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单端正激型开关电源的谐振去磁技术

• 1 引言

  单端正激型开关电源的结构比较简单，已广泛用于中小功率输出场合。由于这种拓扑结构的特点是功率变压器工作在B-H曲线的第一象限，因此必须采用适当的去磁方法，以消除磁心单向磁化饱和的潜在隐患。在工程中，常用的去磁技术有增加去磁绕组、有源箝位、RCD箝位和ZVT箝位等多种方法[1]，其共同思路是在主功率开关管截止后，通过一定的途径，使变压器中剩余的磁化能量泻放或者消耗在无源功率电阻上，以确保下一个开关管导通之前变压器中无剩余磁化能量。实际上，不用增加额外的电路技术及元器件，仅仅利用单端正激型电源自身的结构特点，就能较好地完成去磁要求，即采用谐振技术进行去磁。这种谐振去磁技术的基本原理是在功率开关管截止后，利用变压器自身的等效电感和电路中元器件的分布电容进行谐振，产生能量交换，以转移变压器的磁化能量。

  2 谐振去磁技术的工作原理

  在分析该谐振去磁电路的工作原理之前，首先假设[2]：①整个系统进入稳态，一个开关工作周期内的各电量均为动态平衡；②输出电感Lo和输出电容 Co与参与模压电感去磁的谐振组件相比，近似无穷大；③忽略变压器的漏差模电感感及其对电路的影响；④开关管VQ1与二极管均为理想器件，即忽略开关管导通电阻RDS(on)和二极管的正向压降VF。 图1示出一个单端正激型电源中，参与谐振去磁的基本电路组件。该电源的开 关管采用MOSFET组件。

  图中 Lm——变压器初级的等效电感

  Ct——功率变压器初级绕组的等效电容，与Lm并联

  Cs——开关管VQ1的漏-源极结电容与并联在其两端的外电容之和

  Cl——输出整流二极管的结电容与外接并联电容之和

  图2 示出功率变压器初级的等效电路。由图可见，C1等效到变压器初级的共模电感电容为C1(N8/Np)2，且与Ct为并联关系，同时Cs与Ct也为并联关系。

  在一个完整的开关周期内，一个完整的谐振去磁过程由以下几个工作阶段组成[2]：

  (1)第一阶段 图3示出第一阶段即谐振去磁过程的谐振去磁电路电流走向及其工作过程。第一阶段位于图3b的Ton阶段。在此之前，VQ1的漏源电压 uDSVQ1为输入电压uin，负载电流流过VDf，流过变压器磁心的磁化电流imag为负值i1。由t＝0开始，VQ1受控导通。此时，imag开始线性增加。流过变压器初级的电流ip为imag和次级负载电流Io反射到变压器初级的电流迭加之和，即ioNs/Npo在此阶段，VDr导通，VDf截止。而C1和Cs的端电压uC1和uCs均近似为零。假定变压器的初级磁化电流在该阶段开始时为i1；结束时为i2，则两者的关系为：

  i2=i1+uinTon/Lm (1)

  (2)第二阶段 图4示出第二阶段即谐振去磁阶段的谐振去磁电路电流走向及其工作过程。第二阶段位于图4b的Tr阶段。在Tr开始阶段，VQl受控制信号的作用截止。其uDSVQ1开始迅速上升，当uDSVQ1超过 uin后，变压器次级的线圈极性反转，VDr截止，VDf导通。由于VQ1截止，Lm与电路中的等效电容Cr，即前述的Cs和C1等效到初级的电容，以及变压器初级绕组的等效电容Ct三者并联，形成一个并联谐振电路，开始谐振工作，形成正弦去磁电流imag。由电路理论可知，一个LC串联或并联的电路，在以谐振方式工作时，电感上的电流与电子电感器电容上的电压变化均为正弦，且彼此相位相差900，二者储存的能量互相交换，即一个电量达到绝对值的最大时，另一个电量为零。由于在Tr开始时，Cr的端电压uCr=0，没有存储能量，而Lm中的能量在开关截止前就达到了最大值，因此Lm与 Cr产生能量交换；该阶段的持续时间为Tr，且Tr为一完整谐振周期的1/2。即：

  Tr=π LmCr (2)

  uCr由零所能达到贴片电感的最大值：

  UCrmax=i2 Lm/Cr (3)

  uDSVQ1在Cr达到最大值时，也达到其峰值：

  UdsVQ1 max=uin+i2 Lm/Cr (4)

  在该工作阶段，Cr实际上是先被充电至最大值，然后放电，直到又回到零值。而变压器激磁电感Lm上的电流iLm变化规律同样为正弦，且变化时间也为谐振周期的1/2。这样，到了该阶段的末期，imag就达到负向的最大值。由于系统处于稳定的动态平衡状态，且能够完全去磁，因此其值等于-i2。此时，uDSVQ1等于uin。该阶段的等效电容：

  Cr=C1(Ns/Np)2+Cs+C1 (5)

  谐振电路的谐振频率：

  fr=1/(2π LmCr) (6)

  由初始条件可得磁化电流与等效电容电压的变化为：

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