高压双管反激变换器的设计

高压双管反激变换器的设计一、高压双管反激变换器的设计
反激变换器具有电路拓扑简单,输入输出电气隔离,电压升降范围宽,易于多路输出等优点,是辅助平凉矿用变压器的理想选择。输入电压不是很高的电路,通常采取单端反激的设计方法,但输入电压较高时不适用。如三相输入380VAC,经桥式整流后为510VDC,采用单端反激电路,由于反激电压、输入电压的变化范围、输出轻载状况,管上承受的峰值电压将非常大,而目前市场上适合于这种高压的场效应管非常少。因此本文提出了双管反激的设计思路,用两只管替代单管,同时导通和关断,并在电路中采用钳位二极管,在反激过程中把管承受的峰值电压钳制在输入平凉矿用变压器电压,大大降低了每个管上的电压应力,扩大了管的选择范围,也保留了反激电路的优点。这里主要介绍该电路的工作原理,控制电路的实现,关键电路参数的设计,以及设计实例和试验结果。

1 电路拓扑
本设计的电路拓扑结构如图1所示，图中，当VT1和VT2同时导通时，DC平凉矿用变压器和变压器初级组成回路，变压器初级的电流上升，变压器的磁通密度从初始的剩 余磁通Br上升到峰值Bw，并将能量存储在变压器中，这时，由于次级的二极管VD3的截止作用，使得变压器不能向次级传送能量；而当VT1和VT2同时关 断的时候，由于反激的作用，变压器初级的电压反向，钳位二极管VD1和VD2导通，以把原边绕组的反激电压和管上的电压钳制在平凉矿用变压器电压Vdc。此时， 存储在变压器的能量一部分向副边传递，另一部分通过钳位二极管返回给电容C1和C2。因而在反激时间内，变压器的磁通密度从峰值Bw下降到剩余磁通Br。 经过一段时间，VT1和VT2又同时开通，以进入下一个周期。整个电路通过连续地VT1和VT2，就可以得到稳定的输出。




由于实际电路的分布参数以及管VT1和VT2的属性并非完全相同，所以，VT1和VT2不是完全同时。当VT1先关断时，变压器初级T1、VT2 和VD2组成回路续流，而当VT2关断时，变压器储存的能量将向次级传送；同理，当VT2先关断，变压器初级T1、VT1和VD1将组成回路续流，并当 VT1关断时，变压器存储的能量向次级传送。
与一般采用单管加控制芯片的平凉矿用变压器不同的是，本设计采用了上下两个MOSFET，这样做的目的一是可以降低每个管上承受的电压，二是两个管不需要采用两个控制芯片来控制，而只用一个PWM波就可以实现两个管的同时开通和关断。

图2所示是本设计的主电路图，图中，D1和D2主要防止由于反激电压串入DC平凉矿用变压器引起DC电压波动，R1和R2取值相同，C1和C2的容值属性均相同，这 样一方面可以平衡C1和C2上的电压，另一方面可以降低C1的C2的耐压。VT1和VT2共用一个驱动信号，故可实现同时开通和关断。 R3为采样电阻，该主电路采用的是峰值电流控制模式。VT4的作用主要是外加保护。辅助绕组的设计主要是为控制电路供电。次级整流二极管后加π型滤波器的 效果要比只用电容滤波更好，R4为假负载，主要是防止平凉矿用变压器的空载。R5，R6，tl431，pc817和R7共同组成反馈电路。





