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无损吸收双管正激电路的工作过程分析

5 天前  240 双管正激电路 电路
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在双管正激开关电源的调试过程中,后级DC/DC变换电路采用了无损吸收的双管正激电路,其电路形式如下:
双管正激电路有着较高的可靠性,这种形式的无损吸收电路对改善上下功率管的开关轨迹也有较好的效果。下面先分析一下电路的工作过程:
我们先来了解一下它的工作过程分析
设电路的起始工作状态为开关管关断,变压器副边处于续流状态。此时上下管子同时开通,那么电路会经历以下几个过程
阶段1、管子开通的瞬间其结电容既可发电到零,410V的直流母线电压加在由C23、VD30、L5、VD29、C22组成的谐振网络上形成串联谐振,由于二极管VD29、VD30的反向阻断作用使得最终的谐振结果是C23、C22上的电压保持在410V的母线电压。
阶段2、上下管开通,变压器原边流过电流向负载提供能量
阶段3、经过占空比D的导通之后功率管开始关断,由于此时变压器原边仍流过负载电流,因此在关断初期由这个负载大电流给C22、C23以及管子的结电容线性充放电,在此过程中始终保持下管结电容上的电压和C22上电压之和为410V,同样上管结电容上电压与C23上电压之和为410V,同时变压器原边绕组上电压相应下降。由于负载大电流的线性充放电作用这个阶段维持时间很短,其结果为上下管结电容、C22、C23上电压均为205V左右。
阶段4、从这一时刻起由于变压器原边电压已经下降到零因此副边续流二极管开始导通其电流逐渐增大,同时整流二极管上电流逐渐减小, 在这一阶段整流与续流二极管同时导通,变压器副边电压钳位在零,而在变压器原边励磁电感上电压也保持在零,变压器的漏感与结电容、吸收电容谐振,功率管上电压以正弦形式继续升高、吸收电容C22、C23上的电压相应减小以维持其和为410V。当原边电流由负载电流谐振下降到励磁电流后副边整流二极管关断结束换流。但是由于二极管的反向恢复,原边漏感上还会出现几个周期的反复振荡一直到整流二极管完全关断,此时变压器原边只流过励磁电流,因为这段时间也非常短。所以励磁电流几乎没有衰减。
阶段5、此时变压器原边励磁电感与结电容、吸收电容进行谐振,励磁电流继续给电容充、放电使得结电容上电压以较大的谐振周期继续振荡上升,吸收电容上电压继续减小,但是由于吸收电容比结电容要大很多,因此谐振电流主要流经吸收电容这就使得吸收电路对功率管有较好的吸收作用。如果励磁电感所储藏的能量比较大,则功率管上的谐振电压会超过410V的母线电压,此时钳位二极管VD27、VD32将导通将其电压钳在410V励磁电感中的能量将直接回馈到直流母线,而吸收电容C22、C23上的电压也会放到零电位。当励磁电流振荡到零之后由于结电容上电压的作用又会反向振荡,励磁电感上电流反向增大,功率管上电压谐振减小,变压器原边电压由负电压逐渐回升,当其电压达到零之后如果继续振荡下去,变压器原边会出现正电压,而功率管又处于关断无法向副边提供能量,因此这个振荡能量会立即被吸收到副边,使得原边谐振电路处于最终的稳定态。此时上下功率管上电压为205V的均分电压并一直保持到下个周期管子再次开通。
阶段6、原边关断。负载电流通过续流二极管续流。
至此一个完整的工作周期结束。
波形不对称产生的原因
上面是对这个电路的理想分析,上下功率管上的DS波形应该是完全对称的。但是实际上由于器件参数的离散性、上下管的驱动、布线的不一致性会导致上下功率管DS波形会有较大偏差,表现为一个管子(比如说下管)关断时其DS上电压早就上升并钳位在母线电压而此时上管的谐振包络线还远远没有达到母线电压。如下图2所示:
出现这种现象的最简单直观解释就是从管子关断开始流经上下谐振支路的电流不一样,而这种区别产生的原因来自于上下功率管由于关断时间的不一致,即当一个管子上电流已经衰减到零时而另外一个管子上还有电流。这样上下两个谐振支路上电容就会积累不同的电荷产生不同的电压这样自然会导致上下管的谐振波形不一致。为了证实这点将上下两个管子关断时的DS波形拍下做个对比(图3)
其中上面的波形对应下管的关断、下面的波形对应上管的关断。从波形可以看出下管的关断的确比上管要快。为了继续验证,将驱动变压器的两组驱动做了上下调换,从试验看出上下管的DS波形几乎完全对称,通过在下管驱动反抽回路里适当地串联一个小电阻以减低其关断速度也可以得到同样的结果,其波形如图4所示。至此已经可以说是功率管由于关断时间的不一致而导致了上下管波形的不对称。
波形不对称问题的解决方法
这种现象对于电路的正常工作产生的影响在于:如果波形严重不对称会导致上下功率管关断时其DS结电容上积累的能量相差很大,能量小的那一路钳位二极管根本就不参与工作,而能量大的那一路却有很长时间会通过钳位二极管向直流母线回馈能量导致其二极管温度高可靠性下降严重时会损坏二极管,因此有必要将其不对称性降低到一定范围内。解决方法是:尽量调整使得上下管的关断时间一致。因此在PCB布线时上下管走线要尽量对称、绕制变压器时两个驱动绕组要尽量一致。而在PCB板、驱动变压器、驱动参数都已既定的条件下,其不对称性也定了比如说都是下管电压高而上管电压低只是不对称的程度稍有区别,这时就可以在关断速度快的那一路的驱动反抽电路里串进一个小电阻人为地将其关断速度降低以达到与另外一路同步,但是这样做会影响整机效率、使得功率管的温升提高所以须折衷考虑。
有的也采取将变压器励磁电感加大的方法来解决这个问题,就本人理解这种方法没有解决根本问题,这只是将励磁能量加大,使得上下管的能量都积累到一定程度,使得钳位二极管都导通,相当于强制性地将波形拉对称并没有减轻钳位二极管的负担。而且漏感的相应增大还会延长动态转换时间。

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