低(di)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)開(kai)關電(dian)源的設計

1 引言(yan)
　　　
　　為(wei)了(le)以(yi)低的功(gong)耗(hao)獲得的速度(du)和(he)佳的能，要求電(dian)源電(dian)壓(ya)越來(lai)越低(di)，瞬(shun)態能指標越來(lai)越，因(yin)此對(dui)開(kai)關電(dian)源提出了(le)越來(lai)越的(de)要(yao)求(qiu)。用原有的電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)及(ji)整流方式(shi)已(yi)不能現(xian)在(zai)的(de)要(yao)求(qiu)，為(wei)了(le)適(shi)應(ying)IC芯(xin)片發展(zhan)的需(xu)要(yao)，人(ren)們開(kai)始研究(jiu)新的電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)。因為(wei)輸出(chu)電(dian)壓(ya)很低(di)，所(suo)以(yi)，同步整流自(zi)然成為(wei)這種(zhong)低壓(ya)大電(dian)流(liu)電(dian)源的必(bi)然選擇(ze)，考(kao)濾(lv)到(dao)產(chan)品(pin)的復(fu)雜程(cheng)度(du)及(ji)產(chan)品(pin)，同步整流般選擇(ze)自(zi)驅(qu)動(dong)同步整流，能與自(zi)驅(qu)動(dong)同步整流電(dian)路(lu)較好結(jie)合的(de)拓(tuo)撲(pu)大致(zhi)有三種：有源箝位(wei)正激變換(huan)器；互補(bu)半橋(qiao)變換(huan)器；兩結(jie)構(gou)變換(huan)器。與(yu)兩結(jie)構(gou)變換(huan)器相(xiang)比(bi)，有源箝位(wei)變換(huan)器和(he)互補(bu)半橋(qiao)變換(huan)器所(suo)用器件少(shao)，具(ju)有吸引力(li)。這兩種(zhong)變換(huan)器拓(tuo)撲(pu)實(shi)現(xian)軟開(kai)關，工作頻率(lv)可(ke)以(yi)；變壓器的(de)磁芯(xin)可(ke)以(yi)雙向磁化，磁芯(xin)的(de)利(li)用率(lv)。針(zhen)對次(ci)整流電(dian)源輸出的-48V（36～72V）電(dian)壓(ya)，輸入(ru)電(dian)壓(ya)在(zai)較大（36～72V）的(de)範(fan)圍(wei)內變化時，互補(bu)的(de)半橋(qiao)電(dian)路(lu)副邊所(suo)得到(dao)的驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)變化範(fan)圍(wei)太大，已不能適(shi)用來(lai)驅(qu)動(dong)MOSFET管(guan)。因(yin)此，有源箝位(wei)自(zi)驅(qu)動(dong)同步整流正激變換(huan)器是(shi)低(di)壓(ya)大電(dian)流(liu)開(kai)關電(dian)源必(bi)然選擇(ze)的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)。

2　有源箝位(wei)同步整流正激變換(huan)器的(de)拓(tuo)撲(pu)分析(xi)
　
　　有源箝位(wei)同步整流正激變換(huan)器的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)如圖(tu)1所(suo)示，DC-DC有源箝位(wei)ZVS-PWM正激變換(huan)器在(zai)穩(wen)態運行(xing)時，個開(kai)關周(zhou)期內的主要參(can)量波形(xing)如圖(tu)2。個(ge)開(kai)關周(zhou)期內大(da)致(zhi)可(ke)分為(wei)四個(ge)運行(xing)模(mo)式(shi)，即(ji)：1）to

圖1　有源箝位(wei)同步整流正激式(shi)電(dian)路(lu)圖

　　1 模(mo)式(shi)1 （t0

　　在(zai)主(zhu)開(kai)關S1開(kai)通前(qian)，箝位(wei)電(dian)容(rong)上的電(dian)壓(ya)為(wei)Vc1=DVin/（1-D）（為(wei)下正上負）。這(zhe)階(jie)段(duan)，箝位(wei)開(kai)關S2關斷，箝位(wei)電(dian)容(rong)電(dian)流(liu) ic1=0。 S1導通(tong)後，S1開(kai)關管的漏電(dian)位(wei)VD=0，變壓器磁芯(xin)正向激磁，激磁電(dian)流(liu)im由第(di)三象限的(de)-Im向*象限+Im過(guo)渡(du)，iL1=im+Io/N,N為(wei)變壓器原副邊繞(rao)組匝(za)數(shu)比(bi)N1/N2。變壓器原邊繞(rao)組電(dian)壓(ya)VP=VS，能量由輸(shu)入電(dian)源Vin經(jing)過(guo)變壓器傳送(song)到(dao)負載(zai)。

