有源箝位ZVS?PWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的研究
摘要:最近,对带有同步整流电路的有源箝位ZVS-PWM控制串联谐振变换器的研究和应用不断取得进展。不过,当输入电压偏离特定值时,其效率会严重下降。通过对其各种工作模态转换的分析,阐明了效率下降的原因。为解决这种效率下降,使用了带有分立电感和耦合电感的倍流型同步整流电路模型,并分析了其稳态特性。通过实验,比较了中心抽头型和耦合电感型效率变化曲线。最后,通过分析和比较,得出结论。提出了一个整流电路,在较大输入电压范围内和低输出电压,大输出电流的负载条件(3.3V,5A)下获得了85%的较高效率。 关键词:有源箝位;串联谐振;同步整流EfficiencyImprovementofSynchronousRectifierina ZVS?PWMControlledSeries?ResonantConverterwithActiveClamp
开关变换器在很多电子和通信设备的电源中得到广泛应用。近来,低输出电压和大输出电流的负载条件对开关变换器提出了新的要求。为了满足这些要求,很多类型的谐振变换器已被提出和利用。然而,这些变换器的输出电压通常由开关调制频率所控制。因此,这导致了诸如最小开关频率限制了输出滤波电容减小等问题。为了消除这些限制,一种新颖的带有源箝位电路ZVS-PWM控制的电流模式谐振变换器被提了出来[1,2]。这种变换器工作在一个固定的开关频率,其输出电压通过主开关管的PWM控制信号来调节。其稳态特性和ZVS条件在相关文献中有详细的讨论[3~5]。但是,这种变换器在特定的输入电压下有较高的效率,当输入电压偏离特定值时,效率会严重下降。 本文通过对这种变换器的各个工作模态转换的分析,说明了其效率下降的原因。通过分析可以说明,当输入电压偏离特定值时,发生了环流现象,导致了能量的回馈,效率下降。为解决这种问题,使用了一种倍流型同步整流电路,它带有分离电感或耦合电感两种方案。这种整流电路在较大输入电压范围和低输出电压、大输出电流的情况下获得了85%的效率。 2带中心抽头同步整流ZVS?PWM控制的串 联谐振变换器 带中心抽头同步整流ZVS?PWM控制的串联谐
有源箝位ZVS?PWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的研究
表1变换器参数值Vin48V 如果以D表示主开关管S1的占空比,把输出级和负载电阻RL看作一等效AC电阻RAC=8RL/π,输出电压Vo为Vo=(1) 式中:Zr=(nRAC+Rr)2+[ωsLr-1/(ωsCr)]2 ωs=2πfs;(2) Rr是串联谐振支路中的寄生串联电阻。 在此变换器中,最大效率88.6%是在输入电压为48V的时候获得的。然而,当输入电压偏离48V的时候,效率会严重下降。 3效率下降原因分析 3?1变换器的工作状态 图3给出了变换器所有可能的工作模态。表2给出了在一个开关周期里的所有可能的工作模式和每一模式中模态转换次序。在图3中,模态1和模态3表示能流从输入端传送到输出端。模态2和模态4对应于在模态1和模态3之间的过渡状态。模态5和模态6表示能流从输出电容反馈到输入端。这种能流回馈状态是同步整流所特有的。在二极管整流电路中,只有能流前馈,即能量从输入端流到输出边的状态,而没有能流回馈状态,即能量从输出端回流到输入端。然而,在用MOSFET作同步整流的电路中,当栅源电压vgs大于阈值时,MOSFET会一直保持开通。因此,图3中模态5及模态6能量回馈的现象出现了。环流增加了能量损耗,导致效率的下降。产生环流的波形如图4所示。 3?2占空比D的范围 能流回馈现象依赖于主开关管的占空比。于是,抑制能流回馈现象出现的合适占空比即是在模式Ⅱ中,必须在模态5出现之前直接从模态3到模态4。据这一条件,则模态3必须在1/(2fr)内完成,即必须在一半谐振周期内完成模态3。fr由Lr,Cr决定,若开关周期由Ts表示,则这一关系由下式表示
(e)模态5
(1-D)Ts?1/(2fr)(4) 考虑到Ts=1/fs,则式(3)和式(4)决定了占空比D的范围 [1-fs/(2fr)]?D?fs/(2fr)(5) 从式(5)中可以看出,扩大占空比范围的最简单方式是增大开关频率fs。然而,当开关频率fs偏离谐振频率太大时,则输出电压会按式(1)和式(2)的规律下降。如用表1中的数值,则占空比的范围计算结果是 0.44?D?0.56(6) 对于由式(6)所给的占空比,变换器能恰好工作于没有能量环流的状态。然而,当输入电压变化范围和负载范围变化更大时,为了调节输出电压,必须要扩大占空比的范围。为避免在扩大占空比的范围时导致效率的急剧下降,则必须采取新的方法来克服这种情况。 表2变换器工作模式模式模态转换次序条件 4?1倍流型整流电路 为避免效率下降,我们使用了一种倍流[6]同步整流电路的ZVS?PWM控制串联谐振变换器,如图5所示。这种变换器的工作模态见图6。其仿真参数值与表1给出的基本相同,两个电感LO1和LO2仿真参数是7μH。变换器的模态转换顺序总是1-2-3-4。在这种整流电路中,能流回馈现象不再存在。因而,效率下降的原因被消除了。其工作模态简要介绍如下: 1)模态1这一模态表示了从S4到S3换流的过
