一種多模態(tài)準諧振變換器的設計

一種多模態(tài)準諧振變換器的設計

反沖變換器結構簡單，成本低，易于控制，能夠在低能耗情況下實現(xiàn)電氣隔離并廣泛應用于小功率場景。傳統(tǒng)反激變換器常用恒頻PWM控制，開關方式為硬開關，開關頻率恒定，難以在負載大范圍變化時保持高效率。準諧振模態(tài)在開關管端電壓最小處使開關管導通，重載時能夠保持較高效率，但開關頻率隨負載減小而上升，輕載時效率較低1變換器的工作原則1.1變換器的主要設備變換器主電路如圖1所示，電路主拓撲為反激結構。圖2為電路工作狀態(tài)圖。ttt1.2開關管開關工作原理前文分析了變換器的工作原理，不同模態(tài)下變換器工作過程相似。圖3為不同模態(tài)下波形圖。圖中(a)、(b)、(c)分別對應準諧振模態(tài)、斷續(xù)模態(tài)以及固定導通時間模態(tài)。u準諧振模態(tài)：系統(tǒng)重載時，變換器工作于準諧振模態(tài)，準諧振模態(tài)波形圖如圖3(a)所示。當二次側電流i諧振頻率為：以t式中：u開關管端電壓隨時間變化而改變，當諧振經(jīng)過半個周期后電壓到達波谷位置，開關管端電壓為：開關管端電壓由t開關管開關周期為：式中：T準諧振模態(tài)時，當負載減小時，變壓器磁化時間T斷續(xù)模態(tài)：隨著負載不斷減小，變換器由準諧振模態(tài)進入斷續(xù)模態(tài)，斷續(xù)模態(tài)下波形圖如圖3(b)所示，開關管仍舊在谷底位置開通。此時變換器開關頻率恒定，占空比隨負載減小而減小，通過改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。固定導通時間模態(tài)：斷續(xù)模態(tài)之后隨著負載繼續(xù)減小，變換器進入固定導通時間模態(tài)，固定導通時間模態(tài)波形如圖3(c)所示，開關管在谷底位置開通，此時開關管開關頻率隨負載減小而減小，導通時間固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。Burst模態(tài)：變換器在負載很輕或者空載時，變換器工作于Burst模態(tài)，此時開關管工作時開關頻率固定在最小頻率f在多模態(tài)準諧振變換器設計過程中，變壓器電感的設計直接關系到變換器的整體性能式中：P變壓器主電感為：式中：t開關損耗主要有兩部分構成式中：I為交叉點電流值；f變換器由于具有多種工作模態(tài)，重載時，在準諧振模態(tài)下在開關管端電壓處于谷底時開通開關管，減小開關管端電壓u2開關管導通控制變換器各種模態(tài)之間的切換取決于負載大小，負載大小體現(xiàn)在輸出電壓。當負載變大時，輸出電壓降低；當負載減小時，輸出電壓升高。負載的大小轉(zhuǎn)化為輸出電壓大小，輸出電壓的微小變化經(jīng)放大后控制模態(tài)切換。變換器控制回路如圖4所示。變換器采用電壓電流雙閉環(huán)控制并輔助谷底檢測。電壓電流雙閉環(huán)控制開關管的關斷，谷底檢測部分控制開關管的開通。通過輔助繞組檢測到開關管端電壓的谷底位置，并控制開關管在此位置開通，以減小開關損耗。電流i當負載變大，輸出電壓下降時，由電壓外環(huán)確定的參考電流增大，開關管導通時間增加，關斷時間減小，輸入能量增加，使得輸出電壓回升；當負載減小，輸出電壓增大，由電壓外環(huán)確定的參考電流減小，開關管導通時間減小，關斷時間增大，輸入能量減小，使輸出電壓減小。準諧振模態(tài)：該模態(tài)下開關管開關頻率隨負載減小而升高，由電壓外環(huán)確定的參考電流隨輸出電壓的變化而變化，參考電流不固定。斷續(xù)模態(tài)：該模態(tài)為準諧振和固定導通時間模態(tài)之間的過渡狀態(tài)，當負載減小，變換器由準諧振模態(tài)向斷續(xù)模態(tài)過渡時，開關頻率不斷上升，進入斷續(xù)模態(tài)后開關頻率固定為f固定導通時間模態(tài)：隨著負載不斷減小，輸出電壓變大，當進入固定導通時間模態(tài)后，由電壓外環(huán)整定的參考電流被限幅環(huán)節(jié)固定，不隨輸出電壓的增大而變化，因此開關管導通時間恒定，此時電壓外環(huán)主要負責改變頻率，當負載變化時通過調(diào)節(jié)開關管的開關頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓，開關頻率隨負載減小而降低，最終下降至最小開關頻率fBurst模態(tài)：該模態(tài)下參考電流仍舊為固定值，輸出電壓采用滯環(huán)控制，變換器間斷性工作。當輸出電壓過低時，變換器工作，此時開關頻率固定為f3多模態(tài)工作分析為驗證理論的正確性，試制一臺24V/2A的原理樣機，輸入電壓為200V，反激變換器勵磁電感為L圖5為多模態(tài)準諧振DC/DC變換器開關管端電壓波形圖及輸出電壓波形。輸出電壓均穩(wěn)定在24V左右。圖5(a)為變換器工作在準諧振模態(tài)時開關管端電壓波形，開關管在第一個谷底處開通，多模態(tài)準諧振DC/DC變換器處于準諧振模態(tài)，開關頻率為50kHz。圖5(b)為變換器工作在斷續(xù)狀態(tài)下開關管波形圖，開關管在第二個谷底處開通，開關頻率為100kHz。圖5(c)為變換器工作在固定導通時間模態(tài)時開關管端電壓波形，開關管仍舊在谷底處導通，開關頻率為70kHz。圖5(d)為變換器在Burst模態(tài)下的開關管端電壓波形圖，由圖可見開關管處于間斷工作狀態(tài)，大部分時間處于關斷狀態(tài)，工作時開關頻率為40kHz，減小了開關損耗。圖6為多模態(tài)準諧振DC/DC變換器效率曲線。圖中對比了多模態(tài)準諧振DC/DC變換器與傳統(tǒng)PWM反激變換器的效率。由圖可知多模態(tài)準諧振DC/DC變換器主要提高了輕載時的變換效率，在重載范圍內(nèi)由于工作在準諧振模態(tài)，變換效率也有所提高。4多模態(tài)工作原理為解決反激電源在負荷大范圍變化時變換器效率低的問題，提出一種多模態(tài)準諧振DC/DC變換器，通過引入多種工作模態(tài)，根據(jù)負載的變化切換工作模態(tài)，負載由滿載到空載，變換器依次工作在準諧振模態(tài)、斷續(xù)模態(tài)、固定導通時間模態(tài)以及Burst模態(tài)，使得變換器在不同負載條件下均能獲得比較高的轉(zhuǎn)換效率。對多模態(tài)準諧振DC/DC變換器的工作原理、控制方法進行介紹，最后試制實