有源箝位ZVS-PWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的研究

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摘要:最近,对带有同步整流电路的有源箝位ZVS-PWM控制串联谐振变换器的研究和应用不断取得进展。不过,当输入电压偏离特定值时,其效率会严重下降。通过对其各种工作模态转换的分析,阐明了效率下降的原因。为解决这种效率下降,使用了带有分立电感和耦合电感的倍流型同步整流电路模型,并分析了其稳态特性。通过实验,比较了中心抽头型和耦合电感型效率变化曲线。最后,通过分析和比较,得出结论。提出了一个整流电路,在较大输入电压范围内和低输出电压,大输出电流的负载条件(3.3V,5A)下获得了85%的较高效率。

关键词:有源箝位;串联谐振;同步整流EfficiencyImprovementofSynchronousRectifierina

ZVSPWMControlledSeriesResonantConverterwithActiveClamp

1引言

开关变换器在很多电子和通信设备的电源中得到广泛应用。近来,低输出电压和大输出电流的负载条件对开关变换器提出了新的要求。为了满足这些要求,很多类型的谐振变换器已被提出和利用。然而,这些变换器的输出电压通常由开关调制频率所控制。因此,这导致了诸如最小开关频率限制了输出滤波电容减小等问题。为了消除这些限制,一种新颖的带有源箝位电路ZVS-PWM控制的电流模式谐振变换器被提了出来[1,2]。这种变换器工作在一个固定的开关频率,其输出电压通过主开关管的PWM控制信号来调节。其稳态特性和ZVS条件在相关文献中有详细的讨论[3~5]。但是,这种变换器在特定的输入电压下有较高的效率,当输入电压偏离特定值时,效率会严重下降。

本文通过对这种变换器的各个工作模态转换的分析,说明了其效率下降的原因。通过分析可以说明,当输入电压偏离特定值时,发生了环流现象,导致了能量的回馈,效率下降。为解决这种问题,使用了一种倍流型同步整流电路,它带有分离电感或耦合电感两种方案。这种整流电路在较大输入电压范围和低输出电压、大输出电流的情况下获得了85%的效率。

2带中心抽头同步整流ZVSPWM控制的串

联谐振变换器

带中心抽头同步整流ZVSPWM控制的串联谐


图1具有中心抽头同步整流电路的有源箝位ZVSPWM控制串联谐振变换器

 


图2图1所示变换器的关键波形

有源箝位ZVSPWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的研究振变换器的电路拓扑如图1所示,其重要参量的波形见图2。电路设计参数值见表1。

表1变换器参数值Vin48V
CA1μF
LA73μH
S1,S2IRF540
Lr23.76μH
Cr33.4μF
谐振频率(1/2π)(LrCr)-1/2178kHz
开关频率fs200kHz
匝比n13
S3,S4MTP13N50/
Co220μF
图2中,有源箝位电路和主开关管产生方波电压,其幅度随主开关管的占空比变化。这一幅度调制输入电压被加在由Lr和Cr组成的串联谐振电路上。开关频率被选在稍高于谐振频率处。由于串联谐振电路有一很高的品质因数,所以,电流的基波部分通过谐振支路,而谐波部分会被大大抑制。这样,基波部分通过变压器被输出电路整流和滤波。开关管S1和S2在留有一定的死区时间后交替导通。在死区时间内,S1和S2的寄生电容通过谐振电流Ir和电感LA磁化电流被充电和放电而实现ZVS工作。

如果以D表示主开关管S1的占空比,把输出级和负载电阻RL看作一等效AC电阻RAC=8RL/π,输出电压Vo为Vo=(1)

式中:Zr=(nRAC+Rr)2+[ωsLr-1/(ωsCr)]2

ωs=2πfs;(2)

Rr是串联谐振支路中的寄生串联电阻。

在此变换器中,最大效率88.6%是在输入电压为48V的时候获得的。然而,当输入电压偏离48V的时候,效率会严重下降。

3效率下降原因分析

31变换器的工作状态

图3给出了变换器所有可能的工作模态。表2给出了在一个开关周期里的所有可能的工作模式和每一模式中模态转换次序。在图3中,模态1和模态3表示能流从输入端传送到输出端。模态2和模态4对应于在模态1和模态3之间的过渡状态。模态5和模态6表示能流从输出电容反馈到输入端。这种能流回馈状态是同步整流所特有的。在二极管整流电路中,只有能流前馈,即能量从输入端流到输出边的状态,而没有能流回馈状态,即能量从输出端回流到输入端。然而,在用MOSFET作同步整流的电路中,当栅源电压vgs大于阈值时,MOSFET会一直保持开通。因此,图3中模态5及模态6能量回馈的现象出现了。环流增加了能量损耗,导致效率的下降。产生环流的波形如图4所示。

32占空比D的范围

能流回馈现象依赖于主开关管的占空比。于是,抑制能流回馈现象出现的合适占空比即是在模式Ⅱ中,必须在模态5出现之前直接从模态3到模态4。据这一条件,则模态3必须在1/(2fr)内完成,即必须在一半谐振周期内完成模态3。fr由Lr,Cr决定,若开关周期由Ts表示,则这一关系由下式表示


(a)模态1