推挽正激电路箝位电容的应用研究
2016-01-28 来自: 陕西省电源学会 浏览次数:4899
摘要：基于推挽拓扑结构设计研究了一种全电坦克炮控系统用升压电源，然而由于推挽变压器存在着难以消除的偏磁现象，使得这种升压电源的可靠性较低。推挽变压器抑制偏磁的方法有多种方法，诸如优化变压器设计、改善控制方法等。本文介绍了一种改进型推挽变压器，并在推挽变压器一次侧两绕组的同名端连接箝位电容，组成了一种新型的电路拓扑结构—推挽正激电路。箝位电容的引入，可以有效抑制推挽变压器的偏磁现象，同时还具有抑制开关管尖峰电压、提高工作效率、减小输入电流脉动的优点。
关键词：推挽正激 箝位电容 偏磁 尖峰电压
Abstract：
Keyword：
某在研坦克炮控系统采用高频功率变换技术实现车辆24V到270V电压的转换，其主电路为传统的推挽式拓扑结构，具有结构简单，变压器磁芯利用率高的优点[1]，但同时推挽结构难以克服的偏磁现象大大影响了其可靠性，严重时造成功率器件的损坏。推挽变压器抑制偏磁的方法有多种方法，诸如优化变压器设计、改善控制方法等[2~4]。本文介绍了一种改进型推挽变压器，并在推挽变压器一次侧两绕组的同名端连接箝位电容。箝位电容的引入，可以有效抑制推挽变压器的偏磁现象，同时还具有抑制开关管的尖峰电压，提高工作效率，减小输入电流脉动的优点。
1 推挽正激电路
1.1 工作原理
图1 推挽正激电路拓扑结构
a工作模态1[ t0~t1]
b工作模态2[t1~t2]
c工作模态3[t2~t3]
d工作模态4 [t3~t4]
图2 半个周期中各模态的等效电路图
在半个开关周期内，推挽正激电路共有4个工作模态，如图2所示，具体分析如下：
(1) 工作模态1[t0~t1](见图2a)
t0之前，原边电流沿Vin－N1－C－N2进行环流，大小为Iav(其值由公式8得出)；绕组N1和N2反串联，绕组两端电压为零，因此，副边整流二极管D1、D2、D3、D4同时导通，整流桥支路电流为Io/2。在t0时刻，S1开通，Vin加在N1上，IN1增大；VC加在N2上，IN2减小并反向增大。在副边，流过D1、D4的电流增大，流过D2、D3的电流减小。到t1时刻，ID1增大到负载电流，ID2减小到零。
(2) 工作模态2[t1~t2] (见图2b)
t1时刻，D1、D4流过全部的负载电流，D2、D3处于关断状态。电源Vin通过绕组N1和开关管S1提供励磁和负载电流，励磁电流上升斜率为Vin/L1，电容C电压VC通过开关管S1和绕组N2提供部分负载功率和一半的励磁能量。在此期间，该电路结构在工作原理上相当于两个单端正激电路的并联。
(3) 工作模态3[t2~t3] (见图2c)
t2时刻，关断开关管S1，由于绕组N1中的电流IN1大于绕组N2中的电流IN2，S2的反并联二极管DS2被迫导通，VC通过回路C－N1－DS2为N1绕组去磁，同时，N1绕组中的漏感能量也通过该回路释放到箝位电容C中。由于DS2的导通，Vin－DS2－N2构成另一回路，释放N2中漏感能量，IN2减小并反向增大，当时，DS2自然关断，此工作模态结束。在该过程中，由于DS2的导通，故S2两端的电压为零，S1两端的电压为VC+Vin=2Vin。
(4) 工作模态4 [t3~t4] (见图2d)
在此期间，开关管S1和S2都关断，Vin－N1－C－N2形成回路，此时形成环流电流Iav，绕组N1和N2反向串联，原边两绕组电压都为零，因此，加在开关管上的电压都为Vin。副边整流二极管D1、D2、D3、D4同时导通，ID1开始减小，ID2开始增加。
2.2 箝位电容作用
从工作原理分析知：仅仅在推挽电路基础上添加一箝位C，推挽正激电路的工作原理便大不同于推挽电路。箝位电容C的作用可以归纳为以下4点：
(1) 抑制开关管的尖峰电压。推挽正激电路提供了一个由N1－C－DS2组成的能量吸收回路，把S2的漏、源电压箝位在Vin+VC。电容C在开关管S1关断的瞬间，储存绕组N1漏感的部分能量，因而开关管S1上的尖峰电压较小；在开关管S2导通时，电容C的能量释放到负载，没有能量损耗。
(2) 提高工作效率。推挽正激电路采用了无损吸收技术，在抑制尖峰电压的同时，箝位电容也参与能量的转换，提高了能量转换效率。
(3) 抑制磁芯偏磁。推挽正激电路中，箝位电容C的电压是浮动的，任何磁芯瞬态双向不对称磁化因素，都会导致VC在原有基础的变化，从而迫使磁芯稳态时双向磁化对称。
(4) 减小输入电流脉动。电容C在S1、S2都不导通时保持了从电源吸收能量的电流Iav，使得输入电流的波动为KIo/2， 而在推挽电路中，输入电流波动为KIo。因此，在同等功率输出情况下，推挽正激电路的电流脉动仅为推挽电路的一半，降低了对输入电网的电磁干扰。