解析PRT自激励振方式VRC软开关变换电源技术

马洪勃

摘 要:从正交型变压器PRT的结构和控制技术出发,对先进的自激励振方式VRC软开关变换电源技术进行解析。利用电路图和工作波形图,重点说明自激励振方式VRC的4种控制方式的电路构成原理,简要阐述它们之间的区别、工作原理和实用技术参数。这4种控制方式是:并联谐振频率控制方式、谐振电压脉冲宽度控制方式、升压型电压控制方式和复合控制方式。它们都是基于控制PRT电感量来实现自动稳定输出电压的自激励振方式的软开关变换电源技术。

关键词:正交型变压器;自激励振;电压谐振型变换器;频率控制;脉冲宽度;升压型;复合控制;开关变换电源

中图分类号:TP274文献标识码:A

文章编号: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

在开关变换电源电路中,将谐振型变换开关元件的励振、驱动方法定义为两类,即把设置有专用的励振和驱动电路方式叫作它激励振、驱动;把利用变压器反馈电路实现的励振、驱动方式叫作自激励振、驱动。这里阐述利用正交型变压器PRT反馈电路构成的自激励振方式电压谐振型软开关变换电源技术。

1 正交型变压器的控制技术

对于自激励振方式谐振型变换器的控制技术,尤其重要的是采用各种铁氧体磁心的正交型变压器PRT。图1是PRT构造和电感特性及电路图形符号。其中,图1(a)为旧单コ型铁氧体磁心PRT;图1(b)为新双コ型铁氧体磁心PRT;图1(c)为PRT电路符号。比较它们的形状和电感特性后得知,新双コ型PRT的磁路长度比旧单コ型的磁路长度延长,磁阻增加。由于主线圈N的电感量Ln和控制线圈NC的直流控制电流IC的变化,使新双コ型的Ln变化幅度和线性范畴都扩大了。

图1 电感特性及电路图形符号

在图2中设控制线圈NC流过直流IC时产生的磁通为φC、主线圈N1或N2上流过交流电流I1时产生的磁通为φ1。若图2(a)中箭头方向为正,则在磁路A和D上的磁通φC和φ1方向相反,磁通为φ1-φC;而在磁路B和C上的磁通φC和φ1方向相同,磁通为φ1+φC。图2(b)中主线圈N1加载到磁路B和D上的B-H曲线,相当于被LC的变化而调制的磁滞曲线。由于加载到线圈NC磁路A,B上的φ1感生电压互相抵消,在NC上不产生交流电压,所以PRT的电流IC信号就可以作为控制磁路B和D上的磁通量,把它作为可控电感元件,实现谐振型变换器的控制技术。图2(c)为这种PRT的电路符号。

图2 正交型变压器的磁通、B-H曲线、符号

2 自激励振方式电压谐振型变换器

开关元件在断开时,加在开关元件上的电压波形是LC谐振时产生的正弦波电压,也称之为电压谐振。利用电压谐振型变换器VRC电路和PRT的组合,可以构成各式软开关变换电源。常用的自激励振方式VRC的控制方式有如下几种:

2.1 并联谐振频率控制方式

图3为单管自激励振方式VRC的并联谐振频率fo控制方式的开关变换电源电路。图3(a)为电路图,图3(b)为控制特性图,图3(c)为工作波形图。

图3(a)中PRT的结构如图2所示,线圈N1与脉冲电流转换器PCC的电感LS串联后,再与并联电路(包括VCBO>1 200 V的耐高压BJT管Q1、续流二极管D1、并联谐振电容Cr)串联。另外,有中心抽头的全波整流线圈N2与谐振电容CS并联。

图中自激励振电路由下述元件和小电路构成,如启振电阻RS,串联谐振电路(包括绕有1匝线圈的脉冲电流转换器PCC、限流电阻RB、定时电感LB、定时电容CB),并联电路(包括箝位二极管DB,Q1的基极-发射极)。由此可知,这个自激励振、驱动电路的工作波形是低噪声、正弦波波形。

另外,在RB较小时,开关变换频率fS由LB和CB的串联谐振值决定,见式(1):

fS=12πLBCB(1)

为了表示VRC电路的谐振频率fo和输出直流电压Eo,在Eo端接上负载电阻RL后,分别设N1,N2的电感值为L1,L2;匝数比为n=L1/L2;滤波电解电容Ci两端电压为Ei,则等效电路的导出解析式结果fo及Eo。见式(2),式(3):

fo=12πn1CS1LS+1L1(2)

Eo=πEi2π2ωnLS1R2L+ωCS-1n2ω1LS+1L1(3)

由式可知,若固定fS,控制PRT的可变电感L1,就可控制谐振频率fo和输出电压Eo。设fo>fS,ω=2πfS,则如图3(b)所示,依据PRT控制原理,若控制IC,就能稳定输出电压Eo的值。

图3 并联谐振频率控制方式开关变换电源

当Q1截止时,产生的集-射间脉冲电压Vcp是L1+L2和Cr的并联谐振电压,其峰值是Ei的5～6倍,但Q1瞬断时的开关变换损耗较小。当负载功率Po=180 W,交流输入电压VAC=220 V,fS=50 kHz时,可以得到AC-DC的电能变换效率为ηAC-DC=83%。从Ci端PRT的励磁电流I1和N2侧CS的两端交流电压V2的工作波形可以看到,其基本上接近光滑的正弦波状,可以达到低噪声,满足实用的目的。