2 控制电路的设计
本设计采用SG6841高集成环保模式PWM控制器，该控制器采用电流模式(逐周期电流限制)的工作方式，可以实现软驱动图腾柱输出的可调控的PWM波 形，其输出电压可达18 V，足以同时驱动两路MOSFET。本设计还在PWM输出端设计了一个信号耦合变压器，这样可用同一个PWM信号来控制两个MOSFET，使Q1和Q2同 时开通和关断，还可以实现驱动MOSFET信号的隔离。另外，该控制器也可以提供欠压锁定和过温保护功能，当VDD小于10 V时，控制器内部将锁定，不再向外发送PWM波。
本设计采用负载绕组给控制芯片SG6841供电，从主电路可知，辅助绕组和次级绕组处在相同的工作方式下，这在设计变压器的时候只要根据次级输出就可以确 定辅助绕组的设计。应当注意的是，在双管反激电路中，两个管中间有一个悬浮地，因而不能直接驱动，所以，这里采用变压器隔离驱动方法来使VT1和 VT2公用同一驱动信号。
图3所示是本设计的控制芯片电路及驱动电路，图中，R3接在电压DC端主要用来启动，当流入3脚的电流足够启动芯片的时候，芯片8脚Gate输出 PWM波，从而使主电路导通，平凉矿用变压器开始工作。R4主要确定芯片输出PWM波的频率，R5和C5组成电流采样的匹配网路。由于芯片采用逐周峰值电流工作方 式，故在初级线圈电流达到峰值时，芯片将关断PWM波，变压器向次级传送能量。




图4所示是其系统中的输入欠压和输出过压保护电路。由于本平凉矿用变压器设计采用了输入过压和输入欠压保护，故当输入高于750 V或低于120V时，比较器的2脚电压值会高于2．5 V或比较器的5脚会低于2．5 V，本设计采用精密可调线性稳压器TL431来产生2．5 V的基准源，并分别给比较器的3脚和6脚供电，这样，在比较器的1脚或7脚就会产生低电平，Q5由于基级电压过低而截止，线性光耦U5的发光二极管不能发 光。这时，由于Q4S接到输出储能电容上，Q4C和Q4S不能组成通路，所以，加在Q4管的GS间的电压Ugs为零，管Q4关断，平凉矿用变压器不能向后面负载 供电，从而实现欠压和过压保护功能。





3 电路变压器的设计
采用两个管串联不会影响主电路中变压器的设计，故可根据《平凉矿用变压器设计指南》中相关介绍来计算变压器参数，本设计选用TDK公司的PC40EE25高频磁性材料作为铁芯，变压器的参数计算如下：




根据反激式变压器的伏秒面积相等原理可知：




式中，Ac为有效磁芯面积，单位为cm2，Bmax为******磁通密度，单位为G(高斯Wb／cm2)。


二、双管反激平凉矿用变压器的优势
双管反激平凉矿用变压器较之单管反激有更多优势，同时在100W以上的应用较之其它拓朴更可靠、易生产、并低成本。
1、效率高，有PFC时可更好优化。
2、适合特高电压输入，如380V输入。
3、主管电压应力小。
4、无输出储能电感，并且输出纹波低
5、比普通反激更易适应100W以上功率输出。


三、双管正激和双管反激的区别主要是什么
双管只是电压应力低一点。
本质上单双管原理一样的。
磁芯工作方式不同，正激直接传递能量，但会有激磁电流，需要磁复位。
反激不能直接传递能量，是先储能再传递，没有磁复位过程，传递的时候自动复位。


四、什么是双管反激式DC/DC变换器
双管反激变换器的本质与单管反激变换器完全一样。
只是借鉴了双管正激的电路结构，将其套用在反激电路上。
双管反激与传统的单管反激电路相比优缺点与正激变换器极为相似，具体如下：
优点：1.理论上每只管的耐压只要不低于输入电压即可。对输入电压较高时优势明显。
2.管不需要RCD或TVS吸收钳位，当管截止时漏感能量通过二极管返回到Vin。
所以发热较少，提高效率。
缺点：1.需要两只管，由于增加上管及其驱动电路造成电路复杂，成本提高。
2.占空比必须严格控制在50%以内，设计灵活性降低。
如果占空比超过50%则变压器无法复位造成变换器保护。（严重时会损坏）。
鉴于上述优缺点，所以限制了双管反激变换器的应用范围。
只有输入电压很高比如800V以上时才会考虑这种电路结构。

另外还有一种双管反激变换器，这种变换器将变压器放到最上端，中间和低端各用一只中等耐压的管，两只管串联。下端管采用常规电路驱动，中间的管只需将栅极接到一个浮动的高压即可，相当于源极驱动。这种电路结构由于不需要额外的上管驱动所以应用范围更多些。这种电路占空比可以超过50%，但也需要相应的提高管的耐压。

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