理,说明了它在高压输入场合的优点。
关键词:反激变换器;峰值电流控制;双管反激

引言

反激变换电路由于具有拓扑简单,输入输出电气隔离,升/降压范围广,多路输出负载自动均衡等优点,而广泛用于多路输出机内电源中。在反激变换器中,变压器起着电感和变压器的双重作用,由于变压器磁芯处于直流偏磁状态,为防磁饱和要加入气隙,漏感较大。当功率管关断时,会产生很高的关断电压尖峰,导致开关管的电压应力大,有可能损坏功率管;导通时,电感电流变化率大。因此在很多情况下,必须在功率管两端加吸收电路。

双管反激变换电路,在功率管关断时,由于变压器漏感电流流过续流二极管反馈给电源的嵌位作用,而使功率管的电压应力和输入电压相等。可见在高压输入场合双管反激电路有其特有的优点。



1 电路分析

在稳态工作条件下,为了简化分析,假设所有开关器件都是理想的;漏感Lr远小于励磁电感Lm;L2为变压器副边等效电感;电路工作在CCM模式。

电路共有4个工作模式。

——模式1[t0-t1]在S1和S2开通后的t0时刻,输入直流电压Uin作用于Lr和Lm上,D1和D2关断,漏感电流iLr线性上升,则有

iLr(t)=iLr(t0)+[Uin/Lr+Lm](t-t0) (1)

D1和D2承受反压为Uin,而D3承受反压为Uo+(N2/N1)Uin,iL2=0,由滤波电容C向负载供电。

在t1时刻漏感电流iLr为

iLr(t1)=iLr(t0)+[Uin/(Lr+Lm)](t1-t0) (2)

——模式2[t1-t2]在t1时刻关断S1和S2,由于电感电流不能突变,感应电势反向,D1和D2导通钳位使S1和S2承受正压为Uin;同时D3导通,副边电流iL2形成。原边电流iLr线性下降,即

在t2时刻原边电流

iL2(t2)=(N1/N2[iLr(t1)]-(N1Uo/N2Lm)(t2-t1)]=0 (5)

——模式3[t2-t3]在t2时刻D1和D2中的电流和漏感电流iLr下降到0,iL2达到最大。此后iL2线性下降,

iL2(t)=iL2(t2)-(UO/L2)(t-t2) (6)

在t3时刻

iL2(t3)=iL2(t2)-(UO/L2)(t3-t2) (7)

在此阶段D1和D2承受反压为,S1和S2承受正压为。

——模式4[t3-t4]在t3时刻开通S1和S2,输入电压Uin直接作用于Lr和Lm上,漏感电流iLr从0开始线性上升,

iLr(t)=(Uin+(N1/N2)/Lr)(t-t3) (8)

此时D3仍导通,给电容C充电和向负载供电,iL2(t)以更大的斜率线性下降,为漏感电流iLr减去励磁电感Lm上电流。

iL2(t)=N1/N2[ils(t)-(N1/N2)/LmUo(t-t3)] (9)

iLr(t)=[Uin+(N1/N2)Uo]/Lr(t-t3) (10)

在t4时刻D1和D2反压由上升到Uin,iLr(t)上升到励磁电流iLm,iL2(t)=0,D3反偏,开始新的PWM周期。

由上述分析可知,双管反激变换器具有以下优点:

——续流二极管将漏感能量回馈给电源;

——有效抑制关断电压尖峰,使开关管电压应力为输入电压;

——不需要额外的吸收电路。



2 控制系统结构

采用峰值电流控制模式。由于引入电流反馈,使系统性能具有明显的优点[3]:

——具有良好的线性调整率,反应速度快;

——消除输出滤波电感带来的极点,使二阶系统变为一阶系统,稳定性好;

——固有逐个脉冲电流限制,简化了过载保护和短路保护。

电流型也有缺点,在占空比>50%时,必须进行电流斜坡补偿,否则系统不稳定[1]。本文采用控制芯片UC3844[4],占空比<50%。


3 实验结果

利用以上分析结果,设计了一台机内稳压电源。输入360~450V;输出+15V(1A),-15V(0.2A),

+25V(0.2A)3路,+25V(0.4A);开关工作频率为100kHz,最大占空比Dmax=0.45;功率45W。变压器用铁氧体R2KBD,罐型GU30,按反激变压器设计原则设计[1]。

从图中可以看出功率管的电压应力等于输入电压,续流二极管两端电压和分析结果也相同。可见双管反激拓扑在高压输入场合有其独特优越性。原边电流有尖峰是由于副边整流二极管反向恢复造成。



4 结语

原理分析和实验结果的一致性,表明双管反激变换器特别适用于高压输入场合,它减少了器件的电压应力,为功率管的选取和保护创造了有利条件,增加了系统的可靠性。因此,适于应用于高压输入的中小功率场合。