软开关PWM控制器的新型开关电源设计

软开关P WM 控制器的新型开关电源设计

李　蓉

(中物院电子工程研究所,四川省绵阳市621900)

摘　要:近年来,电子产品的工作电压不断降低,但是耗电电流却在不断增加。因此,开发大功率开关电源在通信以及军工领域有很大的发展空间。阐述了有源钳位开关的基本原理,基于电流控制型芯片UCC2891设计出了一种3.0V /30A 的同步整流有源钳位正激变换器开关电源,给出了电路设计、电路图以及最后的测试结果。实验结果证明,采用Z VS (零电压开关)技术的电源具有较好的稳定性和较高的转换效率,在很宽的输入电流和输出电压的范围内效率仍可高于90%。

关键词:开关电源;DC /DC;有源钳位;软开关中图分类号:T N86

收稿日期:2007212221;修回日期:2008201229。

0　引　言

开关电源主要有反激、正激、推挽3种电路设计方法。设计功率为50W ～500W 的单路或多路输出电源一般选用单端正激变换器,因为在同等功率输出下,正激变换器集电极峰值电流要小得多。相反,反激和推挽变换器虽然不需要电感,但有开关管和滤波电容纹波电流大的不足,所以,正激变换器适用于低压、大电流、功率较大的场合。但正激变换器面临一个问题,就是变压器的复位。尽管有很多广为使用的技术可以完成变压器复位,但目前为止有源钳位法被认为是比较简单和优化的方法。有源钳位复位技术可以实现零电压启动,降低开关电压应力,扩大占空比范围,降低

电磁干扰和提高效率[122]

。

有源钳位的缺点之一是需要一个精确的钳位控制。如果不在占空比时钳位,增加占空比就可能导致如变压器饱和或主开关上有附加的电压应力,这些都是极具破坏力的。另一个缺点就是需要一个高级的控制技术来同步有源钳位和主开关门限驱动之间的时延。高速P WM (脉码调制)控制器UCC2891的众多特性中的一个就是可设计的最大占空比钳位精确在±3%以内。当UCC2891用做控制I C 时,可以实现钳位开关与主开关之间的延时,这样以前关于使用有源钳位技术的缺点就不存在了。

1　有源钳位开关的基本原理

在功率设计阶段前,首先介绍基本的定时。这是

有源钳位复位技术的基本特征。低位端有源钳位结构

的一个完整的开关循环T0→T4,可以用4个开关时间波形图简单地说明[1]

。1.1　T0→T1功率传输

在这个阶段Q M 导通,功率传输到次级绕组。当其体二极管预先导通,在合适的条件下,Q M 在零电压启动控制下开通。由变压器磁化电流和刺激反馈电流组成的初级电流流过Q M 的沟道电阻在次级回路中,正激同步整流器Q F 导通并承受着所有的负载电流。在上一个阶段,负载电流无阻碍地通过反相同步整流器Q R 的体二极管,因为Q F 是硬开关,所以会产生开启损耗。功率传输拓扑如图1所示

。

图1　功率传输拓扑

T0→T1功率传输时段如图2所示

。

图2　T0→T1:功率传输时段

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83・第34卷第5期2008年5月 电子工程师　E LECTRON I C E NGI N EER Vol .34No .5

May

2008

1.2　T1→T2谐振这是正激变换器一个开关周期中的第1次谐振。在这期间Q M 在零电压启动控制下关闭,初级电流仍

然连续,但是改从钳位开关Q AUX 的体二极管D AUX 流过。因为初级电流流过D AUX 的方向,在低端有源钳位变换器应用中Q AUX 一定是一个P 沟道MOS 管。因为次级负载电流是平稳的,它不会在初级线圈中产生感应电流,因此从D AUX 流过的就只有变压器磁化电流。所以Q AUX 上体二极管的传输损耗就达到了最小,此时也在为零电压启动Q AUX 做准备,Q M 的关闭与Q AUX 开启之间的时延也被认为是谐振期,这就使有源钳位变压器与其他单端变压器复位方法分开来,在次级回路上,在硬开关作用下Q F 已被关闭,所有的输出负载电流都从D R 流过,因此在大电流应用中D R 上体二极管的电流损失是整个电路功率损失的主要部分,而且这也往往是高频运行的主要难题。但是,D R 导通是在零电压下启动Q R 所必须的。尽管这在同步整流器中不可能实现,但我们将D R 减小到零的理想状态,并仍然允许Q R 在Z VS (零电压开关)的控制下开启。T12T2谐振时段如图

3所示。

图3　T1→T2:谐振时段

1.3　T2→T3有源钳位

这是初级回路已经复位的钳位阶段,T2→T3有源钳位复位时段如图4所示。图中所示的初级回路电流突然反向。从正向电流到反向电流其实是一个平滑的过程,而这其实在上一个状态中当励磁电流达到正向最大峰值时就开始了。在初级回路,Q AUX 由于输入电压和初级回路上的钳位电容电压的差值而完全导通。Q AUX 现在只有最小的传输损耗,因为只有励磁电流流

过其沟道电阻。相反,在次级回路,所有负载电流都流

过Q R 并产生大量的传输损耗

。

图4　T2→T3:有源钳位复位时段

1.4　T3→T4谐振

这是在整个周期内的第2次谐振。在此期间,Q AUX 在Z VS 的控制下关闭,并且初级回路的电流仍然是连续的,从Q M 的体二极管D MA I N 中流过。现在的电流虽然还是在反向流通,但是实际上在这个开关期间电流开始再次反转过来。因为在励磁电流的波形中,可以看到它到达了其负相最大值。Q M 的体二极管导通来开始为Z VS 启动Q M 做准备。不过,需要注意的是某些情况下Q M 不会启动。在次级回路中,D R 在Q R 截止前导通。因此,Q R 在Z VS 控制下截止,但和T1→T2一样,不可避免地在其体二极管上产生传输损耗。T4完成后,整个周期又从T1开始。

如图5所示。

图5　T3→T4:谐振时段

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93・第34卷第5期李　蓉:软开关P WM 控制器的新型开关电源设计・基本电子电路・