他激ZVS-RCC式零电压软开关开关电源充电器的研究与实践

他激 ZVS RCC 式零电压软开关开关电源充电器的研究与实践 关键词 自激振荡 无源 无辅助开关准谐振 零电压开关 ZVS PWM 自适应 同步 分布电容电流尖刺消除 一 小功率 AC DC 开关电源的技术现状 现有离线式小功率 AC DC 开关电源从线路结构形式来分类大致有正激式 反激式 半桥式等等几种 按驱动结构分类大致有自激式 它激式 按控制结构分类大致有 PWM 控制 PFM 控制 AC DC 开关电源从核心技术上讲主要是控制方式 PWM 控制方式制作的开关电源 是当今开关电源方式制作的主流 由于 PWM 控制方式控制特性好 控制电路较简单 控制频率固定 成本低 在小功率开关电源中应用广泛 但随着对开关电源的高功率密度 高可靠性 低成本要求的市场需求 对硬开关 PWM 控制电路提出了挑战 由于主开关器件结电容 变压器及线路板的分布电容的不 可避免 硬开关 PWM 控制电路暴露出了主开关器件随功率增大 频率进一步提高损 耗会明显增大的缺点 表现为主开关器件温升高 影响了开关电源的可靠性 且变换 效率无法再进一步提高 常规 非正向式 硬开关 PWM 控制线路的主开关电压 电流波形 图 1 及功耗 分析 由以上 V I 波形可以看到 两种电路的波形有一个共同的特点 在主开关开通 Ton 时 都有一电流上冲尖刺 并且尖刺电流与主开关电压波形明显重叠 在主开 关关断 Toff 时 主开关电压和电流波形明显重叠 正是由于这种重叠的存在 使主 开关的动态损耗在电流大及频率高时更加严重 VinVin VfVf 00 重负载时主开关 V I 波形轻负载时主开关 V I 波 形 图 1 主开关电压 电流波形 如果用一个 MOSFET 作主开关 这个 MOSFET 的 Coss为 300P 变压器及线路板 的分布电容为 100P Cr 总共为 400P 假设频率 f 100KHz 由线路原理可知 MOSFET 在开通时的电压 即 Cr 上的电压 为 Vf Vin Vclam Vclam N Vout Vd Vtsr Vf MOSFET 漏极上的回扫电压 Vin 电源的 DC 输入电压 N 变压器初次级匝比 Vout 输出 DC 电压 Vd 输出整流二极管上的压降 Vtsr 变压器次级绕组上内阻引起的压降 得到 Vf Vin N Vout Vd Vtsr 假设有一回扫线路 Vf Vin N Vout Vd Vtsr 310 10 12 1 0 2 442 V Vcr Vf 442V MOSFET 开通 Ton 时 Cr 电容的损耗可用下式计算 Pcr Cr Vcr2 f 2 代入计算 Pcr 400 10 12 4422 100 103 2 7 81456 2 3 90728 w 4W 由以上计算可知 MOSFET 主开关输出电容 Coss 及变压器 线路板的分布电容 全部等效为 Cr在 MOSFET 主开关内要消耗 4W 左右 不包括 MOSFET 主开关关断时的 消耗 及 MOSFET 导通电阻所引起的消耗 由 RCC 式线路原理可知 自激 RCC 式电路也工作在初级电感能量释放完状态 MOSFET 在开通时的电压 即 Cr 上的电压 因自激条件需要为恒定 Vf Vin 仍根据以 上条件可计算出 MOSFET 开通时 Cr 电容的损耗为 Pcr 400 10 12 3102 100 103 2 1 922 w 回扫式及他激 RCC 式电路如果工作在初级电感能量释放完的状态 MOSFET 在开 通时的电压 即 Cr上的电压 在不同负载条件下是不同的 Pcr损耗的大小由于负载的 轻重不能确定而无法预知 所以不能保证低的 Pcr功耗 有朋友在做充电器时 可能会遇到 在输出电压的某一段时感觉 MOSFET 的温升 还可以 但在另一电压段时 MOSFET 的温升很高而无从着手 由于 Cr电容的 Ton的功耗的存在 在 PWM 电路中尽量减小 Cr 但这会造成在 Toff 时的电流与电压严重重叠 增加 Toff时的开关损耗 所以在 PWM 电路中只有兼顾 Ton Toff时的总损耗而无法降低主开关损耗 另外 开关变压器的漏感也是不可避免 在 PWM 电路中需要加吸收回路 漏感的 储能无法再利用 使常规的 PWM 电路的效率不可能做得很高 零电压准谐振软开关是准对上述 PWM 的缺点在 80 年代中期提出的 是开关电源 发展的方向 在国内已有移相全桥零电压准谐振软开关电路实用化 在小功率开关电 源 反激式 领域也有加辅助开关实现零电压准谐振软开关的报道 但线路较复杂 对控制线路的时序要求很高 成本较高 最近 国外也有最新零电压准谐振软开关 PWM 控制芯片问世 但成本较高 鉴于上述原因 本人设计了冲击线圈式零电压软开关 ZVS RCC 开关电源充电 器 输出功率 100W 并已实用化 经实验证实 效率与同输出功率常规 PWM 电路提 高约 8 主开关的发热量很小 实测得到的主开关电压 电流波形见 图 2 从图二波形可以看到 主开关在电压 