反激式准谐振变换器原理及实现（一）

Esniper 2021-01-11

展开全文

绪论

反激开关电源广泛用于各种电子设备、仪器以及家电等，如台式电脑和笔记本电脑的电源,电视机、DVD播放机的电源，以及家用空调器、电泳箱的电脑控制电盛的电源等，这些电源功率通常仅有几十瓦。准谐振是一种软开关技术，能够很好地降低反激电路中的开关损耗。

一．反激式开关电源原理

1.开关电源与线性电源

在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要±12V、±15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压。

a.线性电源
在这里插入图片描述

图10-20采用先用工频变压器降压, 然后经过整流滤波后,由线性调压器得到稳定的输出电压。这种电源称为线性电源。
现实中经常用的线性三端稳压器如7805、7905等等，原理图如下所示
在这里插入图片描述
图中Vin是8V，Vout是5V。LM7805将8V电压降到5V，压差是3V。当负载电流是1.5A时，流过LM7805的电流也是1.5A，可以计算效率=51.5/（81.5）=62.5%，压差越大效率就越低，损耗的功率全用在LM7805发热了。

因此，线性电源有效率低的缺点，所以现在很多场合基本用开关电源。

b.开关电源

开关电源可以分为交流输入和直流输入，主要说一下直流输入开关电源。
直流-直流变换器分为隔离型和非隔离型两类，隔离型多采用反激、正激、半桥等隅离型电路，而非隔离型采用buck、boost、buck-boost 等电路

开关电源有体积小、效率高的优点。图中分别为非隔离降压斩波和升压斩波开关电源。都是通过控制开关管的开关来达到输出电压控制的目的。
在这里插入图片描述

2.反激式开关电源

原理如图，当开关管导通时，VIN给变压器初级电感充电，初级测电感电压上高下低，次级电感电压上低下高，次级回路被二极管截止；当开关管关断时，由于电感电流不能突变为0，把电感看成一个源，为使电感电流维持，电感会在下端产生一个很高的电动势。初级电感电压上低下高，次级电感电压上高下低，此时初级侧有回路；
反激的意思就是开关管关断期间能量从初级传递到次级，开通期间次级是没有能量传递的。

在这里插入图片描述

二．准谐振原理

1.开关损耗的起因

开关损耗，是指非理想的开关管在开通(关断)时，开关管的电压不是立即下降到零（上升），而是有一个下降（上升）时间，同时它的电流也不是立即上升（下降）到负载电流（0电流），也有一个过渡时间。在这段时间内，开关管的电流和电压有一个交叠区，会产生损耗，这个损耗即为开关损耗。
在这里插入图片描述
图（1）导通时Is与Uds波形趋势

图（2）关断时Is与Uds波形趋势
从上面两个图可以看出，开关管在导通时电流电压交叉面积比关断时大，导通损耗比关断损耗要大。
原因是电压（电容Coss充放电）的变化比电流要慢，在关断时电流变为0了，电压也没增加多少。

2.开关管关断时的损耗

在这里插入图片描述
在开关管关断时,开关管电流下降,励磁电感Lm上的多余电流通过开关管的输出电容Coss使Vds上升。由于开关管的输出电容较大通常为几百pF, Vds上升的速度缓慢,则在开关管电流下降到零时漏源电压仅上升一小部分,因此可以认为反激式变换器中开关管在关断时由电压电流交叠引起的动态损耗可以忽略不计。如下图所示，Is为0时开关管完全关断，此时Vds继续上升。开关管关断过程结束时,开关管的输出电容上的电压上升到VIN+N*（VR+Vo），储存的能量为 0.5Coss[VIN+N*(VR+Vo)]^2

在这里插入图片描述图（2）关断时Is与Uds波形趋势

3.开关管导通时的损耗

在这里插入图片描述
当开关管开通时,开关管输出电容上的能量将通过电容对开关管放电而全部被开关管的导通电阻消耗掉。则开关管开通过程中电压电流交叠引起的动态损耗能量实际上就是关断过程中存储在开关管输出电容上的能量。如图可知开关管上电流与电压交叠部分很多，他们的乘积很大。
在这里插入图片描述图（1）导通时Is与Uds波形趋势导通损耗可以近似为
(A)
从式中可以看出，导通损耗与Coss、开关频率、导通时Coss电压成正相关。

4.准谐振软开关原理

从式(A)可以看出,要想降低开关管的动态损耗,可以从三方面考虑。一是降低Coss,但在高耐压大电流的功率器件中实现低输出电容是个巨大的挑战；二是降低开关频率关,但在反激式变换器中降低频率意味着增大变压器和滤波器的体积,与电源设计的小型化相矛盾；那么仅剩第三种选择,降低开关管导通时输出电容两端的压降（导通时Coss电压上升到 VIN+N*（VR+Vo））,就是在开关管导通前将输出电容上存储的能量回馈到变换器的其他元件中,并在稍后重新利用输送给负载。准谐振变换就属于这种类型,在开关管关断后,励磁电感与开关管输出电容产生谐振,如下图所示，能量在电感和电容间来回震荡。
在这里插入图片描述

当电感上能量最大时，电容上的能量最小，电容上的电压也较小，此时控制器控制开关管开通,使得输出电容上的能量损耗达到最小。
在这里插入图片描述
从两图都可以看出Vds会有一个震荡，这是在开关管关断后，反激变换励磁电感Lm和开关管输出电容Coss的产生了震荡。准谐振就是对这一震荡加以适时利用。
左图为硬开关，不监测Vds达到最小就直接导通，导通时刻Vds很高，Ids增加，Vds*Ids很大，损耗很大；右图在震荡中选择Vds波谷进行导通，使得Vds和Ids交叉面积变小，降低导通损耗，准谐振控制就是这样进行的。

在这里插入图片描述
上图为采用准谐振控制后开关管电流电压波形，可以看出电压电流基本不交叉，导通损耗被降到了最小。