2.2 谐振电压脉冲宽度控制方式

在图3中,PRT的主线圈N1,N2是用Φ100 μm单线捆成40～50根的绞合线绕制而成,它不但要保证铁氧体磁芯的绝缘间隙,还会造成体积增大。

为了减少电路体积,可以想到,如果控制PCC的电感量LS,也能对Eo进行控制。故将图3的PCC换成图1的PRT,则用PIT一次侧串接PRT的方式构成了VRC,如图4所示。图4(a)为电路图;图4(b)为工作波形图。

图4 一次侧连接正交型变压器方式的电压谐振型变换器

这个电路的构成原理是,PRT和PIT的一次侧有LR+L1和Cr的并联谐振电路;二次侧有N2电感L2和CS的并联谐振电路。图4中的V1和V2分别为两组的并联谐振脉冲电压。用电流驱动变压器CDT控制开关管Q1的断合工作。由于控制了PRT的NR电感LR,所以能够控制谐振电路V1的脉冲宽度ΔT1,达到稳定输出电压Eo的目的。电压谐振波形如图4(b)所示,图中的工作参数为fS=110 kHz,控制范畴为T1=3～4.5 μs,控制宽度为ΔT1=1.5 μs,电能效率为ηAC-DC=83%。

另外,除了图4用PIT一次侧连接PRT的脉冲宽度控制方式VRC之外,还有用PIT的二次侧连接PRT的脉冲宽度控制方式VRC,这个电路的构成原理是,PIT的一次侧有L1和Cr、二次侧N2有电感L2+LR和CS的这两组并联谐振电路。对于Eo的稳压,由于控制PRT的NR电感LR,所以能够控制二次侧谐振电压V2的脉冲宽度ΔT2。用PIT二次侧连接PRT的脉冲宽度控制方式VRC的典型工作参数为fS=71.5 kHz,控制范畴T2=7～12 μs,控制宽度ΔT2=5 μs。

上述两种谐振电压脉冲宽度控制方式电路都不需要PRT的主线圈NR、控制线圈NC和磁芯间的距离,所以可以使之小型化。另外,上述的VRC是最大负载功率Pomax≥150 W的情况,在AC输入电压VAC=220 V时,为了确保开关元件Q1,PIT和PRT的可靠性,输入整流滤波电路几乎都设计成全桥整流方式。

由于供给VRC电路的直流输入电压Ei较高,伴随着VAC↑→Ei↑,则变压器一次侧的谐振电流↓,Q1和Cr上的电压谐振脉冲电压Vcp↑,其Vcp可高达1 500 V以上。所以,Q1和Cr要采用大于1 800 V耐高压的元件,并且还要对Q1的饱和压降VCE(SAT)、下降时间tf及高频特性的大小有所限制。因此,对上述电路进行改进,得到如图5所示的升压型复合电压控制方式VRC。

2.3 升压型复合电压控制方式

图5(a)由PIT的三次线圈N3、升压二极管DB、主绕组有抽头的PRT(主绕组NR分为分为NR′和NR″线圈;NR′为升压控制线圈;NR″为谐振电压脉冲幅度控制线圈)、滤波电解电容Ci构成了升压型复合电压控制方式VRC。这就是用1组控制电路,同时能够控制升压EB和并联谐振脉冲电压幅度Vcp,并达到Eo稳定的复合电压控制方式VRC。

设DB的正向导通电压为VF,PRT主绕组NR的总电感量为LR,PIT的一次线圈N1的电感量为L1,则从Ei和一次测VRC得到的升压电压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:设NR″+N3=1.2N1;可变电感LR=0.2L1～1.2L1;EB为Ei～2Ei。控制LR的变化,就能够得到2倍Ei值的电压变化量。当NR′=NR″=14T时,LR的动态控制范畴约为6倍。负载功率Pomax的工作波形如图5(b)所示。对于VAC和Pomax的变化关系,如图5(c)所示Ei和EB的描绘曲线。根据这种控制方式,控制EB就能使Eo稳定。随着VAC的上升,控制PRT的LR增加,让Q1和Cr上的电压谐振脉冲峰值Vcp固定为700 V左右,所以Q1可采用VCBO<900 V的低压器件。

电路典型参数:Pomax=180 W,Pomin=60 W,开关频率为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时,效率达到ηAC-DC=86%,基本可实现高效率和轻小型结构。这种VRC不但输出功率大,体积小,重量轻,而且是一个控制效果相当好的实用电路。

图5 升压型复合电压控制方式的电压谐振型变换器

3 结 语

该电路的综合特点是:输出功率高,为Po>150 W;电能转换效率高,为ηAC-DC>83%;容许输入电压变动范围宽,为VAC=220 V (-20%～+10%),控制性能好,应用广泛。

采用正交型变压器PRT构成的自激励振方式软开关变换电源技术,对于谐振方式,不仅有电压谐振型,还有电流谐振型。对于DC输出电压的控制方式,有并联谐振频率、谐振电压脉冲宽度、升压型、复合型等控制方式。但对于电流谐振型CRC(因与本题目不符,加之篇幅有限,故略),还有开关变换频率、串联谐振频率等控制方式。它们都是基于控制PRT电感量实现自动稳定输出电压Eo的自激励振方式的谐振型软开关变换电源技术。

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