双管正激拓扑的工作原理和设计举例.docx

1、双管正激拓扑的工作原理和设计举例双管正激拓扑1.概述双管正激拓扑电路是一种在单端正激拓扑上衍生出来的一种拓扑电路。经过实践证明， 这种拓扑的电路具有电路简单， 可靠性高，元器件较单端电路容易选取等特点。 是一种非常优秀的拓扑电路。2.简介双管正激变换器拓扑结构由两个功率开关管和两个二极管构成， 当两个开关管和同时关断时，磁通复位电路的两个二极管和同时导通， 输入的电流母线电压 Vin反向加在变压器的初级的励磁电感上，初级的励磁电感在 Vin的作用下励磁电流从最大值线性的减小到 0,从而完成变压器磁通的复位， 并将储存在电感中的能量返回到输入端， 没有功率损耗，从而提高电源的效率；此外，每个功率

2、开关管理论的电压应力为直流母线电压， 这样就可以选取相对较低耐压的功率 MOSFET管，成本低，而且较低耐压的功率 MOSFET的导通电阻小，可 以进一步提高效率。3.应用范围双管正激变换器广泛的应用于台式计算机的主电源， 中等功率的通信电源及大功率通信电源、变频器等三相电路的辅助电源中。4.基本工作原理和关键点的波形双管正激变换器的拓扑结构如图 1所示，其中Cin为输入直流滤波电解电容， Q1和Q2为主功率开关管，D1、D2和C1、C2分别为Q1和Q2的内部寄生的反并联二极管和电容， D3、C3和D4、C4分别为变压器磁通复位二极管及其寄生的并联电容，不考虑 Q2的漏极与散热片间的寄生电容，

3、 T为主变压器，DR和 DF为输出整流及续流二极管， Lf和Co输出滤波电感和电容。(1)模式 1: t0t1在to时刻Q1和Q2关断，此时D3也是关断的。初级的励磁电感电流和漏感的电流不能 突变，必须维持原方向流动，因此 C1, Ch （散热片寄生电容）和 C2充电，其电压从0逐渐上升，C3和C4放电，其电压由Vin逐渐下降。由上面公式可得:在理想的模型下， G C2，C3 C4，C1 C3 C2 C4所以在t1时刻C3和C4的电压下降到0，同时C1和C1的电压上升到Vin，D3和D4将导通，系统进入下一个过程。在实际的工作中，事实上散热器的寄生电容不能忽略， 这个电容将参与变压器磁通复位的

4、过程。Q1和Q2漏极与散热片间的寄生电容的大小与漏极的面积及漏极与散热片的距离相 关。Q1的漏极接Vin ,散热器接地，因此此寄生电容接在直流母线电压端， 其两端没有电压变化：due dVin 0，也就没有电流从此电容流过： ic 0。实际上，对于交流信号模型来说，此寄生电容相当于短路，因此在交流等效电路中可以不必考虑。Q2的漏极电位在开关的过程中处于变化的状态， 因此在开关的过程中，Q2S极与散热片间的寄生电容将有电流通过。 此寄生电容为Ch,其大小将影响到功率管的开关损耗。 电容值 越大，功率管漏源极电压随时间的变化率 dUds越小，从而减小了功率管的开关应力，并降dt低了功率管关断的功耗

5、，并且低的dUds对EMI也有改善；但是在功率管开通时，电容上储存dt的能量将通过功率管放电，产生开通损耗，形成开通的电流尖峰和噪声。注意到散热器的寄生电容 Ch和C2及C4的总和大于C俐C3的和：C1 C3 C2 C4 Ch所以此模式结束时，C3的电压由Vin下降到0时，C2的电压并不到Vin，此时由于C3的 电压为0，D3将正向偏置导通，将 C3的电压箝位于0。事实上在此过程中，当初级电压大于0即uC2 UC3时，初级变压器电感仍处于正向励磁,电流增加，而且次级电感电流将反射到初级， 参与电路的谐振。当其电压过 0后，在很短的 时间，次级整流和续注二极管换流使次级处于短路， 次级电感电流将

6、不能反射到初级， 也就不参与电路的谐振。换流结束后，初级电压小于 0,只有初级励磁电感与电容谐振。（2）模式 2： t1-t2re 月 T f, ,k 二Ch 1(b)在t1时刻D3导通，Q1和Q2仍然为关断，此时变压器在Ch和C2及C4的作用下去磁。 变压器的励磁电流逐渐减小到 0,然后反向励磁，变压器的电流过0时D3自然关断，系统进 入下一个过程。iLp i C2 iCh iC4 (1)初始值：Uc2() Uc2(t2), Uc4(0) Uc4(t2), iLp (0) 1 M1在模式2过程中，变压器的电流过0前如果C2的电压上升到Vin，那么D4将导通，C2的 电压将被箝位于Vin，变压

