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:1631

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。


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