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低壓大電流DC/DC變換器拓撲分析

作者: 時間:2013-08-11 來源:網絡 收藏
構是應用于推挽、全橋或半橋等雙端變壓隔離器的Buck 型變換器。由于其輸出濾波電感的電壓頻率是功率開關管的兩倍,所以在同樣條件下中心抽頭式所需要的濾波電感值明顯小于正激式的。

  倍流整流結構不是源于Buck 變換器,但也起降壓作用。其基本工作原理如圖3 所示:當變壓器的次級電壓Vsec為正時,VD1 關斷,電感L1 的電流IL1增大并流經負載,VD2 和變壓器次級形成回路,同時電感L2 的電流IL1減小,它流經負載和VD2 形成回路;當變壓器次級電壓Vsec為負時,其過程也類似;而當變壓器的次級電壓為零時,則電感L1 和L2的電流分別流經VD1 和VD2 形成回路,即VD1 和VD2 同時導通。因此,雖然其濾波電感頻率與其功率主開關的相同,但是由于兩個濾波電感的紋波電流互相抵消了一部分( i11 + i12) ,其輸出濾波電容的紋波電流減小了,因此在倍流型結構中所需要的濾波電容比正激式的小得多。

  由圖1b 可以看出,在每個開關周期內正激式結構的整流管的總導通損耗相當于輸出濾波電感電流一個周期內流過一個整流管的損耗;在中心抽頭或者倍流型結構中,由于雙端變換器的變壓器次級電壓在功率開關管的死區內為零,所以其兩個整流管在死區時間內同時導通,兩個整流管中流過的電流均為零,如圖2b 和圖3b 所示,因此,在功率開關管的關斷時間內,整流管的總損耗就大大減少了。

  由圖2a 和圖3a 的對比可知,中心抽頭型和倍流型從元件個數和結構的復雜性都是差不多的,但在大電流的情況下,倍流型次級結構的性能更好。

  可從以下幾點來說明: ①倍流型結構的電感電流和變壓器次級的電流只是中心抽頭型結構電流的一半,因而其導通損耗比中心抽頭的要小; ②倍流結構使大電流的電路相互連接數目最少,這就簡化了次級的布線,并因此減少了與布線有關的損耗; ③倍流結構中的變壓器和濾波電感可以公用一個磁芯,簡化了元件的包裝和減小了體積。

  2. 2. 3 變壓器次級3 種結構的優選。

  從以上分析可知,反激式的初級拓撲和中心抽頭型的次級結構相對來說有很多不足。經過優選,適用于的降壓型初級拓撲有正激式、推挽式和橋式,而在次級整流拓撲中,正激式和倍流式兩種更為適用于。但是,推挽式和橋式等雙端結構的初級拓撲顯然不能和正激式的次級拓撲組合;而且,非對稱的正激式初級結構雖然可以和倍流整流式的次級結構組合,但效果并不理想。

  所以,可得出的優選拓撲組合是: ①初級正激式與次級正激式的組合; ②橋式與倍流式的組合; ③推挽式與倍流整流式的組合。即正激式變換器和帶中心抽頭的橋式變換器以及推挽正激式變換器。

  3 正激式變換器

  如圖4 所示,正激式變換器的優點主要在于結構簡單、次級紋波電流明顯衰減,紋波電壓低、功率開關管峰值電流較低、并聯工作容易、可以自動平衡、屬降壓型變換器。因此,它是最早應用于的變換器。但其缺點也很明顯: ①需要一個額外的磁復位電路來避免變壓器的磁飽和; ②對變壓器的設計要求比較高,要求其漏感小,以減小續流管在關斷過程中的損耗; ③同步整流中的死區過大使得其效率減小; ④整流管的體二極管不僅在導通的過程中增加了電路的損耗,而且在關斷過程中,由于其反向恢復特征,也會引起能量損耗,這個損耗與反向恢復電荷、頻率、次級電壓成正比關系。

低壓大電流DC/DC變換器拓撲分析

圖4 正激式變換器結構圖

  以上問題有的已經得到很好的解決。正激式變換器在其同步整流的驅動中多采用自驅動方式。比較典型的自驅動方式有3 種電路,如圖5 所示。

低壓大電流DC/DC變換器拓撲分析

圖5 正激式變換器中同步整流管的3 種自驅動方式

(諧振復位、有源鉗位、零電壓多諧振變換器)。

  另外,為了改善整流管的死區問題,混合驅動方式采用了的電荷保持技術,此驅動方式也不失為一種好的驅動方式。

  在文獻[ 4 ]的實驗中,采用LCD 復位和電荷保持混合驅動方式的正激式變換器在48V 輸入,5V/10A 輸出時,最高效率可達92. 3 %.

  4 帶倍流整流的橋式變換器



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