新型双端正激式开关电源的研究及开发

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1、摘要：提出了一种新型的双端正激式开关电源设计方案，有效地避免了上下桥臂易于出现的直通短路问题，使开关电源的可靠性大为提高。而且其输入电压可以很高，输出直流电源容量大、组数多，尤其适用于具有高压直流侧的大功率电力电子系统。同时还提出了一种独特的磁通维持控制设计方案，很好地解决了双端正激式DC/DC变换器普遍存在的磁通维持阶段不理想的问题，特别适合于直流输入电压高、高频变压器变比大的情况。对主电路、控制及自举等回路的结构原理进行了分析，利用仿真波形以及实验结果验证了该方案的可行性和实用性。　　关键词：双端正激式；开关电源；磁通控制方案；DC/DC变换器；仿真波形；

2、电路目前各种电气设备中的开关电源，大多数都采用间接式DC/DC变换电路，先将直流电逆变为交流电，通过高频变压器隔离，再将交流电整流成直流电。它具有隔离性能好，便于提供多路输出直流电源等优点。间接式DC/DC变换电路通常又分为单端电路和双端电路。一般小容量的开关电源多采用单端正激式或单端反激式DC/DC变换电路，其高频变压器铁芯中的磁通是单方向脉动的。单端间接式直流变换电路所存在的主要缺点是高频变压器铁芯中的磁通只工作在磁化曲线的第一象限，一方面铁芯不能得到充分利用，另一方面总存在磁通复位的问题。 相比之下，双端间接式DC/DC变换电路比较适用于中大容量的开关电

3、源，其高频变压器铁芯的工作磁通在磁化曲线的一、三象限间对称地交变，铁芯的利用率较高，也不必担心磁通的复位问题，而且对应于正负半周都可以向输出传递能量，加之高频变压器铁芯的磁通变化线性范围宽，有利于减小变压器的绕组匝数和体积，提高开关电源功率密度和工作效率。因此，开发完善、可靠的双正激电源是当前开关电源研究的热点。基于上述考虑，笔者提出一种新型双端正激式DC/DC变换器的半桥拓扑设计方案。1双正激电路的设计1.1      电路的拓扑结构开关电源采用了如图1所示的总体结构框图。其中主电路部分是电源的主体部分，负责产生各副边电压，并为控制电路提供电源；自举电路部分

4、负责在上电初期利用主电路直流侧电压为控制电路提供电源，并在副边电压建立后将之脱离，直接利用副边某一路为其供电，从而实现自举的作用；控制电路部分主要负责主电路MOS管门极控制信号的产生并有稳定副边电压的作用。这三部分紧密联系。                   图1　新型开关电源总体结构框图主电路采用了如图2所示的独特结构。图中变压器原边采用半桥式双正激电路，主电路可直接利用高压直流环节供电。两原边绕组L1、L2上下对称，极性相反。它的作用是避免高频PWM开关作用时，由于MOS管关断不及时所出现的上下桥臂直通现象。图2中右侧L3所在的支路为励磁电流的续流回路。

5、回路中MOS管M7、M8均并联着反向二极管。该回路作用是在主电路上、下两管都不导通的时候维持主磁通的励磁电流，否则原边绕组的磁通将突变到零，根据公式U=dΨ/dt，在绕组两端将激起很高的电压。而采用独特设计的励磁电流续流回路能够在此期间开通，由于回路电阻很小，从而励磁电流近似维持不变。                      图2　开关电源主电路结构示意图图2中右上回路代表着一系列带有抽头的副边绕组。它对绕组两端正零负交变的高频信号通过两只快恢复二极管实现全波整流，然后进行L-C滤波或直接电容滤波后稳压输出。另外，为提高抗干扰能力，电路中还选择了其中一组副边

6、为PWM控制芯片SG3525提供反馈电压。1.2      电路的工作原理假设电流的正方向是流入绕组的同名端。主电路中开关管M1，M2占空比变化范围为0～0.5，且轮流导通。　　(1)M1饱和导通时，电容C1的正向电压加在原边绕组L1上。在此电压的激励下，根据，可推导出，由于电路稳定后，初始值i0为负值，可见绕组的励磁电流以斜率U/L(常数)从负到正线性增加(流经L1的电流是由其励磁电流和总负载电流合成的，因而L1中电流的大小还由负载电流决定)，同时各副边绕组两端生成正向电压。(2)M2导通的情况与M1时类似。由于电容C2电压相当于反向加在L2两端，初始值i0

7、为正值，L2的励磁电流是以斜率U/L从正到负反向线性增加，而各副边绕组两端生成反向电压。(3)当M1，M2都不导通时，励磁电流续流回路开通，主磁通励磁电流保持不变，因而各绕组磁通维持常值，根据公式，使得主电路绕组及各副边绕组两端电压在此期间内均为零，保证了输出电压的可控性。从上述分析不难看出，主电路绕组的励磁电流按如下规律变化：线性增加(从负到正)维持恒定(在励磁续流回路中)线性减小(从正到负)使得主磁通在一、三象限内对称变化，满足双端正激式的要求。2PWM控制信号产生电路主电路的PWM信号是由SG3525产生出来的。SG3525根据变压器副边反馈的电压信号V

8、fd调整输出信号的占空比，如图3所示。