双管反激变换器研究分析

双管反激变换器研究分析

摘要：研究了基于峰值电流模式的双管反激变换器,分析了它的工作原理,说明了它在高压输入场合的优点。

关键词：反激变换器；峰值电流控制；双管反激

0    引言

    反激变换电路由于具有拓扑简单，输入输出电气隔离,升/降压范围广，多路输出负载自动均衡等优点，而广泛用于多路输出机内电源中。在反激变换器中，变压器起着电感和变压器的双重作用，由于变压器磁芯处于直流偏磁状态，为防磁饱和要加入气隙，漏感较大。当功率管关断时，会产生很高的关断电压尖峰，导致开关管的电压应力大，有可能损坏功率管；导通时，电感电流变化率大。因此在很多情况下，必须在功率管两端加吸收电路。

    双管反激变换电路，在功率管关断时，由于变压器漏感电流流过续流二极管反馈给电源的嵌位作用，而使功率管的电压应力和输入电压相等。可见在高压输入场合双管反激电路有其特有的优点。

1    电路分析

    电路图如图1所示。在稳态工作条件下，为了简化分析，假设所有开关器件都是理想的；漏感L_r远小于励磁电感L_m；L₂为变压器副边等效电感；电路工作在CCM模式。

图1    双管反激变换器电路图

    电路共有4个工作模式，工作过程如图2所示。

图2    工作波形图

    ——模式1[t₀－t₁]    在S₁和S₂开通后的t₀时刻，输入直流电压U_in作用于L_r和L_m上，D₁和D₂关断，漏感电流i_Lr线性上升，则有

    i_Lr(t)=iLr(t₀)＋(t－t₀)（1）

D₁和D₂承受反压为U_in，而D₃承受反压为U_o＋(N₂/N₁)U_in，i_L2=0，由滤波电容C向负载供电。

在t₁时刻漏感电流i_Lr为

    i_Lr（t₁）=i_Lr(t₀)＋(t₁－t₀)（2）

    ——模式2[t₁－t₂]    在t₁时刻关断S₁和S₂，由于电感电流不能突变，感应电势反向，D₁和D₂导通钳位使S₁和S₂承受正压为U_in；同时D₃导通，副边电流i_L2形成。原边电流i_Lr线性下降，即

    i_Lr(t)=i_Lr(t₁)－(t－t₁)（3）

    i_L2(t)=（4）

在t₂时刻原边电流

    i_L2(t₂)==0（5）

    ——模式3[t₂－t₃]    在t₂时刻D₁和D₂中的电流和漏感电流i_Lr下降到0，i_L2达到最大。此后i_L2线性下降，

    i_L2(t)=i_L2(t₂)－(t－t₂)（6）

在t₃时刻

    i_L2(t₃)=i_L2(t₂)－(t₃－t₂)（7）

在此阶段D₁和D₂承受反压为，S₁和S₂承受正压为。

    ——模式4[t₃－t₄]    在t₃时刻开通S₁和S₂，输入电压U_in直接作用于L_r和L_m上，漏感电流i_Lr从0开始线性上升，

    i_Lr(t)=(t－t₃)（8）

此时D₃仍导通，给电容C充电和向负载供电，i_L2(t)以更大的斜率线性下降，为漏感电流i_Lr减去励磁电感Lm上电流。

    i_L2(t)=（9）

    i_Lr(t)=（t－t₃）（10）

在t4时刻D₁和D₂反压由上升到U_in，i_Lr(t)上升到励磁电流i_Lm,i_L2(t)=0，D₃反偏，开始新的PWM周期。

    由上述分析可知，双管反激变换器具有以下优点：

    ——续流二极管将漏感能量回馈给电源；

    ——有效抑制关断电压尖峰，使开关管电压应力为输入电压；

    ——不需要额外的吸收电路。

2    控制系统结构

    采用峰值电流控制模式，如图3所示。由于引入电流反馈,使系统性能具有明显的优点：

图3    峰值电流模式控制原理

    ——具有良好的线性调整率，反应速度快；

    ——消除输出滤波电感带来的极点，使二阶系统变为一阶系统，稳定性好；

    ——固有逐个脉冲电流限制,简化了过载保护和短路保护。

    电流型也有缺点，在占空比>50％时，必须进行电流斜坡补偿,否则系统不稳定。本文采用控制芯片UC3844，占空比<50％。

3    实验结果

    利用以上分析结果,设计了一台机内稳压电源。输入360～450V；输出＋15V(1A)，－15V(0.2A)，＋25V(0.2A)3路，＋25V(0.4A)；开关工作频率为100kHz，最大占空比D_max=0.45；功率45W。变压器用铁氧体R2KBD，罐型GU30，按反激变压器设计原则设计。主要波形如图4所示。

CH1驱动电压（10V/格）    CH2漏源电压（250V/格）

（a）功率管驱动电压与漏源电压波形

CH1驱动电压（10V/格）    CH2续流二极管两端电压（250V/格）

（b）功率管驱动电压与续流二极管两端电压波形

CH1驱动电压（10V/格）    CH2整流二极管两端电压（25V/格）

（c）功率管驱动电压与整流二极管电压波形

CH1驱动电压（10V/格）    CH2原边电流（1V/格）

（d）功率管驱动电压与原边电流波形

图4    主要波形

    从图中可以看出功率管的电压应力等于输入电压，续流二极管两端电压和分析结果也相同。可见双管反激拓扑在高压输入场合有其独特优越性。图4（d）中，原边电流有尖峰是由于副边整流二极管反向恢复造成。

4    结语

    原理分析和实验结果的一致性，表明双管反激变换器特别适用于高压输入场合，它减少了器件的电压应力，为功率管的选取和保护创造了有利条件，增加了系统的可靠性。因此，适于应用于高压输入的中小功率场合。