2)模态2在这一时间段,开关管S4关断,S3由于变压器电压保持导通。这样,输出电感iLO1通过谐振电流充电。这是能流从输入端传到输出端的过程。 3)模态3这一模态和模态1对称。这时开关管S3换向到S4。 4)模态4同样,这一模态和模态2对称。S4保持开通,输出电感iLO2被谐振电流充电。这也是能流从输入端传到输出端的过程。 在这一方案中,模态1和模态3是由于存在由Lr,Cr组成的谐振电路的存在而出现的。同步整流MOSFET在诸如模态1和模态3这样的死区间隔内工作。因此,S3和S4的ZVS实现了。如果没有这一串联谐振电路,将不会出现模态1和模态3;那么,由于在模态2和模态4之间转换时间短且转换电压电流幅度大,将会由于存在寄生参数而造成很大的开关噪声。 4?2带耦合电感倍流型整流电路 在图5所示变换器中,其输出电感是独立的。为了减少磁芯的数目,如果让这两个电感耦合到一起,如图7所示,则其工作模态分析如图8所示。参数值和工作模态转换顺序和前面分析相似。在这种整流电路中,能量回馈现象不再出现。同样,效率下降的原因也被消除了。 经过实验和对输出电流和输入电压各个采样点的分析,计算出的效率曲线比较图如图9所示。从中心抽头型,倍流带独立输出电感型和倍流带偶合输出电感型三种电路的效率特性比较中可以看出:通过倍流整流技术,在轻载条件下,效率得到了提高,如图9(a)所示。另外用倍流型电路后,当输入电压偏离48V时,对效率提高有了很大的作用,在负载为3.3V和5A,且输入电压在从40V到60V这一大范围内变化时,仍获得了高于85%的效率,如图9(b)所示。 5结语 电流谐振工作模式被认为对开关变换器的高效率设计非常有效。然而,在中心抽头型同步整流电路
(a)模态1
(c)模态3
(a)模态1
(c)模态3 (d)模态4
参考文献 [1]T.Zaitsu,T.Ninomiya,M.Sboyama,H.Tanaka.PWM- ControlledCruuent?ModeResonantConverterUsinganActiveClampTechnique[C].IEEEPESC'96RecordVol.11:89-93,June1996. [2]T.Zaitsu,T.Ninomiya.ResonantDC?DCConverterCapable ofControllingbuPusleWidthModulation[P].USPatent#5,805,432,Vol.6:977-981,Sept.1998. [3]H.Tanaka,T.Ninomiya,M.Shoyama,T.Zaitsu.NovelPWM ControlledResonantConverter[C].IEEEINTELEC'96Record,vol.1:823-828,Oct.1996. [4]H.tanaka,T.Ninomiya,M.Shoyama,T.Zaitsu.Steady?State AnalylsisofaZVS?PWMSeriesResonantConverterwithActive?ClampTechnique[C].IEEEPESC'98Record,Vol.1:655-661,May1998. [5]H.tanaka,T.Ninomiya,YoOkabe,T.Zaitsu.LowNoise CharacteristicsofaZVS?PWMControlledSeriesResonantConverterwithActiveClampandSynchronousRectification[C].IEEEAPEC'99Record,Vol.1:146-152,May1999. [6]C.Peng,O.Seiersen.ANewEfficientHighFrequencyRec? tifierCircuit[C].HFPC1991,Proc.Vol.3:236-243,June,1991. [7]刘军,詹晓东,严仰光.采用同步整流的有源箝位正激式 DC/DC变换器研究[C].第十四届全国电源技术年会论文集.北京,2001.9. [8]王聪.软开关功率变换器及其应用[M].科学出版社2000. |
有源箝位ZVS?PWM控制串联谐振变换器中提高同步整流效率的
- 变换器(108177)
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移相全桥ZVS变换器的原理与设计
移相全桥ZVS变换器的原理与设计
摘要:介绍移相全桥ZVS变换器的原理,并用UC3875控制器研制成功3kW移相全桥零电压高频
2009-07-10 11:59:49
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一种有源箝位Flyback软开关电路设计
一种有源箝位Flyback软开关电路设计
摘要:介绍了一种有源箝位Flyback变换器ZVS实现方法,并对其软开关参数重新设计。该方案不但能
2009-07-11 09:36:56
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改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器
改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器
摘要:介绍了一种能在全负载范围内实现零电压开关的改进型全桥移相ZVS-PWM DC/DC变换器。在分析
2009-07-11 10:16:59
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谐振变换器,什么是谐振变换器
