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準諧振單端反激式變換器的分析和設計

來源: 編者:高彧博,謝章貴 發布時間:2014-02-10

摘要:基于行波管燈絲、調制器的電源設計要求,提出了一種準諧振單端反激式變換器。準諧振變換器是通過調整開關電源波形以減少或消除電源的開關損耗,本文所討論的準諧振變換器是在功率開關關斷時開始諧振,達到零電壓開啟,實現軟開關。文中對該電路拓撲設計、參數選擇、saber電路仿真以及實驗結果進行了詳細描述。
關鍵詞:開關電源;行波管;準諧振;單端反激;saber仿真
Abstract:
Keyword:

行波管放大器廣泛應用于雷達、導航、通訊等各個領域,隨著星載、彈載行波管放大器的逐步發展,行波管放大器的電源設計要求也逐步提高,要求小體積、高效率、高可靠性等。

本文詳細分析了可作為行波管燈絲、調制器供電電源的準諧振單端反激式變換器。行波管燈絲、調制器電源功率需求不大,但要求多路輸出交叉調整率好,故而選擇單端反激式變換器;對于星載、彈載的行波管放大器燈絲、調制器電源而言,要求小體積、高效率,因此選擇準諧振拓撲,可以降低損耗,提高效率,提高開關頻率,減小電源體積。

軟開關的實現

1.1 拓撲工作原理

   準諧振式單端反激變換器的工作原理如圖1所示,開關管Q1漏源電壓Vds與柵極驅動電壓Vgs工作波形如圖2所示。

 

圖1單端反激式準諧振變換器原理圖

 

圖2準諧振波形

準諧振工作過程分析:

1.開關管導通時間ton內,Vdc加在變壓器初級電感Lp和諧振電感Lr兩端。

Lp+Lr                                          (1)

Ip為初級峰值電流。

2.開關管關斷時間toff內,變壓器初級電感Lp在開關管導通期間儲能

                                                  (2)

開關管關斷時向次級饋能。諧振電感Lr儲能

                                                   (3)

與諧振電容Cr進入諧振狀態,Cr兩端電壓如圖2中的Vds。此時,變壓器初級電感可等效為電壓源Vor,等效電路圖如圖3所示。

 

3 Toff狀態等效電路圖

如上圖所示等效電路列出KVL方程

                                             (4)

上式中c(t)為電容兩端諧振電壓,令t0=0,i(t0)=Ipc(t)=0,可解得:

諧振電流 i(t)=A                                        (5)

諧振電壓 Vc(t)           (6)

上式中  A

Vc即為開關管兩端電壓,則開關管兩端電壓峰值Vcm= ,在開關管關斷期間,開關管兩端電壓以(為次級折射到初級的等效電壓)為基準,以為幅度進行諧振,開關管需要零電壓導通,則在開關管關斷期間,其兩端諧振電壓必須在下一個周期開通前回零(存在第二個零點),而且關斷期間單諧振峰軟開關效果最佳。據此,得到開關管零電壓開通的軟開關條件:

                                                                 (7)

1.2 開關管損耗分析

    電路工作頻率較高,功率較小,選用MOSFET作為開關管,文中分析的開關管指MOSFET。在傳統硬開關電源中,由于MOSFET的輸出電容(漏源寄生電容)較大,器件關斷時,輸入電壓加在輸出電容上,輸出電容存儲能量較大,開通瞬間這些能量全部損耗在器件上,開通損耗大,而且對MOSFET應力較大,這種開通損耗與頻率、輸出電容成正比,與輸入電壓的平方成正比,嚴重限制了開關頻率的提高,從而限制了電源的體積。采用準諧振使開關管完成零電壓開通,大大減小了開關損耗,從而讓電源的高頻化小型化成為可能。

電源設計

2.1 電源要求

  

  

  

  

  

  

2.2 主回路設計

2.2.1 電源主回路結構

圖4電源主回路結構框圖

   電源主回路結構如圖4所示,以燈絲電源輸出繞組為主進行反饋穩壓,其他路輸出功率較小,對于類似行波管調制器等對紋波要求較高的電源,可用后級串聯調整進一步穩壓并減小紋波。

2.2.2 電源控制方式選擇

   由(1),(2)可知,選擇調寬控制方式,控制開關管導通脈寬,可控制變壓器饋能大小,從而達到控制輸出電壓的目的。據此,控制芯片選擇反激式變換器最常用的UC1842。

   根據前文準諧振分析可知,諧振過程在開關管關斷Toff期間完成,而諧振頻率不變,所以要完成準諧振零電壓開通,應該將關斷時間Toff固定。電源控制方式選擇為固定關斷時間、可控開通時間的電流型控制方式。UC1842芯片不能固定關斷時間,所以要加輔助開關管進行控制,如圖5所示。

......



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