低壓大電流DC/DC變換器拓撲分析
倍流整流結(jié)構(gòu)不是源于Buck 變換器,但也起降壓作用。其基本工作原理如圖3 所示:當變壓器的次級電壓Vsec為正時,VD1 關(guān)斷,電感L1 的電流IL1增大并流經(jīng)負載,VD2 和變壓器次級形成回路,同時電感L2 的電流IL1減小,它流經(jīng)負載和VD2 形成回路;當變壓器次級電壓Vsec為負時,其過程也類似;而當變壓器的次級電壓為零時,則電感L1 和L2的電流分別流經(jīng)VD1 和VD2 形成回路,即VD1 和VD2 同時導通。因此,雖然其濾波電感頻率與其功率主開關(guān)的相同,但是由于兩個濾波電感的紋波電流互相抵消了一部分( i11 + i12) ,其輸出濾波電容的紋波電流減小了,因此在倍流型結(jié)構(gòu)中所需要的濾波電容比正激式的小得多。
由圖1b 可以看出,在每個開關(guān)周期內(nèi)正激式結(jié)構(gòu)的整流管的總導通損耗相當于輸出濾波電感電流一個周期內(nèi)流過一個整流管的損耗;在中心抽頭或者倍流型結(jié)構(gòu)中,由于雙端變換器的變壓器次級電壓在功率開關(guān)管的死區(qū)內(nèi)為零,所以其兩個整流管在死區(qū)時間內(nèi)同時導通,兩個整流管中流過的電流均為零,如圖2b 和圖3b 所示,因此,在功率開關(guān)管的關(guān)斷時間內(nèi),整流管的總損耗就大大減少了。
由圖2a 和圖3a 的對比可知,中心抽頭型和倍流型從元件個數(shù)和結(jié)構(gòu)的復雜性都是差不多的,但在大電流的情況下,倍流型次級結(jié)構(gòu)的性能更好。
可從以下幾點來說明: ①倍流型結(jié)構(gòu)的電感電流和變壓器次級的電流只是中心抽頭型結(jié)構(gòu)電流的一半,因而其導通損耗比中心抽頭的要??; ②倍流結(jié)構(gòu)使大電流的電路相互連接數(shù)目最少,這就簡化了次級的布線,并因此減少了與布線有關(guān)的損耗; ③倍流結(jié)構(gòu)中的變壓器和濾波電感可以公用一個磁芯,簡化了元件的包裝和減小了體積。
2. 2. 3 變壓器次級3 種結(jié)構(gòu)的優(yōu)選。
從以上分析可知,反激式的初級拓撲和中心抽頭型的次級結(jié)構(gòu)相對來說有很多不足。經(jīng)過優(yōu)選,適用于低壓大電流的降壓型初級拓撲有正激式、推挽式和橋式,而在次級整流拓撲中,正激式和倍流式兩種更為適用于低壓大電流。但是,推挽式和橋式等雙端結(jié)構(gòu)的初級拓撲顯然不能和正激式的次級拓撲組合;而且,非對稱的正激式初級結(jié)構(gòu)雖然可以和倍流整流式的次級結(jié)構(gòu)組合,但效果并不理想。
所以,可得出的優(yōu)選拓撲組合是: ①初級正激式與次級正激式的組合; ②橋式與倍流式的組合; ③推挽式與倍流整流式的組合。即正激式變換器和帶中心抽頭的橋式變換器以及推挽正激式變換器。
3 正激式變換器
如圖4 所示,正激式變換器的優(yōu)點主要在于結(jié)構(gòu)簡單、次級紋波電流明顯衰減,紋波電壓低、功率開關(guān)管峰值電流較低、并聯(lián)工作容易、可以自動平衡、屬降壓型變換器。因此,它是最早應用于低壓大電流的變換器。但其缺點也很明顯: ①需要一個額外的磁復位電路來避免變壓器的磁飽和; ②對變壓器的設(shè)計要求比較高,要求其漏感小,以減小續(xù)流管在關(guān)斷過程中的損耗; ③同步整流中的死區(qū)過大使得其效率減??; ④整流管的體二極管不僅在導通的過程中增加了電路的損耗,而且在關(guān)斷過程中,由于其反向恢復特征,也會引起能量損耗,這個損耗與反向恢復電荷、頻率、次級電壓成正比關(guān)系。
圖4 正激式變換器結(jié)構(gòu)圖
以上問題有的已經(jīng)得到很好的解決。正激式變換器在其同步整流的驅(qū)動中多采用自驅(qū)動方式。比較典型的自驅(qū)動方式有3 種電路,如圖5 所示。
圖5 正激式變換器中同步整流管的3 種自驅(qū)動方式
(諧振復位、有源鉗位、零電壓多諧振變換器)。
另外,為了改善整流管的死區(qū)問題,混合驅(qū)動方式采用了的電荷保持技術(shù),此驅(qū)動方式也不失為一種好的驅(qū)動方式。
在文獻[ 4 ]的實驗中,采用LCD 復位和電荷保持混合驅(qū)動方式的正激式變換器在48V 輸入,5V/10A 輸出時,最高效率可達92. 3 %.
4 帶倍流整流的橋式變換器
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