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高功率密度快充及PD適配器電源結(jié)構(gòu)（3）：非對(duì)稱反激變換器

時(shí)間：2021-11-04 16:20:07
關(guān)鍵字： 適配器    反激變換器    高功率密度   
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[導(dǎo)讀]非對(duì)稱反激變換器為另一種新型的高功率密度軟開關(guān)變換器，其原邊使用激磁電流實(shí)現(xiàn)上、下橋主功率管的ZVS零電壓開關(guān)，次級(jí)整流管為ZCS零電流工作，適合于筆記本電腦PD適配器這種高頻、高效和高功率密度的應(yīng)用要求。這種變換器輸出電壓決定原邊半橋的上管工作的導(dǎo)通時(shí)間，原邊半橋的下管工作在C...


非對(duì)稱反激變換器為另一種新型的高功率密度軟開關(guān)變換器，其原邊使用激磁電流實(shí)現(xiàn)上、下橋主功率管的ZVS零電壓開關(guān)，次級(jí)整流管為ZCS零電流工作，適合于筆記本電腦PD適配器這種高頻、高效和高功率密度的應(yīng)用要求。


這種變換器輸出電壓決定原邊半橋的上管工作的導(dǎo)通時(shí)間，原邊半橋的下管工作在COT固定導(dǎo)通時(shí)間，其導(dǎo)通時(shí)間由諧振頻率所決定，非對(duì)稱反激變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，若輸出整流二極管換為功率MOSFET，則稱為同步整流。非對(duì)稱反激變換器工作的波形如圖2所示。


相關(guān)元件符號(hào)和物理量的規(guī)定：
S1：原邊半橋高端功率管，上管
S2：原邊半橋低端功率管，下管
DR；次級(jí)整流二極管
Cr：原邊串聯(lián)諧振電容
Lm：變壓器原邊激磁電感
Lr：變壓器原邊漏感
SR；次級(jí)同步整流功率管
Np：變壓器原邊繞組匝數(shù)
Ns：變壓器次級(jí)繞組匝數(shù)
n：變壓器的匝比，n = Np/ Ns


VSW：半橋連接的開關(guān)接點(diǎn)電壓，也是S2的D、S兩端電壓
iLm：變壓器原邊激磁電感的電流
iLr：變壓器原邊漏感的電流
iDR；次級(jí)整流二極管的電流


（a）非對(duì)稱反激變換器

（b）非對(duì)稱同步整流反激變換器

圖1：非對(duì)稱反激變換器電路結(jié)構(gòu)


圖2：非對(duì)稱反激變換器工作波形


工作原理分析?
非對(duì)稱反激變換器的一個(gè)開關(guān)周期可分為6個(gè)工作模式，分別分析如下。


1、模式1：T0-T1
開關(guān)狀態(tài)：S1處于導(dǎo)通，S2處于截止，DR處于截止


變壓器Lm和Lr的電流從0開始增加，諧振電容Cr充電，沒有能量傳輸?shù)酱渭?jí)的輸出負(fù)載。
T1時(shí)刻，S1關(guān)斷。


圖3：模式1的等效電路


2、模式2：T1-T2
開關(guān)狀態(tài)：S1處于截止，S2處于截止，DR處于截止


T1時(shí)刻，S1關(guān)斷，（Coss1 Coss2）和（Lr Lm）諧振，Coss1充電，Coss2放電，直到T2時(shí)刻，Coss1的電壓充電到VIN，Coss2的電壓放電到0。


圖4：模式2的等效電路


Coss2的電壓VSW放電到0后，其體內(nèi)寄生二極管DS2導(dǎo)通，將其二端電壓箝位到0。


3、模式3：T2-T3
開關(guān)狀態(tài)：S2處于導(dǎo)通，S1處于截止，DR處于截止


T2時(shí)刻，DS2導(dǎo)通箝位。在T2之后某一時(shí)刻開通S2，此時(shí)由于DS2導(dǎo)通，S2的VDS電壓為0，因此S2是零電壓開通ZVS。


（a）模式3的DS2導(dǎo)通

（b）模式3的S2 ZVS開通
圖5：模式3的等效電路


這個(gè)階段開始時(shí)，諧振電容的電壓VCr會(huì)稍微增加，次級(jí)繞組Ns的正偏電壓也會(huì)增加，但其電壓仍低于輸出電壓Vo，因此次級(jí)整流二極管DR不會(huì)導(dǎo)通。


在T3時(shí)刻，次級(jí)繞組的電壓VNs增加到輸出電壓Vo，因此次級(jí)整流二極管DR導(dǎo)通。


4、模式4：T3-T4
開關(guān)狀態(tài)：S2處于導(dǎo)通，S1處于截止，DR處于導(dǎo)通


在T3時(shí)刻，DR導(dǎo)通，輸出電壓反射到原邊繞組Np，其電壓變?yōu)椋?br>VNp = -nVo


此時(shí)，Lm和Lr分開，形成各自的回路：
（1）Lm電感儲(chǔ)存的能量通過次級(jí)繞組，向輸出負(fù)載傳輸。
（2）Lr、Cr和電壓源-nVo串聯(lián)諧振，滿足下面條件：


諧振電容Cr反射到次級(jí)輸出端，次級(jí)電流波形為正弦波，其頻率就是變壓器的寄生電感和諧振電容Cr所決定，這部分能量也通過次級(jí)繞組，向輸出負(fù)載傳輸。


因此，次級(jí)整流二極管的電流iDR為iLr和iLm的電流差值：
iDR = (iLm–iLr)*n


在這個(gè)階段，Lr和Cr串聯(lián)諧振，iLr過0后，反向繼續(xù)諧振；然后，經(jīng)過一段時(shí)間， iLm也過0，反向激磁繼續(xù)增加。


（a）模式4的DR導(dǎo)通

（b）模式4的iLr過0后反向增加

（c）模式4的iLm過0后反向增加
圖6：模式4的等效電路


在T4時(shí)刻，iLr和iLm的電流相等：
iLr=iLm
次級(jí)繞組的電流減小到0，DR關(guān)斷，ZCS關(guān)斷，同時(shí)，在T4時(shí)刻，S2關(guān)斷。


5、模式5：T4-T5
開關(guān)狀態(tài)：S1處于截止，S2處于截止，SR處于截止


T4時(shí)刻，同時(shí)關(guān)斷SR和S2，（Coss1 Coss2）和（Lr Lm）諧振，Coss1放電，Coss2充電，直到T5時(shí)刻，Coss2的電壓充電到VIN，Coss1的電壓放電到0。


圖7：模式5 的等效電路


Coss1的電壓放電到0后，S1的體內(nèi)寄生二極管DS1導(dǎo)通，將其二端電壓箝位到0。


6、模式6：T5-T6
開關(guān)狀態(tài)：S1處于導(dǎo)通，S2處于截止，SR處于截止


T5時(shí)刻，DS1開通，Lr和Lm的電流相等且同時(shí)反向激磁，增加到反向電流的最大值；然后在正向電壓的作用下，從反向電流的最大值逐漸減小，在T6時(shí)刻其電流減小到0，然后繼續(xù)正向增加，進(jìn)入下一個(gè)同期。


在T5之后某一時(shí)刻開通S1，此時(shí)由于DS1導(dǎo)通，S1的VDS電壓為0，因此S1是零電壓開通ZVS。


（a）模式6的DS1導(dǎo)通

（b）模式6的S1 ZVS導(dǎo)通

（c）模式6的Lm正向激磁
圖8：模式6的等效電路


圖2：非對(duì)稱反激變換器波形

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