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(多图) 有源箝位正激电源变换器的工作原理及优势

作者:Bob Bell?? 美国国家半导体公司电源应用工程师?? 2006年02月21日 ?? 收藏0

?????? 对设计人员来说,有源箝位正激变换器有很多优点,现在正得到广泛应用。采用正激结构的电源变换器是高效率、大功率应用(50W 至 500 W范围)的出色选择。虽然正激结构的普及有各种各样的原因,但设计者主要青睐的是它的简捷、性能和效率。

?????? 正激变换器来源于降压结构。两者之间的主要区别是:正激结构变压器的输入地和输出地之间是绝缘的,另外它还有降压或升压功能。正激结构中的变压器不会象在对称结构(如推挽、半桥和全桥)中那样,在每个开关周期内进行自复位。正激功率变换器中使用了一些不同的复位机制,它们各有自己的优点和挑战。对设计者而言,有源箝位正激变换器具有诸多的优点,因此现在这个拓扑被广泛应用。

降压与正激结构

图 1. 降压与正激结构

?????? Buck:降压?
?????? Forward:正激

&nbs

p;????? 图 1 显示了 降压 和正激转换器之间的相似之处。注意两种变换功能的唯一区别是在正激变换功能中,匝数比(Ns/Np)这一名词所包含的内容。Ns 和 Np 分别为次级匝数和初级匝数,均绕在变压器磁芯上。图 2 显示了一个变压器模型,其中包括与初级绕组并联的“励磁电感”(Lm)。这个励磁电感可以在次级绕组开路状态下在初级端子处测量。励磁电感中的电流与磁芯中的磁通密度成正比。确定尺寸的某种磁芯只能支持到某个磁通密度,然后磁芯就会进入饱和。当磁芯饱和时,电感量会急剧下降。变压器模型中另外一个部分是与初级绕组串联的“漏感”(LL)。漏感可以在次级绕组短路情况下在初级端子处测量。这一名称表示杂散的初级电感,它不会耦合到次级。

变压器模型

图 2. 变压器模型

?????? Primary:初级?
?????? Secondary:次级?
?????? Ideal Transformer:理想变压器

?????? 有源箝位电路的工作

?????? 图 3a 到 3c 表示了有源箝位正激电源转换器的主要工作步骤。在时刻 t0 时,主功率开关(Q1)导通,在变压器初级施加一个 VIN。变压器次级绕组电压为 VIN x Ns/Np。此时的初级电流包括两个部分:来自输出电感的映射电流(IL x Ns/Np);以及在激磁电感(Lm)中上升的电流。复位开关 Q2 关断,箝位电容(Cc)已被预先充电到电压 VIN/(1-D),这个在后面再作解释。这段时间为供能阶段,能量从初级传送到次级。供能阶段的大致时间为 Ts x VOUT / VIN,其中 Ts 为开关周期。

在 t0 时的工作状态

图 3a. 在 t0 时的工作状态

在 t1 时的工作状态

图 3b. 在 t1 时的工作状态

在 t2 时的工作状态

图 3c. 在 t2 时的工作状态

?????? 在时刻 t1 时,主功率开关(Q1)关断,复位开关(Q2)导通。励磁电流从Q1转移到流过箝位电容和 Q2。由于箝位电容电压高于 VIN,与供能阶段 t0 相比,变压器初级上的电压反向。由于激磁电感上的电势反向,伴随着励磁电感中储存的能量被传送给箝位电容,励磁电流也逐渐减小。在此期间,箝位电容上的电压有轻微的上升,并在励磁电流到零时达到它的峰值。

?????? 在时刻 t2 时,励磁电感中的电流降到零,并开始沿相反方向建立电流。电流来源于箝位电容,通过复位开关(Q2)和励磁电感(Lm),再流回电源(VIN)。当箝位电容将前面从激磁电感中获得的能量重新释放出来时,电流持续沿相反方向建立起来。稳定状态需要箝位电容电压回到起始电位,而复位时间结束时的磁化电流幅度要达到与复位时间开始电流相同的水平(极性相反)。在 t2 结束时,由控制器振荡周期确定的开关周期结束。复位开关关断,从箝位电容流过的电流终止。


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有源? 箝位? 正激? 电源?

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