7、器的励磁电感在 Vin作用下去磁，直到其电流过 0后D3和D4自 然关断，然后再进入模式 3。在t3时刻D3自然关断，Q1和Q2仍然为关断，变压器在Ch和C2, C4的作用下反向励 磁，相关的公式同于模式 1，仅仅是电容的电压和变压器励磁电流的初始值不同。当C2和C3电压谐振到相等时，C2和C3的电压将维持不变， 直到Q1和Q2导通、系统 进入下一个过程。第二.工作波形及讨论一个双管正激电源系统在空载、中等负载和满载时的工作波形如下图 3所示。功率MOSFET为STP15NK50初级电感量为5mH前级有PFC输入电压为400V。图中，蓝色为下管 的电流波形，棕色为下管的漏源极 DS的电压波形，

8、绿色为上管的电流波形，红色为上管的漏源极DS的电压波形。I 7、Vff lh*初(a) no loadChil 2口口督 Ch1 2.QA 3000Vac电流密度J6A/mm2窗口系数K0.4 B1500Gauss2、磁材选择功率变压器所用铁芯应选用高卩i、低损耗、高 Bs材料。目前，软磁铁氧体因具备以上要求而被广泛应用，在此选用TDK的 PC40材质，参数如下MATERIAL CHARACTERISTICSjior Transformer and Chok)MaterialPC4O1 ni tial pertneabiliiy239025Ar叩litude permeabilitypa300

9、0 mi ri.25七12G25kHze(rc00Cote loss volume density Cc re lo&s)1B=O0hiT|si n 与 waveioq70PbvkWW12(71：SB60010CkHz60C450sine wave1CXTG4W12CTC500SUiration fluxdensity*25510Bsmlecrc450ioa=39012035025C95PeHYianent ffux densiVBrmTarc65100X；55120CSO25C14.3Coerdve force1HeAmarc10.31OGACas120C8CurieTcC21SDensit

10、fct如nW430sBeetrical resistivity-pvl*rn6.5*50加曲 5On?本设计选择 B= 0.15T=1500Gs (仃=10000GS)3、磁芯规格选取用面积乘积法计算:3.46(cm2)，磁所以，选用 GU42X 29磁心骨架，具有窗口面积大 Ajcm2) 1.73 2心中心柱截面积大 Ae(cm2) 2.67 (cm2)的特点。4 4GU42X 29的AP值为2.398cm，其值大于计算所需 AP=1.515 cm 值。PQ32/30参数如F表：磁芯窗口面积：Aw3.462 cm每匝长度：Le6.84cm体积：Ve18.23 cm每匝电感量：Al8500n

11、H/N2最大损耗：Pc (maXW4、变压器初、次级匝数:计算变压器匝比Np Vi n(mi n)NS Vs/Dmax VD Vln变压器初级匝数：nV0 max108Np23 ,f BAe取 Vs=Vo+V+VL=28.5 , VD变压器次级匝数:变压器初级电感量：8500nH/N 2* (23N) 2=4.5mHo23匝，次极5匝。根据实际绕制情况，仍然取初级5、计算线径1)、计算初、次级电流的有效值:初级电流的有效值：Ip(rms) Ip V. D max 1.9(A)次级电流的有效值：Is Io , D max 10(A)2 )、变压器绕组导线线经：原边绕组截面积： Awp1 - 34

12、6 mmJ根据上述计算数据须采用裸线径 0.21mm的漆包线35根并绕绕置，但由于在温度 0.20(mm)，而 150000100 C、工作频率为 150KHZ时铜线的集肤深度:0.21*35mm大于5咅的集肤深度，可采用 35根0.25mm的漆包线绕置，绕置两层， n=20则. 2电流密度为4A/mmI 2副边绕组截面积 Awp2 1.26 mmJ同上，取70根0.21mm的漆包线并绕，绕置两层 n=7。则电流密度为5A/mm。第二部分输出电感器的设计在电流连续模式中，电感中纹波电流通常较小， 线圈交流电损耗和磁芯损耗一般不大，尽可能选择较高的磁通密度以便减小电感的体积， 磁芯饱和是限制选择

13、磁通密度大小的主要因素。以下是在电流连续模式下计算输出储能电感器的。1临界储能电感器电感量的计算：pl:U L ， L U?dt/di ， 其 中dtU U O max / D max U O max 43V , di 0.41 O 6A ,解得，L 19 H选磁芯为GU36*22,其参数如下：磁芯窗口面积：Aw84.5mm每匝长度：Le5.62cm体积：Ve6.533 cm每匝电感量：Al8000n H/N2最大损耗：Pc ( maR2.32W实际电感量取20uH,匝数取22匝。3.气隙：2lg NJ 人 1.6(mm)，妙=4* n *10-74.电感导线的线经选择：在满载状态，电感电流峰值I rm=15A电感绕组导线的截面积： SL 5 1.85（mm2）J采用16根 0.38mm的漆包线并绕，电流密度为 7A/mnl自供电线圈的匝数： Nf * Nl=11.7（匝）。n=12Uo自供电回路流过的最大电流为1717mA即电流的有效值为丁 12.02mA，两个回路2共24.04 mA,所以线经可以选择线细些，小于 2 即可