高壓雙管反激變換器的設(shè)計(jì)

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高壓雙管反激變換器的設(shè)計(jì)

一、高壓雙管反激變換器的設(shè)計(jì)
反激變換器具有電路拓?fù)浜?jiǎn)單,輸入輸出電氣隔離,電壓升降范圍寬,易于多路輸出等優(yōu)點(diǎn),是輔助開關(guān)電源的理想選擇。輸入電壓不是很高的電路,通常采取單端反激的設(shè)計(jì)方法,但輸入電壓較高時(shí)不適用。如三相輸入380VAC,經(jīng)橋式整流后為510VDC,采用單端反激電路,由于反激電壓、輸入電壓的變化范圍、輸出輕載狀況,開關(guān)管上承受的峰值電壓將非常大,而目前市場(chǎng)上適合于這種高壓的場(chǎng)效應(yīng)管非常少。因此本文提出了雙管反激的設(shè)計(jì)思路,用兩只開關(guān)管替代單管,同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,并在電路中采用鉗位二極管,在反激過程中把開關(guān)管承受的峰值電壓鉗制在輸入電源電壓,大大降低了每個(gè)開關(guān)管上的電壓應(yīng)力,擴(kuò)大了開關(guān)管的選擇范圍,也保留了反激電路的優(yōu)點(diǎn)。這里主要介紹該電路的工作原理,控制電路的實(shí)現(xiàn),關(guān)鍵電路參數(shù)的設(shè)計(jì),以及設(shè)計(jì)實(shí)例和試驗(yàn)結(jié)果。

1 電路拓?fù)?br /> 本設(shè)計(jì)的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中，當(dāng)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，DC電源和變壓器初級(jí)組成回路，變壓器初級(jí)的電流上升，變壓器的磁通密度從初始的剩余磁通Br上升到峰值Bw，并將能量存儲(chǔ)在變壓器中，這時(shí)，由于次級(jí)的二極管VD3的截止作用，使得變壓器不能向次級(jí)傳送能量；而當(dāng)VT1和VT2同時(shí)關(guān) 斷的時(shí)候，由于反激的作用，變壓器初級(jí)的電壓反向，鉗位二極管VD1和VD2導(dǎo)通，以把原邊繞組的反激電壓和開關(guān)管上的電壓鉗制在電源電壓Vdc。此時(shí)，存儲(chǔ)在變壓器的能量一部分向副邊傳遞，另一部分通過鉗位二極管返回給電容C1和C2。因而在反激時(shí)間內(nèi)，變壓器的磁通密度從峰值Bw下降到剩余磁通Br。經(jīng)過一段時(shí)間，VT1和VT2又同時(shí)開通，以進(jìn)入下一個(gè)周期。整個(gè)電路通過連續(xù)地開關(guān)VT1和VT2，就可以得到穩(wěn)定的直流輸出。

由于實(shí)際電路的分布參數(shù)以及開關(guān)管VT1和VT2的屬性并非完全相同，所以，VT1和VT2不是完全同時(shí)開關(guān)。當(dāng)VT1先關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)T1、VT2 和VD2組成回路續(xù)流，而當(dāng)VT2關(guān)斷時(shí)，變壓器儲(chǔ)存的能量將向次級(jí)傳送；同理，當(dāng)VT2先關(guān)斷，變壓器初級(jí)T1、VT1和VD1將組成回路續(xù)流，并當(dāng) VT1關(guān)斷時(shí)，變壓器存儲(chǔ)的能量向次級(jí)傳送。
與一般采用單管加控制芯片的開關(guān)電源不同的是，本設(shè)計(jì)采用了上下兩個(gè)MOSFET，這樣做的目的一是可以降低每個(gè)開關(guān)管上承受的電壓，二是兩個(gè)開關(guān)管不需要采用兩個(gè)控制芯片來控制，而只用一個(gè)PWM波就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)管的同時(shí)開通和關(guān)斷。

