解析PRT自激勵振方式VRC軟開關(guān)變換電源技術(shù)

馬洪勃

摘 要:從正交型變壓器PRT的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)出發(fā),對先進(jìn)的自激勵振方式VRC軟開關(guān)變換電源技術(shù)進(jìn)行解析。利用電路圖和工作波形圖,重點說明自激勵振方式VRC的4種控制方式的電路構(gòu)成原理,簡要闡述它們之間的區(qū)別、工作原理和實用技術(shù)參數(shù)。這4種控制方式是:并聯(lián)諧振頻率控制方式、諧振電壓脈沖寬度控制方式、升壓型電壓控制方式和復(fù)合控制方式。它們都是基于控制PRT電感量來實現(xiàn)自動穩(wěn)定輸出電壓的自激勵振方式的軟開關(guān)變換電源技術(shù)。

關(guān)鍵詞:正交型變壓器;自激勵振;電壓諧振型變換器;頻率控制;脈沖寬度;升壓型;復(fù)合控制;開關(guān)變換電源

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-185-04

Power Technique of PRT Self-inspirit Oscillation Way VRC Soft Switching Converter

MA Hongbo

(Shenyang Institute of Engineering,Shenyang,110136,China)

Abstract:From the perpendicular transformer PRT structure and the control technology,the power technique of advanced self-inspirit oscillation way voltage resonance soft switching converter is analysed.Using the circuit diagram and the work oscillogram mainly explained the auto excitation dither way series resonance converter′s four kinds of control mode electric circuit constitution principle with emphasis,the difference,the principle of work and the practical technical parameter between them are introduced.These four control modes are:parallel resonance frequency control mode,resonance voltage pulse width control mode,pressure-rise voltage control way and compound control mode.They are soft switch converter power technology based on controlling the PRT inductance quantity to realize the self-inspirit oscillation way of auto-stable output voltage.

Keywords:perpendicular transformer;self-inspirit oscillation;voltage resonance converter;frequency control;pulse width;step-up model;complex control;switching converter power

在開關(guān)變換電源電路中,將諧振型變換開關(guān)元件的勵振、驅(qū)動方法定義為兩類,即把設(shè)置有專用的勵振和驅(qū)動電路方式叫作它激勵振、驅(qū)動;把利用變壓器反饋電路實現(xiàn)的勵振、驅(qū)動方式叫作自激勵振、驅(qū)動。這里闡述利用正交型變壓器PRT反饋電路構(gòu)成的自激勵振方式電壓諧振型軟開關(guān)變換電源技術(shù)。

1 正交型變壓器的控制技術(shù)

對于自激勵振方式諧振型變換器的控制技術(shù),尤其重要的是采用各種鐵氧體磁心的正交型變壓器PRT。圖1是PRT構(gòu)造和電感特性及電路圖形符號。其中,圖1(a)為舊單コ型鐵氧體磁心PRT;圖1(b)為新雙コ型鐵氧體磁心PRT;圖1(c)為PRT電路符號。比較它們的形狀和電感特性后得知,新雙コ型PRT的磁路長度比舊單コ型的磁路長度延長,磁阻增加。由于主線圈N的電感量Ln和控制線圈NC的直流控制電流IC的變化,使新雙コ型的Ln變化幅度和線性范疇都擴(kuò)大了。

圖1 電感特性及電路圖形符號

在圖2中設(shè)控制線圈NC流過直流IC時產(chǎn)生的磁通為φC、主線圈N1或N2上流過交流電流I1時產(chǎn)生的磁通為φ1。若圖2(a)中箭頭方向為正,則在磁路A和D上的磁通φC和φ1方向相反,磁通為φ1-φC;而在磁路B和C上的磁通φC和φ1方向相同,磁通為φ1+φC。圖2(b)中主線圈N1加載到磁路B和D上的B-H曲線,相當(dāng)于被LC的變化而調(diào)制的磁滯曲線。由于加載到線圈NC磁路A,B上的φ1感生電壓互相抵消,在NC上不產(chǎn)生交流電壓,所以PRT的電流IC信號就可以作為控制磁路B和D上的磁通量,把它作為可控電感元件,實現(xiàn)諧振型變換器的控制技術(shù)。圖2(c)為這種PRT的電路符號。

