双管正激拓扑的工作原理和设计举例.doc

双管正激拓扑 概述 双管正激拓扑电路是一种在单端正激拓扑上衍生出来的一种拓扑电路。经过实践证明，这种拓扑的电路具有电路简单，可靠性高，元器件较单端电路容易选取等特点。是一种非常优秀的拓扑电路。 简介 双管正激变换器拓扑结构由两个功率开关管和两个二极管构成，当两个开关管和同时关断时，磁通复位电路的两个二极管和同时导通，输入的电流母线电压Vin反向加在变压器的初级的励磁电感上，初级的励磁电感在Vin的作用下励磁电流从最大值线性的减小到0，从而完成变压器磁通的复位，并将储存在电感中的能量返回到输入端，没有功率损耗，从而提高电源的效率；此外，每个功率开关管理论的电压应力为直流母线电压，这样就可以选取相对较低耐压的功率MOSFET管，成本低，而且较低耐压的功率MOSFET的导通电阻小，可以进一步提高效率。 应用范围 双管正激变换器广泛的应用于台式计算机的主电源，中等功率的通信电源及大功率通信电源、变频器等三相电路的辅助电源中。 基本工作原理和关键点的波形 双管正激变换器的拓扑结构如图1所示，其中Cin为输入直流滤波电解电容，Q1和Q2为主功率开关管，D1、D2和C1、C2分别为Q1和Q2的内部寄生的反并联二极管和电容，D3、C3和D4、C4分别为变压器磁通复位二极管及其寄生的并联电容，不考虑Q2的漏极与散热片间的寄生电容，T为主变压器，DR和DF为输出整流及续流二极管，Lf和Co输出滤波电感和电容。 图1 双管正激变换器的拓朴结构 首先，下面分几个工作模式来讨论其磁通复位的工作过程： 模式1：t0~t1 在t0 时刻Q1 和Q2 关断，此时D3 也是关断的。初级的励磁电感电流和漏感的电流不能突变，必须维持原方向流动，因此C1，Ch（散热片寄生电容）和C2充电，其电压从0 逐渐上升， C3 和 C4 放电，其电压 由Vin 逐渐下降。 初始值：，，，， 由上面公式可得： (1) 在理想的模型下，，，所以在t1时刻C3和C4的电压下降到0，同时 C1 和C1 的电压上升到Vin，D3和D4 将导通，系统进入下一个过程。 在实际的工作中，事实上散热器的寄生电容不能忽略，这个电容将参与变压器磁通复位的过程。Q1 和Q2 漏极与散热片间的寄生电容的大小与漏极的面积及漏极与散热片的距离相关。 注意电容的公式： Q1 的漏极接Vin，散热器接地，因此此寄生电容接在直流母线电压端，其两端没有电压变化：，也就没有电流从此电容流过：。实际上，对于交流信号模型来说，此寄生电容相当于短路，因此在交流等效电路中可以不必考虑。 Q2的漏极电位在开关的过程中处于变化的状态，因此在开关的过程中，Q2漏极与散热片间的寄生电容将有电流通过。此寄生电容为Ch，其大小将影响到功率管的开关损耗。电容值越大，功率管漏源极电压随时间的变化率越小，从而减小了功率管的开关应力，并降低了功率管关断的功耗，并且低的对EMI也有改善；但是在功率管开通时，电容上储存的能量将通过功率管放电，产生开通损耗，形成开通的电流尖峰和噪声。 注意到散热器的寄生电容Ch和C2及C4的总和大于C1和C3的和： 所以此模式结束时，C3 的电压由Vin 下降到0 时，C2 的电压并不到Vin，此时由于C3 的电压为0，D3 将正向偏置导通，将C3 的电压箝位于0。 事实上在此过程中，当初级电压大于0 即时，，初级变压器电感仍处于正向励磁，电流增加，而且次级电感电流将反射到初级，参与电路的谐振。当其电压过0 后，在很短的时间，次级整流和续注二极管换流使次级处于短路，次级电感电流将不能反射到初级，也就不参与电路的谐振。换流结束后，初级电压小于0，只有初级励磁电感与电容谐振。 模式2：t1-t2 在t1 时刻D3 导通，Q1 和Q2 仍然为关断，此时变压器在Ch 和C2 及C4 的作用下去磁。变压器的励磁电流逐渐减小到0，然后反向励磁，变压器的电流过0 时D3 自然关断，系统进入下一个过程。 (1) 初始值：，， 在模式2 过程中，变压器的电流过0 前如果C2 的电压上升到Vin，那么D4 将导通，C2 的电压将被箝位于Vin，变压器的励磁电感在Vin 作用下去磁，直到其电流过0 后D3 和D4 自然关断，然后再进入模式3。 (3)模式3：t2-t3 在t3 时刻D3 自然关断，Q1 和Q2 仍然为关断，变压器在Ch 和C2，C4 的作用下反向励磁，相关的公式同于模式1，仅仅是电容的电压和变压器励磁电流的初始值不同。 当C2 和C3 电压谐振到相等时，C2 和C3 的电压将维持不变，直到Q1 和Q2 导通、系统进入下一个过程。 第二． 工作波形及讨论 一个双管正激电源系统在空载、中等负载和满载时的工作波形如下图3 所示。功率MOSFET 为STP15NK50，初级电感量为5mH，前级有PFC，输入电压