ACF反激电路工作原理.pdf

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1、有 源 钳 位 反 激 电 路 工 作 原 理1、 前 言传 统 的 硬 开 关 反 激 变 换 器 功 率 开 关 管 电 压 、 电 流 应 力 大 ， 变 压 器 的 漏 感 引 起 电压 尖 峰 ， 必 须 采 用 无 源 RCD 吸 收 电 路 进 行 箝 位 限 制 ， RCD 吸 收 电 路 的 电 阻 R 产 生额 外 的 功 率 损 耗 ， 降 低 系 统 效 率 ， 如 图 1 所 示 。 如 果 将 RCD 吸 收 电 路 的 电 阻 R 去掉 ， 同 时 将 二 极 管 换 成 功 率 MOSFET， 这 样 就 变 成 了 有 源 箝 位 反 激 变 换 器 ， 通

2、过 磁化 曲 线 在 第 一 、 第 三 象 限 交 替 工 作 ， 将 吸 收 电 路 的 电 容 Cc 吸 收 的 电 压 尖 峰 能 量 ，回 馈 到 输 入 电 压 ， 从 而 实 现 系 统 的 正 常 工 作 。 2、 有 源 箝 位 反 激 变 换 器 工 作 原 理非 连 续 模 式 DCM 有 源 箝 位 反 激 变 换 器 电 路 结 构 及 相 关 波 形 如 上 所 示 ， 图 中 的各 个 元 件 定 义 如 下 ：Lm： 变 压 器 初 级 激 磁 电 感Lr： 变 压 器 初 级 漏 感Lp： 变 压 器 初 级 总 电 感 ，Lp=Lm+Lrn： 变 压 器 初

3、 级 和 次 级 的 匝 比 ，n=Np/Ns Q1： 主 功 率 开 关 管 ， DQ1、 CQ1为 Q1 寄 生 体 二 极 管 和 寄 生输 出 电 容Cc1： Cc1=Cc+CQ1+Cto Qc： 箝 位 开 关 管 ， DQc、 CQc为 Qc 寄 生 体 二 极 管 和 寄生 输 出 电 容Do： 次 级 输 出 整 流 二 极 管Cc： 箝 位 电 容Cr： CQ1、 CQc 以 及 其 它 杂 散谐 振 电 容 Cto 总 和 ，Cr=CQ1+CQc+CtoVsw： Q1 的 D、 S 两 端 电 压Vin： 输 入 直 流 电 压Vo： 输 出 直 流 电 压Vc： 箝 位

4、电 容 3、 有 源 箝 位 反 激 变 换 器 开 关 周 期 时 序 分 解每 个 开 关 周 期 根 据 其 工 作 状 态 可 以 分 为 8 个 工 作 状 态 ， 各 个 工 作 模 式 的 状 态 及等 效 电 路 图 分 别 讨 论 如 下 ： 图 2： 有 源 箝 位 反 激 变 换 器 波 形 (非 连 续 模 式 DCM) (1)模 式 1： t0-t1在 t0 时 刻 ， Q1 处 于 导 通 状 态 ， Qc、 Do 保 持 关 断 状 态 。 Lp 两 端 所 加 的 电 压 为Vin， 上 端 为 Vin， 下 端 为 0V 电 位 。 Lp 激 磁 ， 其 电

5、流 从 0 开 始 ， 随 着 时 间 线 性 上 升 。磁 芯 内 磁 通 量 与 激 磁 电 流 成 正 比 ， 随 着 时 间 线 性 上 升 。 副 边 电 感 反 向 截 止 ， 整 流二 极 管 反 向 电 压 为 -(Vin/n+Vo)。 图 3： 模 式 1(Q1 导 通 ， Qc、 Do 关 断 ) (2)模 式 2： t1-t2在 t1 时 刻 ， Q1 关 断 ， Qc、 Do 保 持 关 断 状 态 。 Q1 关 断 后 ， Lp 和 Cr 谐 振 ， 激磁 电 流 对 1QC 充 电 ， 对 QCC 放 电 ， Vsw 电 压 谐 振 上 升 。在 t1-t2 中 间

6、 某 一 时 刻 tm， 对 应 的 Vsw 电 压 为 Vin， Lp 所 加 电 压 为 0V： t1-tm期 间 ， Lp 所 加 电 压 为 正 (Vin-Vsw)， 其 电 流 （ Lmi ） 谐 振 上 升 ， 但 是 上 升 斜 率 变 得 缓慢 （ LpV 减 小 ） 。 tm-t2 期 间 ， 从 tm 时 刻 开 始 ， Lp 所 加 电 压 为 负 （ Vin-Vsw） ，其 电 流 谐 振 下 降 。 磁 芯 磁 通 减 小 ， 副 边 电 感 感 应 电 动 势 反 向 ， 但 电 压 小 于 Vo， Do未 导 体 。 图 4： 模 式 2(Q1、 Qc、 Do 关

