反激式开关电源的零电压开关设计

反激式开关电源以电路简单电磁干扰相对小而得到广泛应用,对开关电源的输出电压尖峰和EMI也提出了更高的要求,通常减小EMI的方法主要是采用自激型反激式开关电源,用开关速度相对慢的双极晶体管作为主开关;加大缓冲电路电容量来降低关断过程的dz/dt,di/dt产生的EMI用减缓导通过程减小开通EMI,付出的代价是电源效率下降,发热量大,可靠性下降。因而需要一种低EMI,高效的反激式开关电源,软开关反激式开关电源,便是比较理想的解决方案。

  1 零电压开关

  零电压开关反激式开关电源主电路如图1

  

  主要波形 如图2,电路工作过程分为四个阶段:开关管关断及缓冲电路作用阶段,变压器释放储能阶段,缓冲电路复位阶段,开关管导通阶段。

  1.1 开关管关断及缓冲电路作用阶段

  

  图 2波 形 中,t。一t。期间为开关管关断及缓冲电路作用阶段,等效电路如图3,在t。时刻控制电路将开关管关断,变压器初级电流由开关管向缓冲电容器转移,开关管电流下降,缓冲电容器电流上升,开关管电流下降,直到零变压器初级电流全部转移到缓冲电容器,等效电路如图3,开关管的关断过程结束开关管关断过程的长短取决于开关管自身特性和控制电路,一般为开关周期的1/100 - 1/201〕或百纳秒左右。由于缓冲电容器上的电压不能跃变,使开关管关断过程中漏、源电压很低接近于零,实现了“零电压。关断。为确保“零电压”关断,缓冲电容器应取较大值,这样开关管在关断过程结束时缓冲电容器电压仍为很小值,变压器初级电压极性没有改变,输出整流二极管阳极反向电压不能导通,变压器初级电流仍需流过缓冲电容器,直到缓冲过程结束。缓冲过程的持续时间约为开关周期1/20左右,与开关周期相比相对很短,变压器初级电流变化很小,为分析方便可以认为变压器初级电流不变,这样缓冲电容器电压为:

  

  其中Ics为t1时刻变压器初级电流值,可近似为t0时刻值。当级冲电容器电压上升到( VR为稳压电源输出电压反射到变压器初级侧电压值)后,即t2时刻,输出整流二极管导通,变压器储能经输出整流二极管想输出端释放,变压器初级电流为零。电路进入变压器释放储能阶段。

  1.2 变压器释放储能阶段

  变压器通过次级绕组、输出整流二极管向输出端释放储能。变压器次级电流为:

  变压器次级电流降到零,变压器储能全部释放,输出整流二极管自然关断,电路进人缓冲电路复位阶段。

 1.3 缓冲电路复位阶段

  缓冲电路复位阶段对应t3-t4期间为使缓冲电容器在下一个开关周期能起到缓冲作用,保证开关管“零电压”关断和“零电压”开通,需将缓冲电容器放电,将电荷全部泄放,即复位。与有损耗缓冲电路不同,无损耗缓冲电路采用LC谐振方式将缓冲电容器复位,本文电路的复位电感为变压器初级电感。电路如图5。

        当变压器储能释放尽,由于缓冲电容器上电压vcn高于电源电压Ein,缓冲电容器通过变压器初级电感以LC谐振方式将缓冲电容器电压复位,由于复位过程缓冲电容器电压将低于Ein+VR ,输出整流二极管自然关断,等效电路为:

  1.4 开关管导通阶段

  开关管导通阶段为t3-t4阶段,当缓冲电容器上电压降到零或最低时,开关管在零电压或最低电压导通,变压器电流上升,等效电路如图6

  

  变压器初级电流为

  

  2、控制方式

  

  反激式开关电源工作在电流断续模式时,稳压过程遵守能量守衡原理,即式(7),由式(7),(8)得

  

  由( 9) ,( 10)或可知,调节输出功率、稳定输出电压可以调节导通时间或占空比或调频方式或几种方式综合应用。当输出功率下降或电源电压上升,导通时间减小,反之导通时间增加;随输出功率的增加或减小变压器初次级电流峰值均增加或减小,由式(3)可知变压器的释放储能时间也随之增加或减少,为实现“零电压”开关,变压器不能工作在间歇状态,因此F%IM控制方式不能满足本文电路的“零电压”开通的要求。基于 上 述 工作条件的约束,本文电路应采用输出电压反馈控制导通时间,用“零电压”检测控制开关管导通时刻,即调频、 调占空比工作方式。具体电路可以采用通用器件组合,如图70

  

  3 电路性能分析

  本文提出的“零电压”开关方式。复位过程也无损耗,基本消除了开关过程中的开关损耗,因此效率高,通常高于85%相对有损耗缓冲电路整机电源效率高5-10%,不仅如此由于“零电压”开关在开通过程中基本上实现了零电压开通,同时电感电流也为零,使开通过程既无能量交换(包括寄生参数的能量交换)又使输出整流二极管在缓冲电路复位过程中有充分时间和缓变电压下缓慢反向恢复,开通时刻因寄生振荡所产生的输出电压尖峰和EMI大幅度降低,由于零电压关断和较大容t缓冲电容器使关断过程避免了大的dv/dt,抑制了变压器漏感和二极管开通造成的寄生振荡,因而开关管关断时刻的输出尖峰电压和EMU也很小,基本上消除了常规有损耗缓冲电路对以致开关电压尖峰抑制现象。

  尽管电路原理分析可以实现“零”或极低的输出电压尖峰和EMU,实际上由于各种原因的寄生振荡仍然存在,在开关过程中也会产生不同程度的输出电压尖峰和E闭,因此适当减缓开关过程有时是必要的,也可以采用开通过程的比例驱动。由于零电压开关消除了变压器储能释放尽后缓冲电容器与变压器初级电感的寄生振荡,有利于减小变压器的损耗。本文 提 出 的反激式开关电源零电压开关电路的过电流保护应采用逐周峰值电流限制方式,在过电流状态下将不是零电压开关,开关损耗将增加,因此应辅之以“打隔”保护方式。

 


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