　　2 模(mo)式(shi)2　（t1

　　S1斷(duan)開(kai)，S2仍關斷。磁場能量對S1輸(shu)出電(dian)容(rong)Cs充(chong)電(dian)。ip由(you)Io/N降(jiang)到(dao)零(ling)，iL1=im+ip,im≈Im；ic1<0。VD由0上升(sheng)到(dao) Vin+Vc1， Cs電(dian)壓(ya)達到(dao)Vin+Vc1，S1上的電(dian)壓(ya)被(bei)箝位(wei)在(zai)這(zhe)水平(ping)；變壓器原邊繞(rao)組電(dian)壓(ya)VP從Vin變化到(dao)Vin–VD=-Vc1。 Vc1=DVin/（1-D）保(bao)持(chi)不(bu)變。

　　3 模(mo)式(shi)3　 （t2

　　主(zhu)開(kai)關S1關斷，S2開(kai)通前(qian)，由於(yu)VD為(wei)正，箝位(wei)開(kai)關S2隨之可(ke)以(yi)ZVS開(kai)通，箝位(wei)電(dian)路(lu)運行(xing)。箝位(wei)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)Vc1=DVin/（1-D），由於(yu)變壓器磁場能量對箝位(wei)電(dian)容(rong)儲能的交(jiao)換(huan)過(guo)程(cheng)，使該電(dian)壓(ya)有變化，Vc1=Vc1+ΔV，ΔV表示(shi)充(chong)放(fang)電(dian)過(guo)程(cheng)中(zhong)箝位(wei)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)紋波(bo)，主(zhu)開(kai)關電(dian)壓(ya)箝定(ding)在(zai)Vc1+Vin水平(ping)。箝位(wei)電(dian)容(rong)電(dian)流(liu)-ic1=im=iL1;ip=0,im由*象限的(de)+Im向第(di)三象限-Im過(guo)渡(du)，也即磁通復(fu)位(wei)過(guo)程(cheng)。

　　4 模(mo)式(shi)4　（ t3

　　S1，S2關斷，磁場能量使S1結(jie)電(dian)容(rong)放(fang)電(dian)， VD由(you)Vin+Vc1下降(jiang)到(dao)零(ling)，創造(zao)了(le)S1的ZVS條(tiao)件。箝位(wei)電(dian)路(lu)斷開(kai)，ic1→0。iL1=im=-Im，ip=0。變壓器原邊繞(rao)組電(dian)壓(ya)Vp則從-Vc1變化到(dao)Vin。Vc1=DVin/（1-D）保(bao)持(chi)不(bu)變。

　　S1導通(tong)時間為(wei)DTs，變壓器原邊繞(rao)組承受電(dian)壓(ya)為(wei)Vin；S1關斷時間為(wei)（1-D）Ts，變壓器原邊繞(rao)組承受電(dian)壓(ya)為(wei)-Vc1。由伏秒平(ping)衡關系可得：DTsVin=（1-D）Vc1，即Vc1=DVin/（1-D）。
 

圖(tu)2　有源箝位(wei)同步整流正激變換(huan)器的(de)主(zhu)要(yao)參量波形(xing)

　　有源箝位(wei)正激變換(huan)器變壓器磁芯(xin)工作在(zai)雙向對稱磁化狀態，提(ti)了(le)磁芯(xin)的(de)利(li)用率(lv)，箝位(wei)電(dian)容(rong)的穩(wen)態電(dian)壓(ya)隨開(kai)關占(zhan)空比(bi)而(er)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)，因而(er)占(zhan)空比(bi)可(ke)大(da)於 0.5；Vo時，主開(kai)關管ֻ輔(fu)助開(kai)關應(ying)力(li)隨Vin的變化不大(da)；所以(yi)，在(zai)占(zhan)空比(bi)和(he)開(kai)關應(ying)力(li)允許(xu)的範(fan)圍(wei)內，能夠(gou)適(shi)應(ying)輸(shu)入電(dian)壓(ya)較大變化範(fan)圍(wei)的情況。不(bu)足之(zhi)處(chu)是增(zeng)加了(le)個管(guan)子，使得(de)電(dian)路(lu)變得復(fu)雜。