圖2 正交型變壓器的磁通、B-H曲線、符號

2 自激勵振方式電壓諧振型變換器

開關(guān)元件在斷開時,加在開關(guān)元件上的電壓波形是LC諧振時產(chǎn)生的正弦波電壓,也稱之為電壓諧振。利用電壓諧振型變換器VRC電路和PRT的組合,可以構(gòu)成各式軟開關(guān)變換電源。常用的自激勵振方式VRC的控制方式有如下幾種:

2.1 并聯(lián)諧振頻率控制方式

圖3為單管自激勵振方式VRC的并聯(lián)諧振頻率fo控制方式的開關(guān)變換電源電路。圖3(a)為電路圖,圖3(b)為控制特性圖,圖3(c)為工作波形圖。

圖3(a)中PRT的結(jié)構(gòu)如圖2所示,線圈N1與脈沖電流轉(zhuǎn)換器PCC的電感LS串聯(lián)后,再與并聯(lián)電路(包括VCBO>1 200 V的耐高壓BJT管Q1、續(xù)流二極管D1、并聯(lián)諧振電容Cr)串聯(lián)。另外,有中心抽頭的全波整流線圈N2與諧振電容CS并聯(lián)。

圖中自激勵振電路由下述元件和小電路構(gòu)成,如啟振電阻RS,串聯(lián)諧振電路(包括繞有1匝線圈的脈沖電流轉(zhuǎn)換器PCC、限流電阻RB、定時電感LB、定時電容CB),并聯(lián)電路(包括箝位二極管DB,Q1的基極-發(fā)射極)。由此可知,這個自激勵振、驅(qū)動電路的工作波形是低噪聲、正弦波波形。

另外,在RB較小時,開關(guān)變換頻率fS由LB和CB的串聯(lián)諧振值決定,見式(1):

fS=12πLBCB(1)

為了表示VRC電路的諧振頻率fo和輸出直流電壓Eo,在Eo端接上負(fù)載電阻RL后,分別設(shè)N1,N2的電感值為L1,L2;匝數(shù)比為n=L1/L2;濾波電解電容Ci兩端電壓為Ei,則等效電路的導(dǎo)出解析式結(jié)果fo及Eo。見式(2),式(3):

fo=12πn1CS1LS+1L1(2)

Eo=πEi2π2ωnLS1R2L+ωCS-1n2ω1LS+1L1(3)

由式可知,若固定fS,控制PRT的可變電感L1,就可控制諧振頻率fo和輸出電壓Eo。設(shè)fo>fS,ω=2πfS,則如圖3(b)所示,依據(jù)PRT控制原理,若控制IC,就能穩(wěn)定輸出電壓Eo的值。

圖3 并聯(lián)諧振頻率控制方式開關(guān)變換電源

當(dāng)Q1截止時,產(chǎn)生的集-射間脈沖電壓Vcp是L1+L2和Cr的并聯(lián)諧振電壓,其峰值是Ei的5～6倍,但Q1瞬斷時的開關(guān)變換損耗較小。當(dāng)負(fù)載功率Po=180 W,交流輸入電壓VAC=220 V,fS=50 kHz時,可以得到AC-DC的電能變換效率為ηAC-DC=83%。從Ci端PRT的勵磁電流I1和N2側(cè)CS的兩端交流電壓V2的工作波形可以看到,其基本上接近光滑的正弦波狀,可以達(dá)到低噪聲,滿足實用的目的。

