单端反激式隔离集成控制器开关电源核心部件脉冲变压器的研究

单端反激式隔离集成控制器开关电源核心部件脉冲变压器的研究

0端反激式隔离开关电路分析大多数大型通信设备直接从交流电源中受益。为了降低成本，提高效率，通常采用高频开关电路的形状。单端反冲隔离开关通常用于消耗功率小于100w的电子设备。这些开关的电路形式不同，但供电的基本结构和工作原则相似。这里，脉压在开关中起着能量储存、传输和释放的重要作用。正确的设计、生产和调试是电路正常工作的基础。它对提高耐能性、提高效率、可靠性和稳定性非常重要。1反激式隔离开关电路开关电源中的脉冲变压器起着极其重要的作用:第一,通过它实现电场-磁场-电场的能量转换,按照负载的需要将交流功率实时动态地变换为直流功率,实现直流稳压电源供电的目的;第二,实现变压作用,通过脉冲变压器的初级绕组与多个次级绕组可以输出多组不同的直流稳定电压值,为不同电路单元提供直流能量;第三,实现传统电源变压器的电隔离作用,将“热地”和“冷地”隔离,避免触电事故,保证用户端的安全.单端反激式隔离脉冲变压器能量传递方式有两种。第一种,完全能量传递方式:即在每个开关周期内存储在脉冲变压器初级绕组中的能量必须保证通过次级绕组向直流负载完全释放掉;第二种,不完全能量传递方式,即在开关周期内储存在变压器初级绕组中的能量,不全部通过次级绕组向直流负载释放完毕,而保留一定的能量,脉冲变压器只是在每个周期内从高压直流电源侧吸收直流负载所消耗的能量.根据脉冲变压器在能量传递中,初、次级电流的特点,又分为三种工作方式:即非连续工作方式、临界工作方式和连续工作方式,前两种为完全能量传递方式而后者为不完全能量传递方式.脉冲变压器工作方式直接决定着开关电源电路中的各种参数(包括变压器本身和电路各种元器件),决定着开关电源将交流功率变换为直流功率的全过程.典型单端反激式隔离开关电源电路如图1所示,脉冲变压器TR包括初级绕组Np、次级绕组Ns1、Ns2和辅助电源绕组Nb,从图中变压器绕组同名端极性的标注可以看出它是反激形式的脉冲变压器.VMOS功率开关管Q受PWM控制器IC1的驱动,Rs为初级绕组充电电流峰值检测电阻,次级的负载有两路直流输出,分别为Uo1和Uo2,辅助绕组所产生的直流电源Ub供给PWM控制器.主输出直流电压Uo1通过电阻R以及光耦IC2及稳压二极管D2为控制端,光敏三极管为受控端.当Q导通期间,TR的初级绕组电流增加并开始充磁,其两端的自感电动势极性为上正下负,感应到次级绕组自感由动势的极性为上负下正,使次级各个整流二极管截止;当Q截止时,突然切断了初级绕组的电流,根据电感电流连续的原理,初级绕组的电流仍要维持原流动方向,向Q的漏、源极之间的等效输出电容充电,并与等效电感发生频率很高的谐振,立即使初级绕组两端自感电动势的极性变为上负下正,感应到次级绕组自感电动势的极性也立即翻转变为上正下负,则次级各个整流二极管D1和D2由截止变为导通,TR初级绕组储存的磁场能量通过互感由各个次级绕组分别通过各自整流二极管向直流负载提供直流能量.在这个过程中TR的初级绕组通过充磁将电场能量转换为磁场能量储存起来,再通过次级绕组释放将磁场能量转换为电场能量.从能量守恒的角度看,每个开关周期内TR充磁、去磁的能量应该是相等的,也就是说,在每个开关周期结束时,磁芯的磁通应该恢复到原始状态,这就是磁通复位.TR初、次级电流波形如图2所示.