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無損吸收雙管正激電路的工作過程分析

技術中心

Technology

無損吸收雙管正激電路的工作過程分析

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/07/26
瀏覽量

在雙管正激開關電源的調試過程中,后級DC/DC變換電路采用了無損吸收的雙管正激電路,其電路形式如下:

雙管正激電路有著較高的可靠性,這種形式的無損吸收電路對改善上下功率管的開關軌跡也有較好的效果。下面先分析一下電路的工作過程:

我們先來了解一下它的工作過程分析

設電路的起始工作狀態為開關管關斷,變壓器副邊處于續流狀態。此時上下管子同時開通,那么電路會經歷以下幾個過程

階段1、管子開通的瞬間其結電容既可發電到零,410V的直流母線電壓加在由C23、VD30、L5、VD29、C22組成的諧振網絡上形成串聯諧振,由于二極管VD29、VD30的反向阻斷作用使得最終的諧振結果是C23、C22上的電壓保持在410V的母線電壓。

階段2、上下管開通,變壓器原邊流過電流向負載提供能量

階段3、經過占空比D的導通之后功率管開始關斷,由于此時變壓器原邊仍流過負載電流,因此在關斷初期由這個負載大電流給C22、C23以及管子的結電容線性充放電,在此過程中始終保持下管結電容上的電壓和C22上電壓之和為410V,同樣上管結電容上電壓與C23上電壓之和為410V,同時變壓器原邊繞組上電壓相應下降。由于負載大電流的線性充放電作用這個階段維持時間很短,其結果為上下管結電容、C22、C23上電壓均為205V左右。

階段4、從這一時刻起由于變壓器原邊電壓已經下降到零因此副邊續流二極管開始導通其電流逐漸增大,同時整流二極管上電流逐漸減小, 在這一階段整流與續流二極管同時導通,變壓器副邊電壓鉗位在零,而在變壓器原邊勵磁電感上電壓也保持在零,變壓器的漏感與結電容、吸收電容諧振,功率管上電壓以正弦形式繼續升高、吸收電容C22、C23上的電壓相應減小以維持其和為410V。當原邊電流由負載電流諧振下降到勵磁電流后副邊整流二極管關斷結束換流。但是由于二極管的反向恢復,原邊漏感上還會出現幾個周期的反復振蕩一直到整流二極管完全關斷,此時變壓器原邊只流過勵磁電流,因為這段時間也非常短。所以勵磁電流幾乎沒有衰減。

階段5、此時變壓器原邊勵磁電感與結電容、吸收電容進行諧振,勵磁電流繼續給電容充、放電使得結電容上電壓以較大的諧振周期繼續振蕩上升,吸收電容上電壓繼續減小,但是由于吸收電容比結電容要大很多,因此諧振電流主要流經吸收電容這就使得吸收電路對功率管有較好的吸收作用。如果勵磁電感所儲藏的能量比較大,則功率管上的諧振電壓會超過410V的母線電壓,此時鉗位二極管VD27、VD32將導通將其電壓鉗在410V勵磁電感中的能量將直接回饋到直流母線,而吸收電容C22、C23上的電壓也會放到零電位。當勵磁電流振蕩到零之后由于結電容上電壓的作用又會反向振蕩,勵磁電感上電流反向增大,功率管上電壓諧振減小,變壓器原邊電壓由負電壓逐漸回升,當其電壓達到零之后如果繼續振蕩下去,變壓器原邊會出現正電壓,而功率管又處于關斷無法向副邊提供能量,因此這個振蕩能量會立即被吸收到副邊,使得原邊諧振電路處于最終的穩定態。此時上下功率管上電壓為205V的均分電壓并一直保持到下個周期管子再次開通。

階段6、原邊關斷。負載電流通過續流二極管續流。

至此一個完整的工作周期結束。

波形不對稱產生的原因

上面是對這個電路的理想分析,上下功率管上的DS波形應該是完全對稱的。但是實際上由于器件參數的離散性、上下管的驅動、布線的不一致性會導致上下功率管DS波形會有較大偏差,表現為一個管子(比如說下管)關斷時其DS上電壓早就上升并鉗位在母線電壓而此時上管的諧振包絡線還遠遠沒有達到母線電壓。如下圖2所示:

出現這種現象的最簡單直觀解釋就是從管子關斷開始流經上下諧振支路的電流不一樣,而這種區別產生的原因來自于上下功率管由于關斷時間的不一致,即當一個管子上電流已經衰減到零時而另外一個管子上還有電流。這樣上下兩個諧振支路上電容就會積累不同的電荷產生不同的電壓這樣自然會導致上下管的諧振波形不一致。為了證實這點將上下兩個管子關斷時的DS波形拍下做個對比(圖3)

 

其中上面的波形對應下管的關斷、下面的波形對應上管的關斷。從波形可以看出下管的關斷的確比上管要快。為了繼續驗證,將驅動變壓器的兩組驅動做了上下調換,從試驗看出上下管的DS波形幾乎完全對稱,通過在下管驅動反抽回路里適當地串聯一個小電阻以減低其關斷速度也可以得到同樣的結果,其波形如圖4所示。至此已經可以說是功率管由于關斷時間的不一致而導致了上下管波形的不對稱。

波形不對稱問題的解決方法

這種現象對于電路的正常工作產生的影響在于:如果波形嚴重不對稱會導致上下功率管關斷時其DS結電容上積累的能量相差很大,能量小的那一路鉗位二極管根本就不參與工作,而能量大的那一路卻有很長時間會通過鉗位二極管向直流母線回饋能量導致其二極管溫度高可靠性下降嚴重時會損壞二極管,因此有必要將其不對稱性降低到一定范圍內。解決方法是:盡量調整使得上下管的關斷時間一致。因此在PCB布線時上下管走線要盡量對稱、繞制變壓器時兩個驅動繞組要盡量一致。而在PCB板、驅動變壓器、驅動參數都已既定的條件下,其不對稱性也定了比如說都是下管電壓高而上管電壓低只是不對稱的程度稍有區別,這時就可以在關斷速度快的那一路的驅動反抽電路里串進一個小電阻人為地將其關斷速度降低以達到與另外一路同步,但是這樣做會影響整機效率、使得功率管的溫升提高所以須折衷考慮。

有的也采取將變壓器勵磁電感加大的方法來解決這個問題,就本人理解這種方法沒有解決根本問題,這只是將勵磁能量加大,使得上下管的能量都積累到一定程度,使得鉗位二極管都導通,相當于強制性地將波形拉對稱并沒有減輕鉗位二極管的負擔。而且漏感的相應增大還會延長動態轉換時間。

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