3 電(dian)路(lu)參數(shu)的(de)設計與(yu)計算(suan)公(gong)式(shi)

　　主(zhu)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)如圖(tu)1 所(suo)示，它(ta)的(de)箝位(wei)電(dian)容(rong)電(dian)壓(ya)為(wei)：Vc1=DVin/（1-D），箝位(wei)電(dian)容(rong)的耐(nai)壓(ya)要大(da)於(yu)此值(zhi)，容量只(zhi)要足夠(gou)大(da)即(ji)可(ke)電(dian)路(lu)的正常工作，在(zai)制(zhi)作中(zhong)，選用的(de)箝位(wei)電(dian)容(rong)容量為(wei)47μF。芯(xin)片選用UC3823N實(shi)現(xian)PWM，芯(xin)片開(kai)關電(dian)流(liu)加上斜(xie)波信(xin)號（由(you)PWM輸(shu)出(chu)信(xin)號14腳(jiao)生產(chan)）送(song)至芯(xin)片的電(dian)流(liu)端（7腳(jiao)）；電(dian)壓(ya)信(xin)號經(jing)取(qu)樣(yang)電(dian)阻分壓(ya)和(he)誤差(cha)放(fang)大(da)器補(bu)償(chang)產(chan)生輸(shu)出(chu)信(xin)號（3腳(jiao)），此信(xin)號與(yu)7腳(jiao)信(xin)號比(bi)較後產(chan)生輸(shu)出(chu)占(zhan)空比(bi)信(xin)號PWM,再(zai)由脈沖(chong)變壓器和(he)原邊驅(qu)動(dong)器UC1707產(chan)生兩列(lie)互補(bu)驅(qu)動(dong)且(qie)死(si)區(qu)可(ke)調的脈沖(chong)驅(qu)動(dong)變換(huan)器的(de)主(zhu)管(guan)S1和(he)箝位(wei)管S2。合(he)適(shi)的(de)參(can)數(shu)設計，尤其是(shi)電(dian)壓(ya)補(bu)償(chang)器及(ji)斜(xie)波補(bu)償(chang)的(de)選擇(ze)將(jiang)使系(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)地工作。

　　論分(fen)析(xi)及(ji)實(shi)踐(jian)，在(zai)設計有源箝位(wei)同步整流正激變換(huan)器時，需(xu)要(yao)計算(suan)參(can)數(shu)，在(zai)實(shi)踐(jian)過(guo)程(cheng)中(zhong)，總結了(le)套如何(he)設計變換(huan)器的(de)公(gong)式(shi)，以(yi)下給出(chu)這(zhe)些公(gong)式(shi)，以(yi)便於參(can)考(kao)。另外還(hai)要註(zhu)意(yi)，用公(gong)式(shi)計算(suan)出(chu)來的值(zhi)還要(yao)留出適(shi)當(dang)的(de)裕(yu)度(du)，以(yi)電(dian)源的。

　　（1）變壓器的(de)初(chu)匝(za)數(shu)N1

　　　　　　　　　　　　　　　　　 N1=U·D·104/f·△Bm·Ac

　　其(qi)中(zhong)　U為(wei)輸入(ru)電(dian)壓(ya)；D為(wei)占(zhan)空比(bi)； f為(wei)開(kai)關頻率；△Bm為(wei)磁感應(ying)增(zeng)量；Ac為(wei)磁芯(xin)的(de)面積。

　　（2）變壓器的(de)次(ci)匝(za)數(shu)N2
　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　N2=N1·Vo/D
　　　　
　　其(qi)中(zhong)　Vo為(wei)輸出(chu)電(dian)壓(ya)。
　　　
　　（3） 初(chu)電(dian)感量Lprim的確定(ding)
　　　　　　
　　　　　初(chu)電(dian)感量Lprim由下(xia)式(shi)決定(ding)
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　 Lprim=uo·ua·N12·Ae/le
　　　　　　
　　式(shi)中(zhong)，uo為(wei)真(zhen)空磁導率(lv)；ua是振幅磁導率(lv)；N1是初(chu)繞組匝(za)數(shu)；Ae是(shi)磁芯(xin)的(de)截(jie)面(mian)積(ji)；le是(shi)磁路長(chang)度(du)。

