高功率密度快充及PD適配器電源結(jié)構(gòu)解析
發(fā)布時(shí)間:2018-12-17 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】一種新型的高功率密度軟開(kāi)關(guān)變換器就是非對(duì)稱(chēng)反激變換器,其原邊使用激磁電流實(shí)現(xiàn)上、下橋主功率管的ZVS零電壓開(kāi)關(guān),次級(jí)整流管為ZCS零電流工作,適合于筆記本電腦PD適配器這種高頻、高效和高功率密度的應(yīng)用要求。
這種變換器輸出電壓決定原邊半橋的上管工作的導(dǎo)通時(shí)間,原邊半橋的下管工作在COT固定導(dǎo)通時(shí)間,其導(dǎo)通時(shí)間由諧振頻率所決定,非對(duì)稱(chēng)反激變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示,若輸出整流二極管換為功率MOSFET,則稱(chēng)為同步整流。非對(duì)稱(chēng)反激變換器工作的波形如圖2所示。
相關(guān)元件符號(hào)和物理量的規(guī)定:
S1:原邊半橋高端功率管,上管
S2:原邊半橋低端功率管,下管
DR;次級(jí)整流二極管
Cr:原邊串聯(lián)諧振電容
Lm:變壓器原邊激磁電感
Lr:變壓器原邊漏感
SR;次級(jí)同步整流功率管
Np:變壓器原邊繞組匝數(shù)
Ns:變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)
n:變壓器的匝比,n = Np/ Ns
VSW:半橋連接的開(kāi)關(guān)接點(diǎn)電壓,也是S2的D、S兩端電壓
iLm:變壓器原邊激磁電感的電流
iLr:變壓器原邊漏感的電流
iDR;次級(jí)整流二極管的電流
(a)非對(duì)稱(chēng)反激變換器
(b)非對(duì)稱(chēng)同步整流反激變換器
圖1:非對(duì)稱(chēng)反激變換器電路結(jié)構(gòu)
圖2:非對(duì)稱(chēng)反激變換器工作波形
工作原理分析
非對(duì)稱(chēng)反激變換器的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期可分為6個(gè)工作模式,分別分析如下。
1、模式1:T0-T1
開(kāi)關(guān)狀態(tài):S1處于導(dǎo)通,S2處于截止,DR處于截止
變壓器Lm和Lr的電流從0開(kāi)始增加,諧振電容Cr充電,沒(méi)有能量傳輸?shù)酱渭?jí)的輸出負(fù)載。
T1時(shí)刻,S1關(guān)斷。
圖3:模式1的等效電路
2、模式2:T1-T2
開(kāi)關(guān)狀態(tài):S1處于截止,S2處于截止,DR處于截止
T1時(shí)刻,S1關(guān)斷,(Coss1+Coss2)和(Lr+Lm)諧振,Coss1充電,Coss2放電,直到T2時(shí)刻,Coss1的電壓充電到VIN,Coss2的電壓放電到0。
圖4:模式2的等效電路
Coss2的電壓VSW放電到0后,其體內(nèi)寄生二極管DS2導(dǎo)通,將其二端電壓箝位到0。
3、模式3:T2-T3
開(kāi)關(guān)狀態(tài):S2處于導(dǎo)通,S1處于截止,DR處于截止
T2時(shí)刻,DS2導(dǎo)通箝位。在T2之后某一時(shí)刻開(kāi)通S2,此時(shí)由于DS2導(dǎo)通,S2的VDS電壓為0,因此S2是零電壓開(kāi)通ZVS。
(a)模式3的DS2導(dǎo)通
(b)模式3的S2 ZVS開(kāi)通
圖5:模式3的等效電路
這個(gè)階段開(kāi)始時(shí),諧振電容的電壓VCr會(huì)稍微增加,次級(jí)繞組Ns的正偏電壓也會(huì)增加,但其電壓仍低于輸出電壓Vo,因此次級(jí)整流二極管DR不會(huì)導(dǎo)通。
在T3時(shí)刻,次級(jí)繞組的電壓VNs增加到輸出電壓Vo,因此次級(jí)整流二極管DR導(dǎo)通。
4、模式4:T3-T4
開(kāi)關(guān)狀態(tài):S2處于導(dǎo)通,S1處于截止,DR處于導(dǎo)通
在T3時(shí)刻,DR導(dǎo)通,輸出電壓反射到原邊繞組Np,其電壓變?yōu)椋?/div>
VNp = -nVo
此時(shí),Lm和Lr分開(kāi),形成各自的回路:
(1)Lm電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)次級(jí)繞組,向輸出負(fù)載傳輸。
(2)Lr、Cr和電壓源-nVo串聯(lián)諧振,滿(mǎn)足下面條件:
諧振電容Cr反射到次級(jí)輸出端,次級(jí)電流波形為正弦波,其頻率就是變壓器的寄生電感和諧振電容Cr所決定,這部分能量也通過(guò)次級(jí)繞組,向輸出負(fù)載傳輸。
因此,次級(jí)整流二極管的電流iDR為iLr和iLm的電流差值:
iDR = (iLm–iLr)*n
在這個(gè)階段,Lr和Cr串聯(lián)諧振,iLr過(guò)0后,反向繼續(xù)諧振;然后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間, iLm也過(guò)0,反向激磁繼續(xù)增加。
(a)模式4的DR導(dǎo)通
(b)模式4的iLr過(guò)0后反向增加
(c)模式4的iLm過(guò)0后反向增加
圖6:模式4的等效電路
在T4時(shí)刻,iLr和iLm的電流相等:
iLr=iLm
次級(jí)繞組的電流減小到0,DR關(guān)斷,ZCS關(guān)斷,同時(shí),在T4時(shí)刻,S2關(guān)斷。
5、模式5:T4-T5
開(kāi)關(guān)狀態(tài):S1處于截止,S2處于截止,SR處于截止
T4時(shí)刻,同時(shí)關(guān)斷SR和S2,(Coss1+Coss2)和(Lr+Lm)諧振,Coss1放電,Coss2充電,直到T5時(shí)刻,Coss2的電壓充電到VIN,Coss1的電壓放電到0。
圖7:模式5 的等效電路
Coss1的電壓放電到0后,S1的體內(nèi)寄生二極管DS1導(dǎo)通,將其二端電壓箝位到0。
6、模式6:T5-T6
開(kāi)關(guān)狀態(tài):S1處于導(dǎo)通,S2處于截止,SR處于截止
T5時(shí)刻,DS1開(kāi)通,Lr和Lm的電流相等且同時(shí)反向激磁,增加到反向電流的最大值;然后在正向電壓的作用下,從反向電流的最大值逐漸減小,在T6時(shí)刻其電流減小到0,然后繼續(xù)正向增加,進(jìn)入下一個(gè)同期。
在T5之后某一時(shí)刻開(kāi)通S1,此時(shí)由于DS1導(dǎo)通,S1的VDS電壓為0,因此S1是零電壓開(kāi)通ZVS。
(a)模式6的DS1導(dǎo)通
(b)模式6的S1 ZVS導(dǎo)通
(c)模式6的Lm正向激磁
圖8:模式6的等效電路
圖2:非對(duì)稱(chēng)反激變換器波形
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