中文翻译-RCD正激变换器箝位电压分析

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页共 7 页中文译文RCD 正激变换器箝位电压分析克里斯托弗d桥德州仪器公司大陆大街 7号. 尼克-海德菲尔德 03054 电话:603-429-8619 传真:603-429-8564电子邮件:Christopher-bridge 摘要-详细的说明,深入的分析 RCD箝位正激变换器的工作过程. 对影响箝位电压的参数进行了考察,并对临界参数进行了确定. 分析主要集中在箝位电压和其主要影响参数。箝位电压的一种数学解决方法是用 24W的变换器进行对比试验.1 简介RCD箝位正激变换器是在低中压应用场合受到广泛欢迎的拓扑结构.在主开关关断的期间回路以恒定的箝位电压对变压器进行复位.,先人已经开始在 DCM buck-boost变换器中应用能够把磁化能量全部消耗在箝位网络的模型.本文将证明,储存在磁化电感中的能量被消耗在共振电容和复位网络。箝位电压取决于一系列电路参数,包括磁化电感、寄生电容,开关功率半导体器件频率。在主开关上应用 R-C缓冲网络和快速二级关是很普遍的, 影响并通过改变谐振电容重置的时间间隔来影响有效箝位电压。2 稳态过程分析 RCD箝位正激变换器如图所示. 1 为了简化,认为箝位电容很大,被看做是一个电压源在电路运行期间不变. 同时,输出电感是假定足够大以在转换期间等效作为一种电流源.变压器总的漏感被等效在一次侧,其中包括了二次侧漏感等效到一次侧的值. 在稳态状态下的拓扑结构可分为到六种不同的电路,如图 2。在每个有效的时间间隔内,粗线显示的是电流的有效导通路径,细线是没有电流的路径. 为了更好的理解这个分析,跨接在主开关上的共振电容 Q1 如图 3.显示了变换器的主要工作波形.对每一个时间间隔都进行了简短的描述,并说明之间的联系.中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页共 7 页T0 T1在 T0时间,Q1 打开,并且门极驱动电压决定了漏极电压的瞬时值.随着变压器加上输入电压,磁化电流以Vi/Lm的速率增加。变压器二次侧通过二极管 Df续流，输出电流 Io以 1/N.的比率反射到一次侧。在时间段结束时漏极电压达到 Vi。为了分析箝位电路，漏极电压在本时间段开始和结束时的斜坡可以忽略。Tl -T2在 T1时漏极电压达到Vi，随着 DF中电流的衰减，输出电感通过 DR进行续流。在 DF 和 DR同时导通时，变压器一次侧的电压将被箝位在 0.有效的电路元件是漏感和一次侧的电容。漏电感和一次侧的电容共同决定了从 DF到 DR 的电流是同时的。T2 -T3在 T2时刻整个电感电流已经转移到 DR，DF 处于阻断状态。当变压器二次侧有电流流出，变压器一次侧的电压将下降到 Imp。这个峰值磁化电流驱动由Lm和 Cr组成的复位网络。T3 -T4在 T3时刻，箝位二级管打开，箝位电压 Vc加在由 LLK 和 LM.组成的网络。磁化电流被引入复位网络，并以 Vc/ LM的速率下降。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页共 7 页T4 T5当磁化电流在 T4时刻达到 0.箝位二极管电路将处于阻断状态，Vc加在由 Lm和 Cr组成的共振回路上。漏极电压在共振中衰减到V1，与此同时 Df导通。T5-T0Df中将再次有磁化电流流过，由于 Df和 Dr同时导通，变压器一次侧有效电压将被箝位在 0。由于变压器一次侧被迫加上 0电压，磁化电流将继续维持在负Img保持不变。3 箝位电压的分析正激变换器中的 RCD箝位网络，利用能量平衡原则来调节箝位电压。为了使箝位电压保持恒定，电阻必须消耗与在开关周期中储存到电容中同样数量的能量。为了找到箝位电压，我们必须找到在一个开关周期中储存在箝位网络中的能量。这些能量储存在变换器中的三个器件中，漏电感，磁化电感和级总电容中。在分析箝位网络之前，影响共振的寄生器件必须得到确认。如图 4所示为 T2-T3，T4-T5 时间内的等效电路图。可以看出共振频率和开关频率是一样的，并且在以开关频率工作时 R-C谐振网络呈现容性。谐振网络的电阻可以忽略，所以共振电容为: 一个相同的电阻 Rp，用来作为非理想情况下变压器铁芯和线圈的模型。图4中所示在 T4-T5的共振时间段里，谐振网络中流过相等的 R-L-C电流。应用相同的 R-L-C电路原理。