谐振变换器,什么是谐振变换器
谐振变换器由开关网络Ns、谐振槽路NT、整流电路NR、低通滤波器NF等部分组成,其结构框图由图1所示。
2009-10-18 10:30:06
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电流模式控制倍流整流器ZVS PWM全桥DC-DC变换器的研
电流模式控制倍流整流器ZVS PWM全桥DC-DC变换器的研究
1、引言 传统的PWM DC/DC 移相全桥零电压软开关(ZVS)变换器利用变压器的漏感或/和原边串联电感和开关管
2009-11-10 10:17:34
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零电压开通(ZVS(PWM DC/DC变换器电路图
零电压开通(ZVS(PWM DC/DC变换器电路图
拓扑结构:Buck DC/DC ZVS PWM 变换器。主开关T1(包含反并联二极管D1),辅助二
2010-03-03 15:44:58
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有源箝位电路在Boost变换器中的应用
摘要:提出了一种应用于Boost 变换器的新型有源箝位电路。 在Boost 变换器的主开关和升压二极管之间串入1 个谐振电 感,由有源开关和箝位电容组成的箝位支路并联在谐振电感 两端。
2011-03-28 17:25:34
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有源箝位同步整流正激变换器的优化设计
目前电源技术的发展趋势为高频、高效率、高密度。介绍了专为有源箝位变换器设计的芯片UCC2897以及实现ZVS有源箝位的工作原理。同时,详细介绍了一款18~36v输入、5V/50W输出,工作
2011-10-24 10:51:42
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对称PWM控制ZCS半桥变换器原理图
对称PWM控制ZCS半桥变换器在传统不对称半桥电路变压器的副边增加了一条由辅助开关管、谐振电容和谐振电感串联构成的辅助支路。
2012-02-23 10:45:49
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新颖三电平软开关谐振型DC_DC变换器
该文提出一种新颗的三电平LLc串联电流谐振型Dc,Dc变换器。每个主开关电压应力是输入电压的一半,并且全范围实现zvs而不用附加任何电路。整流二极管工作在zcs状态。该变换器通过
2012-03-29 11:13:07
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中点箝位三电平双PWM变换器电路
在中点箝位三电平双PWM变换器控制中.三电平PWM整流器采用固定开关频率直接功率控制策略u 3DPCSVM(Direct Power Control with SVPWM).该策略外环为直流侧电压环.内环为有功功率和无功功率控
2012-03-29 11:33:33
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ZVS 三电平双正激DC-DC变换器
管 I'W M 控制实现主开关元件的零电压开通。 本文分析了它的工作原理,并讨论了 zVS谐振参数的设计,给出了3kW 试验模型的实验结果。 此外给出了应用不同副边整流电路的三电平双正激 DC/DC 变换器拓扑。
2016-05-10 14:24:39
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正激变换器同步整流驱动方法分析
本文对正激变换器同步整流的内驱动、外驱动方法的工作原理进行了比较分析。讨论了提高同步整流效率应采取的措施。 并得出结论,同步整流是低压、大电流电源中提高效率的有效方法。
2016-05-11 15:26:21
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有源箝位ZVS单端正激变换器的负载适应性
本文讨论有源箝位ZVS单端正激变换器在不同负载时的工作过程,进而阐述该变换器的负载适应性。通过计算仿真,证实了结论的正确性,最后给出了应用实例。
2016-05-11 15:28:46
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移相控制的全桥PWM变换器介绍及DCDC变换器的设计
为抑制输出整流二极管反向恢复引起的电压振荡,采用原边带箝位二极管的电路拓扑设计DC/DC变换器。通过调节移相角调节输出电压,利用开关管的结电容和外接电容以及原边串联电感作为谐振元件,使开关管能进
2017-12-07 16:51:34
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定频移相控制LLC谐振变换器的数字充电设计
,同时谐振槽路电流可以反映负载的大小。LLC谐振变换器在宽电压范围很大的情况下具有较好的电压调节特性。LLC谐振变换器中,原边MOS管ZVS开通,副边整流二极管zcs关断,软开关得以实现,一定程度上降低了开关损耗,便于高频化的实现,提高了效
2018-02-01 11:36:20
