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一文弄懂辅助绕组复位正激变换器工作原理及特点

21ic电子网  · 公众号  · 半导体  · 2024-11-13 15:32

正文


正激变换器的开关管关断后,辅助绕组(第3绕组)复位相当于在反激状态,因此,其绕组的极性与初级绕组相反,开关管Q导通时,辅助复位绕组会影响系统正常工作。因此,在辅助复位绕组的输出串联一个二极管,二极管电流的方向与其在反激工作时的电流方向一致,这样,开关管导通时,复位的辅助绕组不工作,就不再影响系统正常工作,实现 辅助绕组的隔离与复位电压钳位, 如图1所示。其中,S为开关管,D 1 为输出整流二极管,D 2 为输出续流二极管,D 3 为磁通复位辅助绕组钳位二极管,辅助绕组复位正激变换器有3种工作状态。

图1 辅助绕组复位正激变换器

1、S与D 1 开通,D 2 D 3 关断

假定:正激变换器工作在稳定状态,输出电感工作在连续导通模式CCM状态,即:每一个开关周期开始时,变压器初级激励电感为L m ,其电流i Lm 为0,输出电感的电流i L 从一定的初始值I L(min) 开始激磁工作,每一个开关周期结束,电流i Lm 回到0,电流i L 回到初始值I L(min) 。开关管S、输出整流二极管D 1 、输出续流二极管D 2 、磁通复位辅助绕组钳位二极管D 3 、变压器T和滤波电容均为理想元件,滤波电容的电容值足够大,输入电压纹波和输出电压纹波都很小,输入电压V in 和输出电压V o 保持稳定不变,SW为开关管和变压器连接点,称为开关节点,电压为V DS 。变压器初级绕组N 1 与次级绕组N 2 的匝比为n:1,初级绕组N 1 与辅助复位绕组N 3 的匝比为n r :1,若N 1 =N 3 ,N 1 :N 3 :N 2 = n: n: :1,先忽略漏感和绕组的电阻。

图2 开关管S导通

当t=0时,i L =I L(min) ,i Lm =0,开关管S开通,变压器初级绕组电压为V in ,次级绕组电压为V in /n,次级绕组电压极性为上正下负,D 1 两端电压正向偏置而导通;辅助复位绕组电压为V in ,其电压极性为上负下正,D 3 两端电压反向偏置处于截止;变压器励磁电感两端承受正向电压为V in ,L m 激磁,i Lm 随时间线性增加;输出电感两端承受正向电压为V in /n-V o ,L激磁,i L 从初始值I L(min) 随时间线性增加,输出电感储存能量。

在t=t on 时刻,开关管S关断,i L 达到最大值I L(max)

同时有:

在t=t on 时刻,开关管S关断,i Lm 达到最大值I Lm(max)

2、S D 1 关断,D 2 D 3 导通

开关管S关断后,i L 、i Lm 不能突变,要保持原来大小和方向。i Lm 对S的输出电容充电,V DS 电压升高,变压器初级绕组和次级绕组的电压降低,当V DS 电压升高V in ,然后继续升高,初级绕组开始承受反压,次级绕组的电压极性也发生改变,变为上负下正,D 1 两端电压反向偏置,D 1 电流逐渐减小到0而关断,D 2 导通续流,电流逐渐增加到等于输出电感的电流,维持输出电感的电流的大小和方向不变。

图3 开关管S关断

同时,当V DS 电压升高V in ,然后继续升高,初级绕组开始承受反压,初级励磁电感也开始承受反压而去磁。同时辅助复位绕组的电压极性也发生改变,变为上正下负,但是,D 3 两端电压仍然是反向偏置而不导通;当V DS 电压升高到2V in 时,D 3 两端电压变为正向偏置而导通,将辅助复位绕组的电压钳位在V in ,因此,辅助复位绕组反射到初级绕组的反向电压保持在V in 不变,V DS 电压也保持在2V in

变压器励磁电感两端承受反向电压为V in ,L m 去磁,i Lm 从初始值I Lm(max) 随时间线性降低。输出电感两端承受反向电压为-V o ,L去磁,i L 从初始值I L(max) 随时间线性降低,输出电感释放能量。

这一阶段时间起点从t on 开始,当t= t on ,i L =I L(max) ,得到:

同时有:

在磁通复位过程中,存储在初级励磁电感中的能量返回到输入电源,相当于无损复位,从而增加的变换器的效率。

3、S与D 1 及D 3 关断,D 2 导通

在t=t r 时刻,初级励磁电感的电流i Lm 降低到0,D 3 自然关断,变压器的磁通回到起始的0值,实现变压器的磁通复位。在这个阶段,D 2 一直保持导通状态,直到这一个开关周期结束,在t on +t off =T S 时刻,i L 电流降低到起始值I L(min) 。然后,开关管S再次开通,上一个开关周期结束,下一个开关周期开始,重复以上过程,如此反复。

图4 磁通复位后次级续流

辅助第3绕组复位正激变换器的工作波形如下图所示。

图5 工作波形

根据磁通复位的原理(伏秒值平衡),对于输出电感L:

化简得到:

辅助复位第3绕组匝数与变压器初级绕组匝数相同时,变压器励磁电感L m 的激磁电压与复位的去磁电压相等,都为V in ,因此,激磁时间与去磁时间也相等,为了保证L m 有足够的时间去磁复位,正激变换器的占空比必须小于50%。

4、 初级与辅助复位绕组匝比影响

如果 减小 辅助复位绕组匝数,n r 增大, 复位电压增大,复位时间变短,但是,其反射的电压增加,V DS 电压增加,开关管的电压应力增加;同样,如果 增加 辅助复位绕组匝数, n r 减小 其反射的电压降低,V DS 电压降低,开关管的电压应力降低,但是,复位电压降低,复位时间变长,系统工作的占空比范围必须进一步降低。

功率开关管V DS 电压为:

保证磁通复位的临界占空比为;

表1 复位绕组与初级绕组匝 比对应电压应力和临界占空比







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