在Q导通期间(ton=t0-t1),初级绕组电流ip线性增加ip=1Lpt1∫t0Eidτ=EiLpt1∫t0dτip=1Lp∫t1t0Eidτ=EiLp∫t1t0dτ式中的Ei是初级高压直流电源电动势,Lp是初级绕组的电感量,在一个开关周期内二者基本为常量,由t0开始到达Q关断的时刻t1,初级电流达到最大值IpmaxΙpmax=EiLp(t1-t0)=Ei×tonLpIpmax=EiLp(t1−t0)=Ei×tonLp在t1时刻,TR初级储存的磁场能量Wp为Wp=12×Lp×Ι2pmaxWp=12×Lp×I2pmax在Q关断期间(toff=t1～t2),次级各个整流二极管导通,次级绕组电流is由最大值开始减小is=Ιpmax×ΝpΝs-(ΝpΝs)21Lst2∫t1(Uo+UDs)dτ=Ιpmax×ΝpΝs-(ΝpΝs)2(Uo+UDs)×toffLsis=Ipmax×NpNs−(NpNs)21Ls∫t2t1(Uo+UDs)dτ=Ipmax×NpNs−(NpNs)2(Uo+UDs)×toffLs式中Np、Ns为初、次级绕组的匝数,Ls为次级绕组的电感量,Uo为输出直流电压,UDs为次级整流二极管的正向压降.当到达t2时刻一个开关周期结束,Q重新导通.在t2时刻TR剩余的磁场能量有三种可能:第一种,变压器还储存一定的能量,称作连续工作方式;第二种,变压器储存的能量刚好释放完毕,称作临界工作方式;第三种,在t2时刻之前变压器储存的能量已经释放完毕,称作非连续工作方式.2脉冲压裂的三种工作方法的分析2.1tr在充磁过程中的作用见图2,TR在ton期间储存能量,在toff期间向负载释放,当到达t2时刻,变压器储存的磁场能量没有完全释放掉.在新的一个开关周期开始时,初级绕组的充电电流初始值不会为零,而出现一个电流台阶值.此后,每一次Q导通,相应的初级绕组充磁电流都会从电流台阶值开始线性上升.根据能量守恒定律,TR在每个开关周期内应该满足充磁能量等于去磁能量的恒等关系,这样就保证了开关电源的正常工作,即ΔWmag=ΔWdemΔWmag=ΔWdemΔWmag为充磁能量,ΔWdem为去磁能量.在TR充磁过程中,随着初级电流的增大,磁芯中的磁通从Φ0(即磁滞回线的剩磁Br处)也相应增大一直升到Φ1;在去磁过程中,随着次级电流的衰减,磁芯中的剩磁也在下降,磁通由Φ1返回到Φ0的原来位置,实现磁通复位.这种工作方式下,直流输出负载RL两端的电压U0等于U0=(Ei×δ1-δ×ΝsΝp)-UDs式中的δ是占空比(δ=ton/T,0<δ<1),开关电源在连续工作方式下,当输入交流电源电压波动使Ei随之波动或负载电流变化时,只要相应动态地改变占空比δ就可以连续输出稳定的直流电源电压.2.2级电源放电见图3,在这种工作方式下,TR在ton期间储存的能量,在toff期间的t2时刻到达之前向直流负载释放能量的过程已经提前结束,TR储存的磁场能量提前恢复为零.在toff开始的阶段,通过互感由TR次级向直流负载释放能量,次级绕组电流线性下降,当到达t′2(t′2<t2)时,TR初级绕组所储存的磁场能量就已经释放完毕,随之次级放电电流下降到零,在t′2-t2期间次级整流二极管也处于截止状态,负载所需要的直流电源由并联在其两端的滤波电容器的放电来支持.在这个过程中磁芯的磁通由0上升到Φ1,再回到0,实现磁通复位.这种方式下直流输出负载RL两端的电压Uo等于U0=Ei×ton×√RL×fs2×Lp式中fs为电源的开关频率,RL是直流负载电阻.可以看出当电源相关参数确定后,输出直流电压Uo的数值不仅与Ei有关,还与输出端的负载RL的大小有关,RL越大(即负载越轻),输出的直流电压越高;而RL越小(即负载越重),则输出的直流电压越低.如果RL过大(负载开始)就会形成过高的直流输出电压,这种高压将直接威胁着相关电路耐压值有限的元器件,严重时会造成击穿损坏.因此这种工作方式下的开关电源是绝对不允许将直流输出端开路的(通常在负载两端额外并联一个阻值较大的电阻作为假负载).2.3电流输出下降控制见图4,在这种工作方式下,TR在ton期间储存的能量,在到达t2时刻刚好准确的完全释放掉,在t2时刻is刚好下降为零.在新的一个开关周期开始,初级绕组的充电电流初始值为零.根据能量守恒定律,TR完全满足在每个开关周期内充磁能量等于去磁能量.