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加无源无损缓冲吸收的推挽正激变换器设计

中心议题:

  • 推挽正激变换器的工作原理
  • 加无源无损缓冲吸收的推挽正激变换器设计

解决方案:

  • 缓冲吸收电路参数设计


推挽正激变换器是低压大电流输入场合的理想拓扑之一,但其输出整流二极管上由于反向恢复产生很高的电压尖峰。这将导致整流二极管选取困难,并影响其使用寿命。本文研究了一种加无源无损缓冲吸收的推挽正激变换器,整流二极管上尖峰电压小,可靠性高。并给出了该变换器的工作原理和缓冲电容的参数设计,还通过lkW实验样机给出了加缓冲吸收电路前后的实验波形。样机取得了高效率和高可靠性。

0 引言

在输入低压大电流场合,推挽正激变换器(Push-Pull Forward,PPF)因具有以下3方面的优点而得到广泛应用:
(1)输入滤波器的体积和重最小;
(2)箝位电容无损耗地抑制了功率管的电压尖峰;
(3)变压器磁芯利用率高。

在输出高电压时(本文为360V),变压器副边线圈匝数较多,副边漏感不可忽略。在整流二极管反向恢复时间内,整流二极管上存在很高的电压尖峰,给整流二极管的选取带来困难,并降低了整流二极管的可靠性。虽然RC或者RCD缓冲电路可以一定程度上抑制二极管的电压尖峰,但是电阻上损耗较大。文献[3]提出了一种简单的无源无损缓冲吸收电路,可以较好地抑制整流二极管的电压尖峰。

本文将该无损缓冲吸收电路应用于蓄电池供电的推挽正激变换器中,显著降低了整流二极管的电压尖峰。制作的原理样机电路结构简单,功率器件工作可靠性高,并且实现了高的整机变换效率。

1 工作原理

图1为加无损缓冲吸收的PPF电路。Ds1、Ds2分别为开关管S1、S2寄生的反并二极管,变压器的Np1=Np2=Np、Ns1=Ns2=Ns分别为原、副边的匝数,匝比n=Ns/Np,原边两个绕组的励磁电感均为Lm,Lo(图1中未标出)为变压器原边绕组的漏感.Lo’为折算到变压器副边绕组的漏感,D5、D6、D7、C1、C2构成无损缓冲吸收电路,且C1=C2=Cc。变压器副边两个绕组的连接点与输出滤波电容C3和C4的中点相连,输出电压为±V0/2。

在分析电路原理前,假定:
(1)S1、S2,D1、D2、D3、D4导通压降忽略不计;
(2)箝位电容C较大,在稳态工作时两端电压保持为Vin不变;C3=C4=C0足够大,将它看作电压恒定为V0/2的电压源;L1=L2=L足够大,将它看作电流为I0的电流源;
(3)开关周期为Ts,S1、S2每个周期开通时间均为Ton,S1、S2工作的占空比D=Ton/Ts。

根据输出电感的伏秒积分平衡,可得变换器输入输出关系:V0=4nDVin。

图2为加无损缓冲吸收的PPF电路工作原理波形图,一共分为14个工作模态。

(1)工作模态l[t0-t1] 如图3(a)所示,在t0以前,S1和S2都是关断的,输入电流沿回路Vin-Np-C-Np2环流,环流为Ia=2nDI0。原、副边绕组电压为零,整流二极管同时导通,iD1=iD2=I0/2。t0时刻,S1导通,Vin加在原边漏感Lo上,ip1迅速增加;Vc加在绕组的漏感上,ip2迅速减小并反向增人。同时,流过iD1、iD4的电流增大,流过iD2、iD3的电流减小,此过程持续到iD2减小到0并且增大到最大反向恢复电流时结束。模态l中,Vc1=Vc2=0,VD5=VD6=Vo/2,VD7=0。
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