　　（4）　輸出(chu)電(dian)壓(ya)
　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　 Vo=D·Vin·N1/N2

　　（5） 輸出(chu)電(dian)感L和(he)電(dian)容(rong)C的計算(suan)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 L=2.5R/f

　　取(qu)IL（peak）=1.1Io

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　C=△IL/8f△Vo

　　　　　　　　　　　　　　　　　　ESR（max）=△Vo/△IL

　　其中(zhong) △IL=0.2Io

　　（6） 導線(xian)的(de)參(can)數(shu)

　　　　導線(xian)的(de)截(jie)面(mian)積(ji)與(yu)線(xian)徑(jing)d
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Sm=Ii/J
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　di=1.13Sm1/2

　　其(qi)中(zhong)　Ii為(wei)各繞組(zu)電(dian)流(liu)值（A）；J為(wei)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)，它(ta)是(shi)根(gen)據(ju)銅(tong)損計算(suan)出(chu)來的，根(gen)據(ju)工程(cheng)實(shi)踐(jian)經(jing)驗，導線(xian)的(de)電(dian)流(liu)密(mi)度(du)在(zai)自(zi)然風(feng)冷時選擇(ze)2-4（A/mm2）,而(er)在(zai)強制(zhi)風(feng)冷時選擇(ze)3-5（A/mm2）,其(qi)值(zhi)是(shi)適(shi)宜(yi)的(de)。

　　計算(suan)所(suo)需(xu)導線(xian)直徑時，應(ying)考(kao)慮(lv)趨(qu)膚效應(ying)的(de)影(ying)響。當(dang)導線(xian)直徑大(da)於(yu)2倍(bei)趨膚深(shen)度(du)時，應(ying)盡(jin)可能采用多(duo)股(gu)導線(xian)並(bing)繞。當(dang)用n股(gu)導線(xian)並(bing)繞時，每股(gu)導線(xian)的(de)直經(jing)din按(an)下(xia)列(lie)公(gong)式(shi)計算(suan)：
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 din=di/n1/2

　　銅(tong)線(xian)的(de)趨(qu)膚深(shen)度(du)△有以(yi)下經(jing)驗公(gong)式(shi)：
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 △=66.1/f1/2

　　用上述(shu)公(gong)式(shi)計算(suan)△後(hou)，與di相(xiang)比(bi)較，在(zai)di大(da)於(yu)2△時，應(ying)采(cai)用多(duo)股(gu)導線(xian)並(bing)繞，n的(de)大(da)小(xiao)以(yi)din不大於(yu)2△為(wei)好。