7、 断 ) (3)模 式 3： t2-t3在 t2 时 刻 ， Vsw 的 电 压 谐 振 上 升 到 Vin+VC， VC=nVo， 二 极 管 DQc 自 然 导通 ， Q1、 Do 保 持 关 断 状 态 。 DQc 导 通 后 ， Lp 和 Cc1 谐 振 ， 激 磁 电 流 同 时 对 Cc、CQ1 充 电 ， Vsw 电 压 、 VC 电 压 谐 振 上 升 ， Lp 的 电 流 继 续 谐 振 下 降 。 初 级 绕 组 电 压 ：VLm=VCLm/(Lr+Lm)此 过 程 中 ， VLm 电 压 小 于 nVo， VLs 小 于 Vo， Do 不 导 通 。在 t2-t3 期 间

8、 任 一 时 刻 ， 开 通 Qc， 由 于 DQc 处 于 导 通 状 态 ， Qc 两 端 电 压 为 0，因 此 Qc 的 开 通 就 是 零 电 压 开 通 ZVS。 图 5： 模 式 3(DQc 导 通 ， Q1、 Do 关 断 ； QQc 零 电 压 开 通 ZVS) (4)模 式 4： t3-t4在 t3 时 刻 ， VLm 电 压 谐 振 上 升 到 nVo 时 ， Do 导 通 ， Qc 保 持 导 通 状 态 ， Q1保 持 关 断 状 态 。 Do 导 通 后 ， Lm 两 端 电 压 箝 位 在 nVo， Lm 储 存 能 量 转 移 到 次 级 绕组 ， 向 输 出

9、负 载 传 送 ， 其 电 流 线 性 下 降 ;同 时 ， Lr 和 Cc1 谐 振 ， Lr 的 电 流 同 时 对 Cc、CQ1 充 电 ， Vsw 电 压 、 VC 电 压 继 续 谐 振 上 升 ， Lr 的 电 流 谐 振 下 降 。 图 8： 模 式 4(QQc、 Do 导 通 ， Q1 关 断 ) (5)模 式 5： t4-t5在 t4 时 刻 ， Lr 的 电 流 谐 振 下 降 到 0， Do、 Qc 保 持 导 通 状 态 ， Q1 保 持 关 断 状态 。 Lr 的 电 流 下 降 到 0 后 ， Lr 和 Cc1 反 向 谐 振 ， 就 是 Cc 对 Lr 反 向 激

10、 磁 ， Cc、 CQ1放 电 ， Vsw 电 压 、 VC 电 压 谐 振 下 降 ， Lr 的 电 流 从 0 开 始 反 向 谐 振 上 升 ， 到 达 反 向的 最 大 值 后 继 续 谐 振 ， 其 反 向 电 流 的 绝 对 值 下 降 ， 而 Lm 继 续 向 输 出 负 载 释 放 能 量 ，电 流 保 持 线 性 下 降 。 图 9： 模 式 5(QQc、 Do 导 通 ， Q1 关 断 ) (6)模 式 6： t5-t6在 t5 时 刻 ， Lm 的 电 流 降 低 为 0， Lm 电 感 储 存 能 量 全 部 释 放 完 毕 ， Do 自 然 关断 ， Qc 保 持 导

11、 通 状 态 ， Q1 保 持 关 断 状 态 。 Do 关 断 后 ， 输 出 反 射 电 压 nVo 断 开 ，此 时 ， Lm 又 重 新 串 联 进 入 到 谐 振 回 路 ， Lp 和 Cc1 谐 振 ， Vc 电 压 反 向 加 在 Lp， Cc放 电 对 Lp 反 向 激 磁 ， Lm 的 电 流 过 0 后 和 Lr 一 起 继 续 反 向 增 加 。在 Do 关 断 瞬 间 ， Lr 的 电 流 有 一 个 高 频 振 荡 换 流 的 过 程 ， 在 这 个 过 程 中 ， Lr 的电 流 快 速 下 降 到 几 乎 为 0、 和 Lm 电 流 相 等 的 过 程 ， 其 中

12、 一 部 分 能 量 转 送 到 输 出 负载 ， 另 一 部 分 能 量 转 移 到 Lm。 图 10： 模 式 6(QQc 导 通 ， Q1、 Do 关 断 ) (7)模 式 7： t6-t7在 t6 时 刻 ， 关 断 Qc， Do、 Q1 保 持 关 断 状 态 。 Qc 关 断 后 ， Lp 和 Cr 谐 振 ， Lp的 电 流 对 CQc 充 电 ， 对 CQ1 放 电 。在 t6-t7 中 间 某 一 时 刻 tn， 对 应 的 Vsw 电 压 为 Vin： t6-tn 期 间 ， Lp 所 加 电 压为 负 ， 其 电 流 谐 振 下 降 ， 其 反 向 电 流 的 绝 对 值