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对称控制全桥谐振PWM软开关变换器
针对传统对称控制全桥变换器不能实现软开关而导致变换器效率较低的现状,提出了对称控制全桥谐振PWM(FB-RPWM)变换器,详细分析了FB-RPWM变换器的工作模式及其稳态特性。分析结果表明
2018-03-22 14:42:06
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ZVS软开关反激变换器的工作原理分析
反激变换器是一种常用的电源结构,广泛应用于中小功率的快充及电源适配器。高功率密度的ZVS软开关反激变换器除了有源箝位反激变换器,还有另一种结构,其利用输出反灌电流,实现初级主功率MOSFET零电压
2018-10-10 08:32:00
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使用Gen2 SiC功率MOSFET进行全桥LLC ZVS谐振变换器设计说明
LLC谐振拓扑原理介绍和使用Gen2 SiC功率MOSFET的全桥LLC ZVS谐振变换器设计资料说明
2018-12-13 13:53:00
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基于输出反灌电流的ZVS软开关反激变换器的原理和应用
反激变换器是一种常用的电源结构,广泛应用于中小功率的快充及电源适配器。高功率密度的ZVS软开关反激变换器除了有源箝位反激变换器,还有另一种结构,其利用输出反灌电流,实现初级主功率MOSFET零电压
2022-03-25 09:43:00
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LT3752LT8311演示电路-带同步整流的有源箝位正激变换器(36-72V至12V@12A)
LT3752LT8311演示电路-带同步整流的有源箝位正激变换器(36-72V至12V@12A)
2021-06-02 14:30:18
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LT3752-1LT8311演示电路-200W同步整流有源箝位正激变换器(150-400V至12V@16.7A)
LT3752-1LT8311演示电路-200W同步整流有源箝位正激变换器(150-400V至12V@16.7A)
2021-06-02 14:32:38
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不对称半桥同步整流DC/DC变换器.pdf
不对称半桥同步整流DC/DC变换器.pdf(移动电源显示fu)-:简要介绍了不对称半桥同步整流变换器的5--作原理,对同步整流管的驱动方式进行了比较和选择,并在分析变换器的整流损耗的基础上,总结出了影响整流损耗和变换器效率的各种参数。
2021-07-26 14:40:00
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不对称控制全桥副边双谐振DC_DC变换器
,提高了变换器的效率:有效抑制了整流二极管的电压尖峰和振荡,将整流二极管电压箝位在输出电压,减小了电压应力,进一步提高了变换器的性能。详细研究FB-SDR变换器的工作原理及稳态特性,并对电路关键参数进行
2021-08-31 16:06:19
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LLC串联谐振全桥DCDC变换器研究
LLC串联谐振全桥DCDC变换器研究(开关电源技术与设计第二版pdf)-高频化、高功率密度和高效率,是DC/DC变换器的发展趋势。传统的硬开关变换器限制了开关频率和功率密度的提高。移相全桥 PWM
2021-08-31 18:36:36
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具有移相控制的ZVS全桥DC-DC斩波变换器
具有移相控制的ZVS全桥DC-DC斩波变换器(通信电源技术杂志简介)-具有移相控制的ZVS全桥DC-DC斩波变换器
2021-08-31 18:56:38
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一种同步整流升压型DC-DC变换器的设计与研究
一种同步整流升压型DC-DC变换器的设计与研究(安徽理士电源技术有限公司招聘)-首先对变换器的功率级部分元件的选取进行了分析,考虑到损耗的部分,决定应用同步整流模式来提高效率。同步整流方法是由功率
2021-09-17 11:54:34
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LLC谐振变换器与传统谐振变换器相比有哪些优势?
变换器,LLC谐振变换器有许多优势,下文将详细介绍。 1. 高效性 LLC谐振变换器具有很高的转换效率,是因为该变换器采用了电感、电容、电阻等元器件的串联谐振电路。由于电路采用了谐振电路,极大地减少了开关管的开关损耗,使得功率器件的损耗大大降低,能够将输入电源的
2023-10-22 12:52:14
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