圖2所示是本設(shè)計(jì)的主電路圖，圖中，D1和D2主要防止由于反激電壓串入DC電源引起DC電壓波動(dòng)，R1和R2取值相同，C1和C2的容值屬性均相同，這樣一方面可以平衡C1和C2上的電壓，另一方面可以降低C1的C2的耐壓。VT1和VT2共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，故可實(shí)現(xiàn)同時(shí)開通和關(guān)斷。 R3為采樣電阻，該主電路采用的是峰值電流控制模式。VT4的作用主要是外加保護(hù)。輔助繞組的設(shè)計(jì)主要是為控制電路供電。次級(jí)整流二極管后加π型濾波器的效果要比只用電容濾波更好，R4為假負(fù)載，主要是防止開關(guān)電源的空載。R5，R6，tl431，pc817和R7共同組成反饋電路。

2 控制電路的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用SG6841高集成環(huán)保模式PWM控制器，該控制器采用電流模式(逐周期電流限制)的工作方式，可以實(shí)現(xiàn)軟驅(qū)動(dòng)圖騰柱輸出的可調(diào)控的PWM波形，其輸出電壓可達(dá)18 V，足以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路MOSFET。本設(shè)計(jì)還在PWM輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)信號(hào)耦合變壓器，這樣可用同一個(gè)PWM信號(hào)來控制兩個(gè)MOSFET，使Q1和Q2同時(shí)開通和關(guān)斷，還可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)MOSFET信號(hào)的隔離。另外，該控制器也可以提供欠壓鎖定和過溫保護(hù)功能，當(dāng)VDD小于10 V時(shí)，控制器內(nèi)部將鎖定，不再向外發(fā)送PWM波。
本設(shè)計(jì)采用負(fù)載繞組給控制芯片SG6841供電，從主電路可知，輔助繞組和次級(jí)繞組處在相同的工作方式下，這在設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候只要根據(jù)次級(jí)輸出就可以確定輔助繞組的設(shè)計(jì)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在雙管反激電路中，兩個(gè)開關(guān)管中間有一個(gè)懸浮地，因而不能直接驅(qū)動(dòng)，所以，這里采用變壓器隔離驅(qū)動(dòng)方法來使VT1和 VT2公用同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
圖3所示是本設(shè)計(jì)的控制芯片電路及驅(qū)動(dòng)電路，圖中，R3接在直流電壓DC端主要用來啟動(dòng)，當(dāng)流入3腳的電流足夠啟動(dòng)芯片的時(shí)候，芯片8腳Gate輸出 PWM波，從而使主電路導(dǎo)通，電源開始工作。R4主要確定芯片輸出PWM波的頻率，R5和C5組成電流采樣的匹配網(wǎng)路。由于芯片采用逐周峰值電流工作方式，故在初級(jí)線圈電流達(dá)到峰值時(shí)，芯片將關(guān)斷PWM波，變壓器向次級(jí)傳送能量。

圖4所示是其系統(tǒng)中的輸入欠壓和輸出過壓保護(hù)電路。由于本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用了輸入過壓和輸入欠壓保護(hù)，故當(dāng)輸入高于750 V或低于120V時(shí)，比較器的2腳電壓值會(huì)高于2．5 V或比較器的5腳會(huì)低于2．5 V，本設(shè)計(jì)采用精密可調(diào)線性穩(wěn)壓器TL431來產(chǎn)生2．5 V的基準(zhǔn)源，并分別給比較器的3腳和6腳供電，這樣，在比較器的1腳或7腳就會(huì)產(chǎn)生低電平，Q5由于基級(jí)電壓過低而截止，線性光耦U5的發(fā)光二極管不能發(fā) 光。這時(shí)，由于Q4S接到輸出儲(chǔ)能電容上，Q4C和Q4S不能組成通路，所以，加在Q4管的GS間的電壓Ugs為零，開關(guān)管Q4關(guān)斷，電源不能向后面負(fù)載供電，從而實(shí)現(xiàn)欠壓和過壓保護(hù)功能。