2.2 諧振電壓脈沖寬度控制方式

在圖3中,PRT的主線圈N1,N2是用Φ100 μm單線捆成40～50根的絞合線繞制而成,它不但要保證鐵氧體磁芯的絕緣間隙,還會造成體積增大。

為了減少電路體積,可以想到,如果控制PCC的電感量LS,也能對Eo進(jìn)行控制。故將圖3的PCC換成圖1的PRT,則用PIT一次側(cè)串接PRT的方式構(gòu)成了VRC,如圖4所示。圖4(a)為電路圖;圖4(b)為工作波形圖。

圖4 一次側(cè)連接正交型變壓器方式的電壓諧振型變換器

這個電路的構(gòu)成原理是,PRT和PIT的一次側(cè)有LR+L1和Cr的并聯(lián)諧振電路;二次側(cè)有N2電感L2和CS的并聯(lián)諧振電路。圖4中的V1和V2分別為兩組的并聯(lián)諧振脈沖電壓。用電流驅(qū)動變壓器CDT控制開關(guān)管Q1的斷合工作。由于控制了PRT的NR電感LR,所以能夠控制諧振電路V1的脈沖寬度ΔT1,達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓Eo的目的。電壓諧振波形如圖4(b)所示,圖中的工作參數(shù)為fS=110 kHz,控制范疇為T1=3～4.5 μs,控制寬度為ΔT1=1.5 μs,電能效率為ηAC-DC=83%。

另外,除了圖4用PIT一次側(cè)連接PRT的脈沖寬度控制方式VRC之外,還有用PIT的二次側(cè)連接PRT的脈沖寬度控制方式VRC,這個電路的構(gòu)成原理是,PIT的一次側(cè)有L1和Cr、二次側(cè)N2有電感L2+LR和CS的這兩組并聯(lián)諧振電路。對于Eo的穩(wěn)壓,由于控制PRT的NR電感LR,所以能夠控制二次側(cè)諧振電壓V2的脈沖寬度ΔT2。用PIT二次側(cè)連接PRT的脈沖寬度控制方式VRC的典型工作參數(shù)為fS=71.5 kHz,控制范疇T2=7～12 μs,控制寬度ΔT2=5 μs。

上述兩種諧振電壓脈沖寬度控制方式電路都不需要PRT的主線圈NR、控制線圈NC和磁芯間的距離,所以可以使之小型化。另外,上述的VRC是最大負(fù)載功率Pomax≥150 W的情況,在AC輸入電壓VAC=220 V時,為了確保開關(guān)元件Q1,PIT和PRT的可靠性,輸入整流濾波電路幾乎都設(shè)計成全橋整流方式。

由于供給VRC電路的直流輸入電壓Ei較高,伴隨著VAC↑→Ei↑,則變壓器一次側(cè)的諧振電流↓,Q1和Cr上的電壓諧振脈沖電壓Vcp↑,其Vcp可高達(dá)1 500 V以上。所以,Q1和Cr要采用大于1 800 V耐高壓的元件,并且還要對Q1的飽和壓降VCE(SAT)、下降時間tf及高頻特性的大小有所限制。因此,對上述電路進(jìn)行改進(jìn),得到如圖5所示的升壓型復(fù)合電壓控制方式VRC。

2.3 升壓型復(fù)合電壓控制方式

圖5(a)由PIT的三次線圈N3、升壓二極管DB、主繞組有抽頭的PRT(主繞組NR分為分為NR′和NR″線圈;NR′為升壓控制線圈;NR″為諧振電壓脈沖幅度控制線圈)、濾波電解電容Ci構(gòu)成了升壓型復(fù)合電壓控制方式VRC。這就是用1組控制電路,同時能夠控制升壓EB和并聯(lián)諧振脈沖電壓幅度Vcp,并達(dá)到Eo穩(wěn)定的復(fù)合電壓控制方式VRC。

設(shè)DB的正向?qū)妷簽閂F,PRT主繞組NR的總電感量為LR,PIT的一次線圈N1的電感量為L1,則從Ei和一次測VRC得到的升壓電壓EB,如式(4)表示。

EB=(Ei-VF-VCE(SAT))N1+NR″+N3N1?

