一种多模态准谐振变换器的设计

一种多模态准谐振变换器的设计

反冲变换器结构简单，成本低，易于控制，能够在低能耗情况下实现电气隔离并广泛应用于小功率场景。传统反激变换器常用恒频PWM控制，开关方式为硬开关，开关频率恒定，难以在负载大范围变化时保持高效率。准谐振模态在开关管端电压最小处使开关管导通，重载时能够保持较高效率，但开关频率随负载减小而上升，轻载时效率较低1变换器的工作原则1.1变换器的主要设备变换器主电路如图1所示，电路主拓扑为反激结构。图2为电路工作状态图。ttt1.2开关管开关工作原理前文分析了变换器的工作原理，不同模态下变换器工作过程相似。图3为不同模态下波形图。图中(a)、(b)、(c)分别对应准谐振模态、断续模态以及固定导通时间模态。u准谐振模态：系统重载时，变换器工作于准谐振模态，准谐振模态波形图如图3(a)所示。当二次侧电流i谐振频率为：以t式中：u开关管端电压随时间变化而改变，当谐振经过半个周期后电压到达波谷位置，开关管端电压为：开关管端电压由t开关管开关周期为：式中：T准谐振模态时，当负载减小时，变压器磁化时间T断续模态：随着负载不断减小，变换器由准谐振模态进入断续模态，断续模态下波形图如图3(b)所示，开关管仍旧在谷底位置开通。此时变换器开关频率恒定，占空比随负载减小而减小，通过改变占空比来调节输出电压。固定导通时间模态：断续模态之后随着负载继续减小，变换器进入固定导通时间模态，固定导通时间模态波形如图3(c)所示，开关管在谷底位置开通，此时开关管开关频率随负载减小而减小，导通时间固定，通过改变开关频率来调节输出电压。Burst模态：变换器在负载很轻或者空载时，变换器工作于Burst模态，此时开关管工作时开关频率固定在最小频率f在多模态准谐振变换器设计过程中，变压器电感的设计直接关系到变换器的整体性能式中：P变压器主电感为：式中：t开关损耗主要有两部分构成式中：I为交叉点电流值；f变换器由于具有多种工作模态，重载时，在准谐振模态下在开关管端电压处于谷底时开通开关管，减小开关管端电压u2开关管导通控制变换器各种模态之间的切换取决于负载大小，负载大小体现在输出电压。当负载变大时，输出电压降低；当负载减小时，输出电压升高。负载的大小转化为输出电压大小，输出电压的微小变化经放大后控制模态切换。变换器控制回路如图4所示。变换器采用电压电流双闭环控制并辅助谷底检测。电压电流双闭环控制开关管的关断，谷底检测部分控制开关管的开通。通过辅助绕组检测到开关管端电压的谷底位置，并控制开关管在此位置开通，以减小开关损耗。电流i当负载变大，输出电压下降时，由电压外环确定的参考电流增大，开关管导通时间增加，关断时间减小，输入能量增加，使得输出电压回升；当负载减小，输出电压增大，由电压外环确定的参考电流减小，开关管导通时间减小，关断时间增大，输入能量减小，使输出电压减小。准谐振模态：该模态下开关管开关频率随负载减小而升高，由电压外环确定的参考电流随输出电压的变化而变化，参考电流不固定。断续模态：该模态为准谐振和固定导通时间模态之间的过渡状态，当负载减小，变换器由准谐振模态向断续模态过渡时，开关频率不断上升，进入断续模态后开关频率固定为f固定导通时间模态：随着负载不断减小，输出电压变大，当进入固定导通时间模态后，由电压外环整定的参考电流被限幅环节固定，不随输出电压的增大而变化，因此开关管导通时间恒定，此时电压外环主要负责改变频率，当负载变化时通过调节开关管的开关频率来调节输出电压，开关频率随负载减小而降低，最终下降至最小开关频率fBurst模态：该模态下参考电流仍旧为固定值，输出电压采用滞环控制，变换器间断性工作。当输出电压过低时，变换器工作，此时开关频率固定为f3多模态工作分析为验证理论的正确性，试制一台24V/2A的原理样机，输入电压为200V，反激变换器励磁电感为L图5为多模态准谐振DC/DC变换器开关管端电压波形图及输出电压波形。输出电压均稳定在24V左右。图5(a)为变换器工作在准谐振模态时开关管端电压波形，开关管在第一个谷底处开通，多模态准谐振DC/DC变换器处于准谐振模态，开关频率为50kHz。图5(b)为变换器工作在断续状态下开关管波形图，开关管在第二个谷底处开通，开关频率为100kHz。图5(c)为变换器工作在固定导通时间模态时开关管端电压波形，开关管仍旧在谷底处导通，开关频率为70kHz。图5(d)为变换器在Burst模态下的开关管端电压波形图，由图可见开关管处于间断工作状态，大部分时间处于关断状态，工作时开关频率为40kHz，减小了开关损耗。图6为多模态准谐振DC/DC变换器效率曲线。图中对比了多模态准谐振DC/DC变换器与传统PWM反激变换器的效率。由图可知多模态准谐振DC/DC变换器主要提高了轻载时的变换效率，在重载范围内由于工作在准谐振模态，变换效率也有所提高。4多模态工作原理为解决反激电源在负荷大范围变化时变换器效率低的问题，提出一种多模态准谐振DC/DC变换器，通过引入多种工作模态，根据负载的变化切换工作模态，负载由满载到空载，变换器依次工作在准谐振模态、断续模态、固定导通时间模态以及Burst模态，使得变换器在不同负载条件下均能获得比较高的转换效率。对多模态准谐振DC/DC变换器的工作原理、控制方法进行介绍，最后试制实