过 零时开通 彻底消除了 Ton 时流入主开关 的 电流尖刺 由于主开关零电压时开通 故 在 主开关的两端可并接谐振电容 这样在开 关 关断 Toff 时电压电流重叠明显减少 大大 降低了主开关的动态损耗 本人开发的 100W 充电器实验证实 提 高的 8 效率 极大部分是降低主开关损 耗 得来的 以下是对冲击线圈式零电压软开关 ZVS RCC 开关电源充电器 图三 设计的 详细介绍 Vf Vin 0 图二 ZVS RCC 式主开关 V I 波 形 Sgnd 16 Nc 15 Nc 14 SStart 13 Nc 12 Vsen 11 sys 10 Isen 9 Vref 1 Vcc 2 Nc 3 Pout 4 Nc 5 PLout 6 Sout 7 Pgnd 8 IC1 CoreV1 0 D3 1N5399 D2 1N5399 D4 1N5399 F1 3A J1 AC IN1 J2 AC IN2 C2 0 1u 250V C1 0 1u 250V R1 2 2M C347u 400V D1 1N5399 D5 FR107 R2 470K C4 10n 630V Q1 MTP5N90 C5471 2KV R6 1 5 C8 10u 25V R4 300K R5 300K D7 FR107 C6 220u 35V C7 47u 35V D6 1N4148 1 2 4 3 IC2 TLP521 1 C9 2n2 D8 1N4148 R11 5 1K R12 5 1K C10 1n R8 4 7K R9 1K R10 4 7K C11 1n C13 1n 1 2KV C14 1n 1 2KV R13 4 7K D10 SR1A0 D11 SR1A0 D12 SR1A0C15 470u 50V C16 470u 50V 2 3 1 A IC3A LM324D 5 6 7 B IC3B LM324D 4 10 9 8 C IC3C LM324D 11 12 13 14 D IC3D LM324D KA C Q2 tl431 LED1 LED2 VD1 12V R14 2K 1W C17 47u 25V R15 10K R18 3K R20 10K R19 470 C18 10u 25V D13 1N4148 D14 1N4148 R16 470 R17 4 7K R21 470K R22 10K C21 100n R23 100K D17 1N4148 R25 620K C22 2 2n R24 1 8K R26 15K R27 31 6K R29 470K C23 10n R28 3K R31 1 8K R30 220 D15 1N4148 D16 1N4148 R33 10K R32 620K R34 68K R36 31 6K R35 4 3K R37 1 87K R38 0 39 1W R39 0 39 1W J3 OUT J4 OUT R3 470K D9 1N4148 1 2 4 3 L1 5 10 9 6 8 7 11 12 13 4 3 2 TR1 54T 0 41 Q 293 L 3 7mH 54T 0 41 4T 0 19L 7uH Q 3 3 12T 0 55 L 39uH Q 47 5 1 2 3 4 Test F 10KHz C19 10u 25V C20 10u 25V C24 100n R7 1 5 C12 100n Q1 MTP5N90 图三 冲击线圈式零电压软开关 ZVS RCC 开关电源充电器电路图 零电压准谐振开关电源设计 输入电压 Vin DC 电压 输入总功率 Pin 输出电压 Vout DC 电压 输出电流 Iout 输出总功率 Pout 变压器次级电压 Vtout 输出整流二极管压降 Vd 变压器次级线阻压降 Vtsr 变压器的匝比 N 变压器输入总功率 Ptin 变压器输出总功率 Ptout 变压器效率 变压器初级峰值电流 Ip 变压器次级峰值电流 Isp 变压器初级电感 Lp 谐振电容 Cr 电源变换频率 f 电源变换周期 T 导通时间 Ton 关断时间 Toff 回扫时间 Tfb 停顿时间 Tstop 1 输出总功率 Pout计算 Pout Vout Iout 2 变压器输出总功率 Ptout计算 Ptout Pout Iout Vd Iout Vtsr 3 变压器的匝比 N 计算 N Vin max Vtout min 在上式中 Vtout的计算 Vtout Vout Vd Vtsr 4 开关频率 f 计算 f T 1 T Ton Toff Ton Tfb Tstop 上式中 Tfb为回扫时间 Tstop为 2 倍电源电压通过 Lp Cr谐振使 Cr上的 电压下降过零的时间 我称它为停顿时间 T Ip Lp Vin Ip Lp N Vtout Lp Cr 5 变压器输入总功率 Ptin计算 Ptin Ip2 Lp f 2 Ip2 Lp 2 T Ptin Ip 2 Vin 1 N Vtout 1 Lp Cr Ip Lp 6 变压器初