此后,磁芯的磁通每次都从零开始上升,保证了磁通复位.这种方式下直流输出平均电流的临界值IoB严格按照下面公式来确定:ΙoB=E2i×Uo2×fs×Lp×[(ΝsΝp×Ei)+Uo]2如果输出电流大于IoB,则电源工作在连续方式;如果输出电流小于IoB,则电源工作在非连续方式.因为连续工作方式与非连续工作方式输出直流电压的表达式截然不同,开关电源电路的各个元器件参数是确定的,在交流电源电压波动以及负载大小变化时,很难保证电源在整个工作期间准确地工作在临界工作方式下.因此,在设计开关型稳压电源时一般不采用临界工作方式.3功率开关管关断保护电流系统稳定非连续工作方式和连续工作方式的单端反激式隔离开关电源,有着不同的特点,工作过程不一样,下面分别进行分析.(1)在连续工作方式下,稳定的直流输出电压调整方便,Q导通的初始电流不为零,电流变化的斜率didt较小,相应充磁结束时的峰值电流也小,因此Q导通时的损耗就小,降低了对Q的要求,这就需要TR初、次级绕组的电感量相对大一些,其结果会使各个绕组的圈数较多,变压器体积较大,分布电容和漏感也相对大一些.特别是由于PN结存在反向恢复时间trr,这种连续工作方式下,在toff结束时刻,次级整流二极管放电电流不为零,它由正向导通变为反向截止,是由Q重新导通使得TR各个绕组自感电动势极性翻转而造成的,所以会有功率开关管Q与次级整流二极管D同时导通的期间,电流在TR的初、次级流动,形成一个电流交叉区,增加了额外损耗;同样在ton结束时刻,功率开关管的栅极激励已经消失,Q由导通转为关断,同时次级整流二极管由截止变为导通,这也会形成一个短暂期间的电流交叉区,也会增加损耗.最严重的是这种工作方式下,TR存在剩磁Br,理论上应该保证每一个周期结束时磁通都恢复为Φ0,但是实际由于磁芯存在铁损,线圈铜线绕组存在铜损,不可避免会由于温度的升高可能使得Φ0发生偏移,其结果可能使磁通不能复位,很快就会使磁通变化进入非线性区域,电感量减小,电流值增大,形成恶性循环,最终导致开关电源损坏.当利用拉普拉斯变换确定系统传递函数时,复平面的右半平面有一个零点,很容易造成系统不稳定.因此作为一般的单端反激式隔离开关电源,很少有人采用这种连续工作方式.(2)非连续工作方式下,在Q开始导通时由于变压器剩磁为零,因此初级绕组初始电流为零,电流变化的斜率didt较大,同样峰值电流相应较大,因此Q的损耗就大,但是TR初、次级绕组的电感量相对小一些,线圈的圈数较少,变压器体积、分布电容和漏感就小.这种工作方式的优点比较多,首先是在toff结束之前次级整流二极管已经截止,Q重新导通的瞬间不会形成电流交叉区,因此损耗明显减小.其次,由于在每个周期结束时,磁芯的剩磁为零(即磁通也为零),绝对保证了磁通复位,磁通变化呈现重复性,也适合长时间在温度波动的恶劣环境下工作.虽然这种方式直流输出电压Uo的大小与输入电压Ei及负载RL的变化有关,但是只要保证在直流输出端不开路(可以是负载电路本身或假负载),利用这种电路形式对输入电压或负载电流的突然变化反映迅速的特点,采用稳定性很好的双环路反馈(输出直流电压隔离取样反馈外环路与初级绕组充磁峰值电流取样反馈内环路)控制系统,就可以在每一个周期时间内对前一个周期对应的直流输出电压值和初级绕组充磁峰值电流值,通过开关电源的脉冲宽度调制(PWM)器,迅速地调整脉冲占空比,达到使输出的直流电压稳定的目的.同样利用拉普拉斯变换确定系统传递函数时,使系统的零、极点全部在复平面的左半平面内,系统十分稳定.但是这种方式的开关电源对各个元器件的参数要求较高,Q允许的峰值电流应该是前者的2～3倍,耐压值也要比前者高许多,为了防止出现磁通饱和还需要对TR的磁芯进行精细的气隙研磨处理,由于功率开关管关断的瞬间会有一个较大的瞬态峰值电压脉冲,需要一个DLC网络来吸收,这类电源充磁电流的didt较大,会在