L1L1+LR霦i(1+NR″+N3N1)11+LR/L1(4)

式中:設(shè)NR″+N3=1.2N1;可變電感LR=0.2L1～1.2L1;EB為Ei～2Ei。控制LR的變化,就能夠得到2倍Ei值的電壓變化量。當(dāng)NR′=NR″=14T時,LR的動態(tài)控制范疇約為6倍。負(fù)載功率Pomax的工作波形如圖5(b)所示。對于VAC和Pomax的變化關(guān)系,如圖5(c)所示Ei和EB的描繪曲線。根據(jù)這種控制方式,控制EB就能使Eo穩(wěn)定。隨著VAC的上升,控制PRT的LR增加,讓Q1和Cr上的電壓諧振脈沖峰值Vcp固定為700 V左右,所以Q1可采用VCBO<900 V的低壓器件。

電路典型參數(shù):Pomax=180 W,Pomin=60 W,開關(guān)頻率為100 kHz,Ci=1 000 μF/400 V,Ci′=1 000 μF/250 V,Cr=6 800 pF,C2=0.01 μF。在VAC=220 V時,效率達(dá)到ηAC-DC=86%,基本可實現(xiàn)高效率和輕小型結(jié)構(gòu)。這種VRC不但輸出功率大,體積小,重量輕,而且是一個控制效果相當(dāng)好的實用電路。

圖5 升壓型復(fù)合電壓控制方式的電壓諧振型變換器

3 結(jié) 語

該電路的綜合特點是:輸出功率高,為Po>150 W;電能轉(zhuǎn)換效率高,為ηAC-DC>83%;容許輸入電壓變動范圍寬,為VAC=220 V (-20%～+10%),控制性能好,應(yīng)用廣泛。

采用正交型變壓器PRT構(gòu)成的自激勵振方式軟開關(guān)變換電源技術(shù),對于諧振方式,不僅有電壓諧振型,還有電流諧振型。對于DC輸出電壓的控制方式,有并聯(lián)諧振頻率、諧振電壓脈沖寬度、升壓型、復(fù)合型等控制方式。但對于電流諧振型CRC(因與本題目不符,加之篇幅有限,故略),還有開關(guān)變換頻率、串聯(lián)諧振頻率等控制方式。它們都是基于控制PRT電感量實現(xiàn)自動穩(wěn)定輸出電壓Eo的自激勵振方式的諧振型軟開關(guān)變換電源技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1]安村昌之.直交形トランス制御方式ソフトスイッチング電源[J].電子技術(shù),1998(4):11-18.

[2]安村昌之.直交形トランス制御方式複合共振形コンバータ回路[J].電子通信エネルギー技術(shù),1998(11):29-36.

[3]安村昌之,瀬上恭史.複合共振形コンバータによる電力回生方式力率改善電源(3)(スイッチングレギュレータ及び半導(dǎo)體電力変換,一般) [J].電子通信エネルギー技術(shù),2004(5):1-6.

[4]Shoyama M,Ninomiya T.Common-mode Noise Reduction Techniques Using Current Cancellation in Switching Power Supplies[A].Proceedings of 2006 Korea-Japan Joint Conference on AP/EMCJ/EMT[C].2006:197-200.

[5]高濱昌信,安村昌之.電圧?電圧モード多重共振形コンバータ(3)(回路技術(shù)及び高効率エネルギー変換技術(shù)関連,一般) [J].電子通信エネルギー技術(shù),2007(1):89-94.

[6]Shoyama M,Kurokawa Y,Ninomiya T.Common-mode Noise Reduction in the Watkins-Johnson Converter[A].Proceedings of IEEE 29th INTELEC′07[C].2007(9):577-580.