13、 进 一 步 增 加 。 tn-t7 期 间 ， 从 tn 时刻 开 始 ， Lp 所 加 电 压 为 正 ， 其 电 流 谐 振 上 升 ， 其 反 向 电 流 的 绝 对 值 降 低 。 图 11： 模 式 7(QQc、 Q1、 Do 关 断 ) (8)模 式 8： t7-t0在 t7 时 刻 ， CQ1 放 电 到 0， Vsw 电 压 为 0， D1 自 然 导 通 续 流 ， 将 Vsw 电 压 箝位 到 0， Do、 Qc 保 持 关 断 状 态 。 D1 导 通 后 ， Lp 两 端 所 加 的 电 压 为 Vin， Lp 的 电流 从 负 值 线 性 上 升 ， 其 电 流 绝

14、 对 值 进 一 步 降 低 ， 直 到 降 低 为 0， 完 成 一 个 开 关 周 期 。然 后 ， Lp 的 电 流 继 续 正 向 激 磁 ， 从 0 开 始 正 向 线 性 上 升 ， 开 始 下 一 个 开 关 周 期 。在 t7-t0 期 间 任 一 时 刻 ， 开 通 Q1， 由 于 D1 处 于 导 通 状 态 ， 其 两 端 电 压 为 0，因 此 Q1 的 开 通 就 是 零 电 压 开 通 ZVS。 图 12： 模 式 8(D1 导 通 ， Q1、 Do 关 断 ； ； ； Q1 零 电 压 开 通 ZVS) 4、 说 明 讨 论(1)有 源 箝 位 软 开 关 反 激

15、 变 换 器 工 作 于 非 连 续 模 式 DCM， 因 此 每 个 周 期 初 级 激磁 电 感 的 电 流 要 到 0。主 功 率 开 关 管 Q1 和 箝 位 开 关 管 Qc 配 置 成 半 桥 的 电 路 结 构 ， 只 有 当 Q1(Qc)的寄 生 体 二 极 管 先 导 通 ， 然 后 再 开 通 Q1(Qc)， 才 能 实 现 零 电 压 软 开 关 ZVS。(2)从 工 作 原 理 可 以 看 到 ， 当 Q1 关 断 后 开 始 谐 振 转 换 时 ， 谐 振 环 每 次 只 换 一 个元 件 ， 依 次 的 顺 序 为 ：Lp/Cr-Lp/Cc1-Lr/Cc1-Lp/C

16、c1-Lp/Cr(3)只 要 Lp 加 正 电 压 ， 起 始 电 流 为 正 ， 其 电 流 线 性 增 加 ;起 始 电 流 为 负 ， 其 电 流绝 对 值 线 性 降 低 ;只 要 Lp 上 加 负 电 压 ， 起 始 电 流 为 正 ， 其 电 流 线 性 下 降 ;起 始 电 流 为 负 ， 其 电 流 绝 对 值 线 性 增 加 。 Lp 所 加 的 电 压 有 发 生 正 、 负 转 换 时 ， Lp 电 流 的 斜 率也 发 生 改 化 。(4)Lp 的 负 电 流 的 能 量 并 没 有 传 输 到 输 出 ， 它 只 是 为 了 实 现 Q1 的 零 电 压 关 断 ，因

17、 此 ， Lp 的 负 电 流 形 成 环 流 ， 在 变 压 器 中 产 生 铜 损 、 铁 (磁 )损 ， 同 时 在 回 路 的 电 阻中 产 生 导 通 损 耗 ， 影 响 系 统 的 效 率 ， 因 此 要 精 确 的 控 制 Lp 的 负 电 流 的 大 小 。在 t7 时 刻 ， 当 Vsw 电 压 为 0 时 ， 若 Lp 的 电 流 也 为 0， 其 效 率 最 高 ， 实 际 上 这样 的 条 件 很 难 精 确 的 控 制 。(5)由 于 CcCQ1+Cto， 因 此 ， Cc1=Cc。 相 对 于 开 关 周 期 ， t1-t2、 t2-t3 时 间非 常 短 。 Cc 电 容 足 够 大 ， 其 纹 波 可 以 忽 略 ， 因 此 ， t1-t6 期 间 ， Vsw 的 电 压 可 以 看成 基 本 不 变 的 平 台 ， 如 下 图 所 示 ， 图 中 还 标 出 了 开 关 元 件 导 通 的 顺 序 、 谐 振 元 件 依次 改 变 的 顺 序 。 输 出 二 极 管 换 成 MOSFET， 则 为 次 级 同 步 整 流 。 为 了 方 便 驱 动 ， 可 以 将 同 步MOSFET 放 在 低 端 ， 如 图 所 示 。 图 14： 次 级 同 步 整 流其 他 资 料 介 绍 ：