4 同步整流存在(zai)的(de)問(wen)題(ti)及(ji)解決方案(an)
　　　
　　同步整流的基礎是應(ying)用MOSFET替(ti)代二(er)管(guan)整流器，但MOSFET如用為(wei)開(kai)關具(ju)用雙向導通(tong)的特。這特使得(de)含(han)有同步整流的變換(huan)器，在(zai)使用中(zhong)產(chan)生了(le)下述(shu)問(wen)題(ti)。
　　
4.1 應(ying)用同步整流的變換(huan)器並(bing)聯運行(xing)的(de)問(wen)題(ti)
　　　　
　　同步整流般應(ying)用在(zai)低(di)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)情況下(xia)，因而(er)往(wang)往(wang)將(jiang)多(duo)個具(ju)有同步整流的變換(huan)器並(bing)聯使用，當(dang)並(bing)聯的(de)兩個(ge)變換(huan)器輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)不同，且(qie)差(cha)值達(da)到(dao)值時，輸出(chu)電(dian)壓(ya)低的(de)變換(huan)器的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)將(jiang)反向，輸出(chu)電(dian)壓(ya)的變換(huan)器就(jiu)既(ji)給(gei)負載(zai)提(ti)供電(dian)流(liu)又為(wei)輸出(chu)電(dian)壓(ya)低的(de)變換(huan)器提(ti)供電(dian)流(liu)，從而(er)加(jia)大(da)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的變換(huan)器負(fu)荷(he)，結果沒有達到(dao)並(bing)聯增(zeng)大(da)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)的目(mu)的(de)。另外還(hai)有自(zi)振蕩問(wen)題(ti)，這(zhe)將(jiang)導致(zhi)MOSFET的電(dian)壓(ya)應(ying)力(li)增加(jia)，給(gei)變換(huan)器輸(shu)出(chu)帶(dai)來諧波(bo)幹(gan)擾(rao)。對(dui)這個問(wen)題(ti)，我們給(gei)電(dian)源設計了(le)電(dian)壓(ya)調整端，輸出(chu)電(dian)壓(ya)在(zai)範(fan)圍(wei)內連(lian)續(xu)可(ke)調，如用戶(hu)需(xu)要(yao)並(bing)聯運行(xing)，只(zhi)需(xu)將(jiang)電(dian)壓(ya)地調(tiao)整致即可(ke)。
　　
4.2 效率(lv)問(wen)題(ti)
　　　　
　　在(zai)輕載(zai)條(tiao)件下，使用二(er)管(guan)整流器的(de)變換(huan)器會進(jin)入(ru)電(dian)流(liu)不連(lian)續(xu)工件模(mo)式(shi)（DCM），但對於(yu)使用了(le)同步整流的變換(huan)器，由(you)於(yu)MOSFET的(de)雙向導通(tong)，使得(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)繼續(xu)反(fan)向流過(guo)輸(shu)出(chu)電(dian)感，並(bing)形(xing)成環(huan)路(lu)電(dian)流(liu)，造成了(le)多(duo)余的(de)損耗(hao)，了(le)變換(huan)器在(zai)輕載(zai)條(tiao)件下實(shi)現(xian)率(lv)。另外，當(dang)輸入(ru)電(dian)壓(ya)變化時，效率(lv)也(ye)會發生較大的(de)變化。這些都(dou)是(shi)變換(huan)器工作在(zai)不(bu)同的(de)模(mo)式(shi)，造(zao)成了(le)能流回饋(kui)。這些問題(ti)在(zai)文(wen)獻 7中(zhong)有詳細(xi)的(de)論(lun)述(shu)及(ji)解決方案(an)。

5 實(shi)驗結果
　　　　
　　應(ying)用以(yi)上分析(xi)的電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)及(ji)電(dian)路(lu)參數(shu)設計了(le)臺(tai)二(er)次(ci)電(dian)源模(mo)塊，樣(yang)機的參數(shu)如下(xia)：輸(shu)入電(dian)壓(ya)48V（36-72V），輸出(chu)電(dian)壓(ya)/電(dian)流(liu)為(wei)2.1/40A，開(kai)關頻率為(wei)250KHz，變壓器磁芯(xin)選用EC28鐵(tie)氧體，主開(kai)關管S1及(ji)箝位(wei)管S2選用IRF640，同步整流管選用IRL3803S，其(qi)通(tong)態電(dian)阻Rds為(wei) 6mΩ。在(zai)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)為(wei)48V時，滿(man)載(zai)效率(lv)為(wei)85％。經(jing)小(xiao)批量生產(chan)及(ji)電(dian)路(lu)參數(shu)的(de)微(wei)調(tiao)，產(chan)品(pin)的各方面能均達到(dao)要求(qiu)，現(xian)已(yi)開(kai)始批量生產(chan)。

6 結(jie)論

　　本文(wen)介紹(shao)了(le)有源箝位(wei)自(zi)驅(qu)動(dong)同步整流正激變換(huan)器的(de)工作原理，各電(dian)路(lu)參數(shu)及(ji)計算(suan)公(gong)式(shi)，采(cai)用這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)，能很好的(de)實(shi)現(xian)低(di)壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)開(kai)關變換(huan)器。這(zhe)種(zhong)方案(an)實(shi)現(xian)了(le)率ֻ，又實(shi)現(xian)了(le)低壓(ya)大(da)電(dian)流(liu)的輸(shu)出(chu)，了(le)IT行(xing)業(ye)發展(zhan)的需(xu)要(yao)，所以(yi)這種方案(an)具(ju)有大的市(shi)場(chang)應(ying)用價值(zhi)。

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