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凡亿专栏 | 有源钳位正激变换器相关参数设计
有源钳位正激变换器相关参数设计

1、钳位(复位)电容的电压


忽略时间非常短的谐振过程,主开关管S1导通时间为ton,根据伏秒值平衡:


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得到:


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输入电压最低时,占空比最大,复位电压最大,变压器磁通复位时间最短;为了能在最短的时间内完成磁通复位,复位(钳位)电容的最大电压为:


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2、主开关管的电压应力

输入电压最高时,占空比最小,复位电压最低,变压器磁通复位时间最长;输入电

压最低时,占空比最大,复位电压最大,变压器磁通复位时间最短。主开关管的电压应力为:

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输出与输出关系为:

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所以:

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因此,在输入电压范围的某一个中间值,主开关管的电压应力最小。输入36V-72V,输出3.3V/8A,钳位电容为22nF,变压器匝比n=6,VDS1与Vin关系如图1所示。

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图1  VDS1与Vin关系

3、钳位电容选取

钳位电容通常基于其容许的纹波电压来进行选取,钳位电容足够大,可以似为理想的电压源。钳位电容的电压会随着输入电压的变化而变化,考虑到输入电压瞬态或突然变化,钳位电容的电压需要时间来进行响应,因此,钳位电容值越大,纹波电压越小,瞬态响应时间越慢。功率MOSFET管最高尖峰电压低于额定电压且具有一定余量的前提下,初始设计时,钳位电容的纹波电压可以设定为其电压值的20%。同时,变压器复位期间,Lm与Cr的谐振周期必须远大于主功率MOSFET管最大关断的时间:

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工程设计时,通常取10倍比例:


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4、变压器初级电感选取

双管正激变换器每个开关周期,变压器初级励磁电感电流在第一和第三象限之间来回工作,正反两个方向激磁。为了保证系统稳定工作和输出电压的正常调节,初级励磁电感选取的要求为:变压器次级输出电流反射到初级的电流值必须总是大于初级电感的磁化电流,也就是在输入电压最小、占空比最大且输出电感电流峰峰值最小时,次级输出电流反射到初级的电流值必须大于初级电感的磁化电流。那么,可以设定:在此条件下,初级电感磁化电流的峰峰值小于或等于输出电感电流的峰峰值(电流纹波)反射到初级的峰峰值的一半。


输出电感电流的最小峰峰值纹波为:


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所以,初级电感磁化电流的峰峰值纹波为:


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在输入电压最大时,计算变压器初级电感Lm为:


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通常,设定输出电感电流的纹波值为输出电流Io的20-40%:


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那么:


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Lm的计算公式为:


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使用经验法时,通常设定初级电感磁化电流的峰峰值远小于输出电流反射到变压器初级的电流值,工程设计时,通常取10倍比例:

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因此,两种方法所得到的结果基本相一致。

注意到,初级励磁电感电流仅在第一象限工作的正激变换器,如第三辅助绕组复位正激变换器,初级励磁电感磁化电流的峰峰值是从0到正的最大值;有源钳位正激变换器,初级励磁电感磁化电流的峰峰值是从负的最大值到正的最大值,有源钳位正激变换器初级的最大峰值电流为:

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5、实际工作波形

输入36V-72V,输出3.3V/8A,钳位电容为22nF,使用P沟道功率MOSFET管,下端钳位,实际的工作波形,如图2、图3、图4所示。

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图2  VDS1工作波形

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图3  Vin=36V的工作波形

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图4  Vin=72V的工作波形

有源钳位正激变换器,开关管电压应力低,占空比可以大于0.5,输入电压范围宽;变换器励磁电感进行正向与反向激磁,工作在第1、第3象限,磁芯利用率高,变压器磁通复位没有损耗,效率高。但是,系统电路结构复杂,成本较高,主要用于中功率的应用。

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