我们能够找到阻尼共振系数 a,阻尼共振角频率 wd: 在 T4-T5时间段内，变压器磁力回线复位到第三象限，反向磁化电流能够通过先找 LM和 CR来确定: (1)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页共 7 页根据回路能量守恒：在 T0-T1期间，磁化电流的改变量为：整流器输出的电压降是 VD，FSW 为开关频率，在 T2时刻后，峰值磁化电流的近似值为：Q1在 T1时刻关断以后，漏电感与变压器一次侧的电容共振。如果变压器一次侧中 R-C谐振电路中的 CSF 和 RSF 被使用，漏感中储存的能量将被消耗在RSF中。然而,如果没有一次侧 R -C缓冲器的使用，一些储存在漏感中的能量将对共振电容 CR进行充电，并使箝位电压随负载电流改变。使用一次侧缓冲器，漏极电压将根据下式改变：在这个时期的变压器磁化电流是：(2)(3)4(5)(6)7(8)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页共 7 页在 T3时刻，漏极电压将会变为箝位电压加上输入电压，使箝位二极管正向偏移。通过 9式，我们能够发现 T1时刻被叫做t：我们将发现磁化电流在这段时间将给箝位网络充电：为了找到箝位电压，我们可以在箝位网络中应用能量守恒定律：式子中 R为箝位电阻，简化 11和 12式子：方程式 5,7,10,13是在非线性系统模型中得到的，其中含有两个变量At和 VC。注意到方程式 10和 13是独立于输入电压和负载电流的。这就和 1.3中所说基本相同，箝位电压独立于输入电压而与输出电流有关。在1中，认为在每个开关电源周期中，变压器漏感中的能量都能被箝位网络消耗。因此次能源与负荷电流的平方成正比。并且在1中，箝位电压由负载电流决定。Vc的解决方法可以通过数值研究法进行，作者用 Mathcad用溶解组件法和 “Minerr”函数求解系统的非线性方程。你可以获得一份电子表格从作者的电子邮箱中。4 设计要素这里有许多的方法设计 RCD正激变换器。基本上,两个方法将给予最有效的转换器。在第一种模型中，箝位网络只容许在很小的时间间隔时起作用。这将最大程度地减少在箝位电阻中的耗散功率。在第二种方法中，箝位电压被设计为用来降低电压，好可以使用低电压下半导体。因为较低的电压,半导体的导电损失较低,这可能降低在箝位网络的损耗。(9)(10)(1)23中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页共 7 页使用第一种方法，为了设计方便我们设计了一个很小的导通时间。如果箝位网络的器件发生改变，电路可以变成谐振复位转换器。通过这个，最小的箝位电压能够通过下式确定：当占空比为最大是电路有最低的输出电压和最大的负载。方程式 14来源于变压器的伏秒平衡，并且独立于级总电容，磁化电感,开关频率。当箝位网络使用时，箝位电压要选取的比方程式 14中的预算值要高，以确保变压器在开关关断期间能够复位。知道了级总电容的电压值，我们就能得到最大磁化电感值：从方程式 15算的最大磁化电感，这样就能计算出变压器的参数。应该注意的是磁化电感是一个离散的参数，有变压器原边匝数的平方和变压器的气隙决定。调整变压器初级侧的匝数和变压器的磁芯损耗 Rp能够调节磁化电感。随着Rp的改变，阻尼系数，磁化电流的峰值 Imp，在箝位电路中的能量损耗也将改变。在另一方面,改变气隙将允许调整磁化电感与影响极小核心的损失和 Rp。在部分 3中，我们求得阻尼系数的值。值得注意的是,本文中计算他的目的是说明 Rp并不代表磁芯的总损耗，而是代表在 T4-T5期间由于谐振电压的变化引起的能量损耗。估计为 Rp的值是应该假定变压器的激励由正弦电压源与峰值的 Vc和角频率是 wd。假定变压器的损失大多为核心的共振时期的损失。则磁感应强度为：方程式中 Np为变压器一次侧的匝数，Ae 为变压器磁芯窗口截面积。根据这些数据我们就可以在磁芯制造商提供的表格 4中找出总的磁芯损耗。从方程式 17中我们能够明显的看出 Rp与 Vc的平方成正比，这意味着(14)(15)(16)(1)中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页共 7 页随着频率的增加磁芯损耗将增加。当我们考虑磁通密度与频率的决定关系时，这个方程式可以认为是不正确的。方程(16)表明,磁通密度变化与 Vc的平方成正比。当频率上升到两倍的电源频率时，铁损耗将增加，这将减少方程式 17中 Rp的计算值。接下来箝位电阻值我们可以通过解方程式10，并把结果中的变化量 t，回代到方程式 13中。箝位电容值对电路的稳态性能的影响很大。最有效的确定箝位电容的方法是选取任意的纹波电压Vc：其中 IMcL是由方程式 12确定的。在选取箝位电容的时候另外一个需要考虑的因素是变压器瞬态工作时的电压变化。箝位电压在瞬态时的变化需要进一步的深入研究，是本文以外的研究范围。总结箝位电