3 電路變壓器的設(shè)計(jì)
采用兩個(gè)開關(guān)管串聯(lián)不會(huì)影響主電路中變壓器的設(shè)計(jì)，故可根據(jù)《開關(guān)電源設(shè)計(jì)指南》中相關(guān)介紹來計(jì)算變壓器參數(shù)，本設(shè)計(jì)選用TDK公司的PC40EE25高頻磁性材料作為鐵芯，變壓器的參數(shù)計(jì)算如下：

根據(jù)反激式變壓器的伏秒面積相等原理可知：

式中，Ac為有效磁芯面積，單位為cm2，Bmax為較大磁通密度，單位為G(高斯Wb／cm2)。

二、雙管反激電源的優(yōu)勢(shì)
雙管反激電源較之單管反激有更多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在100W以上的應(yīng)用較之其它拓樸更可靠、易生產(chǎn)、并低成本。
1、效率高，有PFC時(shí)可更好優(yōu)化。
2、適合特高電壓輸入，如380V輸入。
3、主開關(guān)管電壓應(yīng)力小。
4、無輸出儲(chǔ)能電感，并且輸出紋波低
5、比普通反激更易適應(yīng)100W以上功率輸出。

三、雙管正激和雙管反激的區(qū)別主要是什么
雙管只是電壓應(yīng)力低一點(diǎn)。
本質(zhì)上單雙管原理一樣的。
磁芯工作方式不同，正激直接傳遞能量，但會(huì)有激磁電流，需要磁復(fù)位。
反激不能直接傳遞能量，是先儲(chǔ)能再傳遞，沒有磁復(fù)位過程，傳遞的時(shí)候自動(dòng)復(fù)位。

四、什么是雙管反激式DC/DC變換器
雙管反激變換器的本質(zhì)與單管反激變換器完全一樣。
只是借鑒了雙管正激的電路結(jié)構(gòu)，將其套用在反激電路上。
雙管反激與傳統(tǒng)的單管反激電路相比優(yōu)缺點(diǎn)與正激變換器極為相似，具體如下：
優(yōu)點(diǎn)：1.理論上每只開關(guān)管的耐壓只要不低于輸入電壓即可。對(duì)輸入電壓較高時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯。
2.開關(guān)管不需要RCD或TVS吸收鉗位，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)漏感能量通過二極管返回到Vin。
所以發(fā)熱較少，提高效率。
缺點(diǎn)：1.需要兩只開關(guān)管，由于增加上管及其驅(qū)動(dòng)電路造成電路復(fù)雜，成本提高。
2.占空比必須嚴(yán)格控制在50%以內(nèi)，設(shè)計(jì)靈活性降低。
如果占空比超過50%則變壓器無法復(fù)位造成變換器保護(hù)。（嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞）。
鑒于上述優(yōu)缺點(diǎn)，所以限制了雙管反激變換器的應(yīng)用范圍。
只有輸入電壓很高比如800V以上時(shí)才會(huì)考慮這種電路結(jié)構(gòu)。

另外還有一種雙管反激變換器，這種變換器將變壓器放到較上端，中間和低端各用一只中等耐壓的開關(guān)管，兩只開關(guān)管串聯(lián)。下端開關(guān)管采用常規(guī)電路驅(qū)動(dòng)，中間的開關(guān)管只需將柵極接到一個(gè)浮動(dòng)的高壓即可，相當(dāng)于源極驅(qū)動(dòng)。這種電路結(jié)構(gòu)由于不需要額外的上管驅(qū)動(dòng)所以應(yīng)用范圍更多些。這種電路占空比可以超過50%，但也需要相應(yīng)的提高開關(guān)管的耐壓。

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| 發(fā)布時(shí)間：2017.08.23 來源：電源廠

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